極限補償光学に対応した免震型分割鏡制御システムの開発

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03613
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 木野 勝 京都大学, 理学研究科, 助教 (40377932)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 軸屋 一郎 金沢大学, フロンティア工学系, 准教授 (90345918)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 望遠鏡 / 分割鏡 / フィードバック制御

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続き、既存の制御システムで得られた制御データの解析を進め、それを本研究で開発しする分割鏡制御システムの設計に適用する作業を行っている。既存の制御システムではフィードバック制御時に参照している電気的な変位センサでは補正しきれず、星を使った光学測定でしか検出できない制御残差があった。開発している新システムにその対策を設計に盛り込むか検討をしていたが、電気的な変位センサの取り付け位置誤差によるものと判明したため、設計の変更は不要と結論づけた。一方で以前より問題となっている、冬場の低温時に鏡面が変形する問題については原因の究明に至っておらず、新しい支持構造の制作に踏み切れていない。
また既存の制御システムにおいて、これまで光学的な評価はシャックハルトマンカメラを用いたTip/Tilt成分の測定のみであったが、光学干渉方式の位相カメラの整備が徐々に進み、分割鏡間の段差を測定できるようになった。このセンサは測定感度が高い反面、測定中の振動にも敏感であるため、開発している新制御システムの必要性が強く再認識された、なお、これを用いて分割鏡のPiston方向の制御残差について観測運用中のデータを収集し評価を進めている。
調達を予定しているボイスコイルモータを念頭に、ドライバ回路の設計を進めた。また制御ソフトウェアの開発に先立ち、計算機内でのシミュレーションを始めている。
加えて、本分割鏡制御システムと組み合わせる予定の補償光学装置については、開発環境が京都から岡山天文台に移ったため、より一層緊密な情報共有と協力体制が整った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

現在、観測運用を行っている既存の制御システムを用いた制御残差データの収集と解析を進め、新システムの機械設計への反映を行った。評価を行ったのは以下の3点である。
1.既存の制御システムにおいて望遠鏡の高度角を大きく変えた時のTip/Tiltの制御残差が数秒角ほど存在して問題となっていたため、これが新しい制御システムにも影響するのかを調査した。結果として、フィードバック制御時に参照している電気的な変位センサと測定対象の位置関係がずれていたのが原因と判明したため、新しい制御システムへの設計変更は不要との結論を得た。2.以前より問題となっている、冬場の低温時に鏡面が変形する問題については原因の究明に至っていない。3.既存の制御システムで別途開発が進められていた、光学式の位相カメラを利用してPiston方向の制御残差を取得できる環境が整ってきたため、そのデータ蓄積と解析を進めているが、まだ不十分な状況である。
電子回路やソフトウェアについては、18枚の分割鏡で構成される既存の制御システムの一部分のみを新システムに交換して実験できるよう、既存システムと同じEthernetを通信バスとしたてボイスコイルモータ用ドライバ類の設計を進めた。また新旧の制御システムを混載した場合の制御の挙動を事前評価するためシミュレーション環境を構築した。この環境はそのまま新システムの制御プログラムを動かす環境としても利用する予定である。

Strategy for Future Research Activity

既に延長年度であることから、既存システムでのデータ収集と解析については早急に終え、2023年度に購入できなかったボイスコイルモータ・ドライバ等の主要部品、および付随する機械加工品の調達へと進む。受動型オフローダーを利用したシステム3軸分を組み上げ、分割鏡1枚分の試験システムを完成させる。続いてドライバ等の電子回路類の組み立てと制御PCでのソフトウェアとうの統合作業を進め、年度前半を目処に単軸ごとの動作試験を行える状態にする予定である。3軸を統合した分割鏡1枚分のシステムが完成した後は、テストベッド上での制御性能の評価を中心に行うよう計画を改める。当初予定していた、能動型オフローダーを用いたシステムの開発・評価や、せいめい望遠鏡実機に新しい分割鏡制御システムを搭載しての動作試験は、本研究期間が完了した後であっても進めていきたいと考えている。本研究で得られた成果についての論文・学会発表等についても同様である。せいめい望遠鏡と補償光学装置を組み合わせての観測において十分な性能を得るには、本システムの開発が必須であることから、当初の研究計画に掲げた内容は本研究期間の後も続ける予定である。

Causes of Carryover

当初は2023年度で完了する計画であったが、世界的な部品不足で特に電子部品類の納期が長くなり主要部品であるボイスコイルモータの選定と調達が大幅に遅れたことが最終年度まで影響した。また、その時期に既存のシステムを用いた観測運用から得られる制御残差などのデータ収集が進み新たな知見が得られたため、それによる修正要素を設計に盛り込んだことも計画が遅れた要因となった。ただし後者については拙速な部品調達で後から不具合が出ることを防げたという意味では利点でもあった。まだ既存システムでの評価と設計への反映が完了していない部分はあるが、早急に目処を付けて年度の前半に部品調達を完了させる予定である。幸い世界的な部品不足はかなり解消しており、使用を予定している物品の調達への影響は小さいと思われる。