2017/5/27 望遠鏡および観測装置会議@キャンパスプラザ京都

極限補償光学装置の進捗
山本広大(京都大学)
SEICA開発チーム
京大岡山3.8m望遠鏡架台

惑星撮像装置SEICA[Second-generation
Exoplanet Imager with Coronagraphic Ao]
内容• SEICA ExAOのWoofer実験

SEICAb ottom -right

H R 8799 e

1000

4.00.75×A 60, 0.25×E 60

equilibrium5

他観測で発見済の惑星を観測→キャラクタリゼーション

SEICA: 意義・目標

1’(60’’)
HR8799 (Currie+2014)

c 10MJ
1’’.1

b 7MJ
1’’.7+
主星との光度比はおよそ10-5
d 10MJ
0’’.7e 9MJ
0’’.4

惑星質量 (木星質量)N o t e. — R efer en ces: 1) B u r row s et a l . ( 2006) , 2) C u r ri e et a l . ( 2011a) , 3) M ad h u su d h an et al . ( 2011 ) , 4) Sk em er et al .
( 2012) , 5) th i s w ork .
1010

■ 木星

1.01
Gaiaの観測領域

0.10.1

■土星

海王星

■■

天王星

0.01
0.01

■■ 地球

0.001

金星

0.001

0.01

0.01

0.1

1

100.1 1.0 10離角 (秒角)K eck/N I R C 2 L ′im ages of H R 8799 from 2012 data (left) and archival 2010 data (right) reduced using A -L O CI .

F ig . 1. —are all easily identiﬁ able.

木星型太陽系外惑星の直接撮像→0”.2—0”.3で10-5〜-6
先進技術のテストベッド[FPGA制御,PDI WFS, SPLINE, ポストプロセス]

H31/2019にFL

ExAO進捗:[前回まで]
1. AO制御実験[Woofer AO]
1. Woofer実験環境整備
1.

光学系調整[完了]2. Woofer実験開始
1.
2.
3.

基準実験系での試験 [AO基本性能, 風速, 等級etc...]
WFSパラメータの最適化試験[マイクロレンズ, ROI etc...]
近赤外対応

2. SEICA実機設計: Woofer AO
1. Woofer用SHWFS構造体最終設計

3. H29年度予算への応募
1.
2.
3.
4.

自然科学機構(NINS)分野融合共同研究[落選]国立天文台共同開発経費[落選]ABCプロジェクト経費[応募中]
TMT戦略経費[応募中]1/24

意義:: 補償光学 (Adaptive Optics)

2/24

大気による波面乱れをリアルタイム補正
Woofer AOの例

大気乱流で乱れた波面

1. DM
可変形鏡
3. 計算
システム

ビーム
スプリッタ

DMの制御点(88点)

2. WFS
波面センサ

補償された
波面 (λ/4: rms)
仕様を決定する

WFSの測定点(52点)3/24

ExAOパート(極限補償光学系)

位相計測: Tweeter
高速、高精度波面制御

傾斜計測: T/T＋Woofer
低速、粗い波面制御
Tip/Tilt部 視野内で星像を安定させる

Woofer DM
88 actuators

T/T
望遠鏡
より→

CPU1

Woofer部 λ/4程度まで波 Tweeter部 λ/20程度まで波面補償する
面補償する
Tweeter
TweeterDM
DM
952
492actuators
actuators

