2018 Fiscal Year Annual Research Report
Characterization of Jovian Exo-Planets by Direct imaging with a Segmented Mirror Telescope
| Project/Area Number |
18H03719
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
長田 哲也 京都大学, 理学研究科, 教授 (80208016)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
入部 正継 大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (60469228)
山本 広大 京都大学, 理学研究科, 研究員 (70738319)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 赤外線天文学 / 太陽系外惑星探査 / 直接撮像観測 / 装置開発 / 極限補償光学 / FPGAによる多入出力で高速な制御 / 光学的波面形状の直接計測 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、せいめい望遠鏡へ搭載する太陽系外惑星撮像用の高コントラスト装置を開発し、それを用いた観測をすること、およびこれを実現するためのあらたな技術を開発することである。本年度ではこのうち装置開発と技術開発を行った。装置開発として1)望遠鏡搭載用の実機光学系の設計と2)温調チャンバーの開発を行い、技術開発として3)FPGA制御装置と4)点回折干渉計型波面センサの開発を行った。
1)本研究で開発する観測装置が要求仕様を満たして製作可能かを検証するために、比較的複雑な構造で高い加工精度を要求する波面センサの設計製作を行った。2)本観測装置では、波面センサとコロナグラフ装置の間の非共通光路で生じる測定エラーがコントラスト性能を低下する。我々はこれを解決するために、観測中に非共通光路の温度を安定させる温調チャンバーを開発している。3)本観測装置では、コントラスト性能を満たすために、492x2chの波面情報から492素子のアクチュエータの司令値を制御アルゴリズムに従って、5--10kHzのループ速度で計算しなければならない。従来のCPUでは約300μ秒かかり、ループ速度の上限が3kHzとなっていた。FPGA装置を用いる事で、CPUよりも高速で、また専用回路と比べ様々な制御アルゴリズムに対応する制御系を構成可能になる。4)従来よりも高速、高精度な波面計測が必要となる。これを実現するために直接波面形状の計測が可能な点回折干渉計型波面センサを天文用途に新たに開発した。
1)から3)においては当初計画通りの開発が進められた。4)に関しては本研究用に開発・製作した光学素子が想定の性能を満たさないことが明らかとなったため、新しい方式の考案と原理実証を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では装置開発として1)望遠鏡搭載用の実機光学系の設計と2)温調チャンバーの開発を行い、技術開発として3)FPGA制御装置と4)点回折干渉計型波面センサの開発を行った。
1)光学系設計では、まず装置全体の中でも比較的複雑で高精度な加工が要求される低次波面センサの設計・製作・組み立てを行い、今後も装置の要求仕様を満たす開発が行えることを確認した。
2)温調チャンバーでは、1年間を通して装置光学系全体を15℃に温調するために、水冷定盤を導入した。温度変化によって光学系が変形するため、惑星撮像性能が悪化する。一方通常高精度な温調を行うためには、複雑で大規模な断熱構造が必要であり、コストと開発時間が大きくなる。今回採用した定盤は外気を断熱する構造を組み込む前の段階で、外気温度変化を1/4に低減できたため、小規模な断熱系で十分仕様を満たすことが可能と思われる。
3)現在までに、FPGAの試作設計を完了させ、波面センサからの入力を可変形鏡へ出力する試験制御系の構成が行えた。この系の制御試験によってCPUに比べて30倍の計算速度で制御が行えることを確認した。よって制御計算ではもはやループは律速されず、より複雑で高精度な制御のための計算が行えるようになる。
4)波面センサでは、性能評価試験によってこの計測手法のキーとなる点回折素子の光学特性が、想定した性能を満たさないことが分かった。このため当初の開発計画を変更し、さらに新たな方式の光学素子の考案と原理実証を行っている。そのため、この項目においては当初計画よりも遅れが生じている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後3年をかけて引き続き装置開発と技術開発を行い、その後の望遠鏡搭載、そして観測を目指して研究を推進していく。具体的には最初の二年間で光学系構造の完成、極限補償光学系としての制御試験を行い、三年目に装置全体の系外惑星撮像性能の評価を行っていく。光学系や制御装置、惑星撮像のための装置などに関しては順調に開発が進んでいるため上記スケジュールは実現可能と思われる。一方、十分な性能を持った波面センサが搭載可能であるかに関しては、キーとなる光学素子を現在開発中であるため、未知数である。
昨年度まで開発していた方式とは異なる、新たな点回折素子の考案と、原理実証を行っている。新方式は現在のものと比べ偏光特性が複雑ではないため、原理的には十分な性能を持った波面センサを構成できると考えられる。しかし実現には十ミクロンオーダーの高精度な加工が必要となるため、今後2年間での観測装置搭載は困難であり3年程度かかると考えられる。そこで当面は、低速・低精度ではあるが、従来より他装置へも組み込まれており信頼性の高いシャックハルトマン型波面センサを組み込んで補償光学装置の開発をすすめ、望遠鏡搭載まで行う。新方式の点回折素子の製作・性能評価が完了次第、観測装置へ組み込み、観測へ進む計画である。また新方式センサが間に合わない場合では、当初想定していた性能が満たされないため、惑星撮像は困難であるが、長時間露光や低速用の高コントラスト装置を組み込むことで低温度な伴星や原始惑星系円盤など星周構造の観測が可能であると思われる。
|