BS1
DM1

BS2
DM2

BS3
DM3

コロナ
グラフ・

λ:0.4-0.5µm

λ:0.5-0.7µm

λ:0.7-0.9µm

分光装置へ

T/T sensor

Frame rate: 100Hz
Limiting magnitude: 16mag

CPU2FPGASHWFS

Frame rate: 1kHz
Limiting magnitude: 12mag

PDI
位相センサ
Sensor(西岡君)Frame rate: 6kHz
Limiting magnitude: 7mag

目標高精度 (λ/20; rms)
高頻度 (5-10 kHz)高空間周波数 (1辺24素子)←コロナグラフにおいて何処までの精度が必要か再検討中

0”.2—0”.3で105—6

ExAOパート:: WooferAO動作実験

4/24

AO時
FWHM 〜6pix
回折限界
FWHM 4.5pix

Woofer AO動作時の星像 (He-Neレーザ光源, 風速10m/s, 制御900Hz)
地球大気乱流模擬試験

ExAO: 評価試験 星像モニタ
各制御周波数の比較

センサー値の平均

9000
8000

風速10m/s 制御無し

7000

制御周波数9Hz 風速10m/s

6000

制御周波数90Hz 風速10m/s5000

制御周波数900Hz 風速10m/s

5/24

SR=0.4%SR=3.7%

風速 10m/s 制御無し

風速 10m/s 制御周波数900Hz

4000
3000
2000
1000
002468λ=633nm 風速10m/s 星像モニタ(16秒間平均 26fps)

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28ピクセル

9000

9000

500

500

500

500
y座標

0 0x座標中村君スライド y座標

0 0x座標ExAO: 評価試験 SR測定
観測カメラの画像の比較

センサー値の平均

9000
8000

風速10m/s 制御無し

7000

制御周波数9Hz 風速10m/s

6000

制御周波数90Hz 風速10m/s

5000

制御周波数900Hz 風速10m/s

SR=0.4%

6/24

SR=3.7%

4000

3000
2000

風速 10m/s 制御無し

1000
00246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28
ピクセル

制御無しに比べてSRが上昇しているが不安定なSR変動

時間ごとのSRの変化

風速 10m/s 制御周波数900Hz

λ=633nm 風速10m/s 星像モニタ(16秒間平均 26fps)

制御帯域が高速化すると補償精度も向上

目標30%に足りない
中村君スライド

周波数とSRの比較

7/24

ExAO: Woofer AO
目標性能(SR=0.3@1.2um)へ最適化試験– 光源精度：SR=0.3→0.8(@0.633um) [前回]
– WFS測定点数: 52素子
– DM制御点数: 52点[今回考慮]– 作用行列の精度– 制御パラメータ: 比例ゲイン(Kp)
試験光源

可変形鏡(DM)

波面センサ(WFS)

DM制御点(円内で52点)

WFS測定点(52点)8/24

ExAO: 試験環境
200

SHWFS用カメラ
浜ホト
ORCA flash4.06.5um, 2048x2048

位相板

L1 (f=350)

入力2 x 出力2100 150

試験用点光源(λ=633nm)

L2(f=300)

SHWFS鏡筒

550

350150

テスト光路

150

L3(f=250)

強度変化用
偏光板x2L4(f=400)

DM
150

光源はシングルモードファイバー
NA=0.1-0.14150

位相板
φ24mmでr0=10cm
DM
φ20mmで差し渡し8素子光源(試験/リファレンス)の精度
SR=0.8リファレンス光リファレンス用点光源(λ=633nm)

SHWFS用マイクロレンズ
焦点距離2.06mm
ピッチ136um
差し渡し8点, 全52点
焦点マスクなし

750

光軸高さは200mm

星像モニタでの回折像サイズ
半径=1.22fλ/D=28.9um=4.4pix
星像モニタ
浜ホト ORCA flash4.06.5um, 2048x2048

9/24

補償光学: 制御系
WFSの入力(52素子)からDMへの出力(88素子)– SH-WFSはx, yの波面傾斜を測定→52×2=104要素
WFS入力値とDM出力値間の連立方程式

DM↓

y=M†u

WFS制御DM値DMWFS↓

作用行列

WFS値

前もってu=M yからMを測定→作用行列の精度に問題？

M: 作用行列M†: 作用行列の疑似逆行列
y: DMの司令値
u: WFS測定値

ExAO: AO制御手順
Woofer AOシステムの流れ
リファレンス光源ON

DM制御点選定

WFS ROI取得
リファレンス位置取得
リファレンス光源OFF試験用光源ON

DM作用行列取得
制御ゲイン設定

AOループ開始[1kHz]WFS ROI [168x168pix](region of interest) DM制御点 (全88素子)

10/24

作用行列を取得し他の素子と比べて大きなエラーを持つ素子を排除はずだったが52点固定

1回のみ[後述]
使い回しが可能比例ゲインのみ[現状]ExAO: 大気乱流なしAOなし

11/24

AOがない場合: 非点収差あり

リファレンス-測定位置(pix)530-31000

4000
フレーム番号(1フレーム1m秒)

52測定点(x, y; 104個)のリファレンス位置とのズレ

9000
リファレンス位置(理想状態) ×測定位置(5倍拡大)
十ExAO: 大気乱流なしAOなし

11/24

AOがない場合: 非点収差あり– 目標値: 0.1pix(rms)
104個の座標データの統計
リファレンス-測定位置(pix)5最大のズレ+3.5pix
3
1σ 1.0pix
0-3

全スポットの平均位置 -0.2pix

1σ 1.0pix
最大のズレ-2.1pix
フレーム番号(1フレーム1m秒)
52測定点(x, y)のリファレンス位置とのズレ

リファレンス位置(理想状態) ×
測定位置(5倍拡大)
十ExAO: 大気乱流なしAOあり

12/24

AO制御: 中村君アルゴリズム(前回報告)– 左側が制御しきれていない
104個の座標データの統計
リファレンス-測定位置(pix)530

最大のズレ+0.8pix
1σ 0.2pix
全スポットの平均位置 0.01pix
最大のズレ-0.8pix-3
フレーム番号(1フレーム1m秒)
52測定点(x, y)のリファレンス位置とのズレ

リファレンス位置(理想状態) ×
測定位置(5倍拡大)
十13/24

ExAO: Woofer AO
目標性能(SR=0.3@1.2um)へ最適化試験– 光源精度：SR=0.3→0.8(@0.633um) [前回]
– WFS測定点数: 52素子
– DM制御点数: 52点[今回考慮]– 作用行列の精度– 制御パラメータ: 比例ゲイン(Kp)
試験光源

可変形鏡(DM)

波面センサ(WFS)

DM制御点(円内で52点)

WFS測定点(52点)ExAO: DM制御点

14/24

DMの制御点を増やす[5/25試験]
WFS画像と左右反転追加制御点
DM制御点(全点67個)

DM素子の振る舞い

1素子の制御が他素子に伝搬する選定基準
作用行列作成時に有効な反応を示した地点→「有効」に関してまだ曖昧15/24

ExAO: 大気乱流なしAOあり(DM多素子)
AO制御: 制御素子を52→67へ– 右側のエラーは大きいが1σ内に104個の座標データの統計リファレンス-測定位置(pix)530

全スポットの平均位置 0.0006pix

最大のズレ+0.16pix
1σ 0.07pix
最大のズレ-0.29pix-3
フレーム番号(1フレーム1m秒)
52測定点(x, y)のリファレンス位置とのズレ

リファレンス位置(理想状態) ×
測定位置(5倍拡大)
十16/24

ExAO: Woofer AO
目標性能(SR=0.3@1.2um)へ最適化試験– 光源精度：SR=0.3→0.8(@0.633um) [前回]
– WFS測定点数: 52素子
– DM制御点数: 52点[今回考慮]– 作用行列の精度– 制御パラメータ: 比例ゲイン(Kp)
試験光源

可変形鏡(DM)

波面センサ(WFS)

DM制御点(円内で52点)

WFS測定点(52点)ExAO: 作用行列多数回取得

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作用行列取得時 各DMに順次司令値をWFSDM 与えたときのWFS画像↓
DMに司令値 y を与える ↓DMの作用行列取得

1.
2. WFSの出力値 u を測定
3. 作用行列 M を得る

u=M y

AO制御時
DMWFS
↓
↓

 1度だと測定精度が悪い→M行列の精度が悪化 y=M†u→AO制御でのDM出力悪化→SR悪化
 作用行列取得を複数回行い平均化

M: 作用行列M†: 作用行列の疑似逆行列
y: DMの司令値
u: WFS測定値

18/24

ExAO: AOあり(作用行列多数回取得)
AO制御: 作用行列取得を1—100回 [4/27]– 精度が上昇。10回と100回で違いは見られなかった
作用行列取得1回

リファレンス位置(理想状態) ×測定位置(5倍拡大)十作用行列取得10回

リファレンス位置(理想状態) ×測定位置(5倍拡大)
十19/24

ExAO: AOあり(作用行列多数回取得)
AO制御: 作用行列取得を1—100回 [4/27]– 多数回取得することでスポット変動をP-V1pix内に104個の座標データの統計

4最大のズレ+2.6pix
1σ 0.9pix
全スポットの平均位置 -0.07pix
最大のズレ-5.4pix

リファレンス-測定位置(pix)

リファレンス-測定位置(pix)104個の座標データの統計
4

最大のズレ+0.7pix
1σ 0.2pix
最大のズレ-0.6pix
全スポットの平均位置 -0.03pix-8-8

フレーム番号(1フレーム1m秒)

52測定点(x, y)のリファレンス位置とのズレ

フレーム番号(1フレーム1m秒)

20/24

ExAO: Woofer AO
目標性能(SR=0.3@1.2um)へ最適化試験– 光源精度：SR=0.3→0.8(@0.633um) [前回]
– WFS測定点数: 52素子
– DM制御点数: 52点[今回考慮]– 作用行列の精度– 制御パラメータ: 比例ゲイン(Kp)
試験光源

可変形鏡(DM)

波面センサ(WFS)

DM制御点(円内で52点)

WFS測定点(52点)ExAO: AOあり(比例ゲイン調整)

21/24

AO制御: 比例制御のゲインKp

4Kp=0.1
全スポットの平均位置 -0.0006pix
1σ 0.07pix
最大のズレ+0.16pix
最大のズレ-0.16pix

リファレンス-測定位置(pix)

リファレンス-測定位置(pix)– Kpを大きくしすぎると発信してしまう
4 Kp=0.45-8-8

フレーム番号(1フレーム1m秒)

52測定点(x, y)のリファレンス位置とのズレ最大のズレ+2pix
1σ 0.5pix

全スポットの平均位置 -0.03pix
最大のズレ-2.5pix
フレーム番号(1フレーム1m秒)

ExAO: AOあり(比例ゲイン調整)

22/24

Kp=0.45の時200フレーム(〜0.2秒)で発信開始

23/24

ExAO: 実験まとめ
DMの平面出し制御
WFSの1pixは0.429umの波面残差相当– 0.67λ/pix @633nm, 0.35λ/pix @1.2um
制御期間中の平均値
DM
点数

M
行列

比例ゲイン

AOなし
52AOあり10.45

10670.1

平均

最小 最大σ(λ)

SR(換算)-0.188 0.99 -2.13 +3.50 0.66

-0.011 0.22 -0.82 +0.83 0.15

0.42-0.077 0.95 -5.41 +2.62 0.64

-0.025 0.20 -0.56 +0.66 0.13

0.49

0.003 0.48 -1.44 +1.33 0.32

-0.001 0.07 -0.29 +0.16 0.04

0.92

リファレンス光源のSRは0.8→Woofer WFSでは測定出来ない
高次の波面残差が0.03λ程度

σ

試験日が異なる
発振

パラメータサーベイは出来ていないので最適値は不明

まとめ24/24

Woofer AOの基本パラメータ試験中– 制御波面残差0.067pix (σ, 0.045λ→SR0.92相当)– DM制御点数、作用行列平均化、制御ゲインの依存性と最適値を求める– →実験だけでは制御できていない依存性などがあるので、シミュレーションを行う– →SRを完結に取得できるように大気乱流の補償を行えるよう