FPGAが実現する遠方宇宙の高空間分解能天体撮影 -大型地上望遠鏡の視力を補正する「補償光学」とは？-

2026年8月6日(木)に開催された「FPGAX #15 AIで変わるFPGA！1bit LLMから実機チップデモまで」での発表資料です。
https://fpgax.connpass.com/event/399854/
#天文学(Astronomy) #光学赤外線望遠鏡(Optical-Infrared Telescope) #補償光学(AO:Adaptive Optics) #すばる望遠鏡(Subaru Telescope) #ULTIMATE-Subaru #TMT(Thirty Meter Telescope)

1. 銀河系/天の川銀河 いて座A*/Sgr A*：天の川銀河の中心に位置する超大質量ブラックホール/SMBH Credit: Star Walk Credit: Google Earth Credit: European Southern Observatory (ESO) FPGAが実現する 遠方宇宙の高空間分解能天体撮影 -大型地上望遠鏡の視力を補正する「補償光学」とは？- Credit: Google Maps 東北大学 理学研究科 天文学専攻 秋山研究室 博士1年 高橋光明 / Mitsuaki Takahashi 秋山 正幸, 鏡 慎吾 (東北大) JCMT SMA すばる望遠鏡 Keck I Keck II IRTF マウナケア天文台群@ハワイ諸島 ハワイ島 マウナケア山頂 4205m (2025年8月22日)
2. 研究内容 研究分野：補償光学の装置開発 (光学赤外線望遠鏡の装置開発) 光子 画像 研究テーマ：FPGAを用いた補償光学用画像処理エンジンの開発 研究目的：補償光学における処理時間の短縮 (低遅延処理の実現) レーザーガイド星 波面センサー FPGA 高度無限遠(宇宙) 研究意義：1ms以内のリアルタイムに波面制御を実行することが 難しくなる次世代超大型望遠鏡TMTで補償光学の実現 高度90km トラペジウムの近赤外線写真 (星形成領域であるオリオン大星雲/M42にある散開星団, 地球から約1400光年) 高度≦20km 高度10km 鏡の直径:8.2 m 厚さ:20 cm 20W 波長589nm(黄橙色) すばる望遠鏡 補償光学有 (波面補正有) 視力が約10倍 A0188 + IRCS ファーストライト写真 (解像度0.063”, 2006年10月9日) 補償光学無 (波面補正無) すばる望遠鏡 ファーストライト写真 (CISCO, 解像度0.6”, 1999年1月4日) Credit：国立天文台 鏡の直径:10 cm 厚さ:1 mm 補償光学 負帰還制御 ↑ 撮像, 分光, 偏光 Credit：国立天文台
3. 組込みシステム：メカトロニクス -特定の用途に特化したコンピュータシステムADC DAC 10101001 センサー (入力) デジタルIC (計算) アクチュエータ (出力) 電磁アクチュエータ可変形鏡 (ALPAO, France) 補償光学：オプトメカトロニクス -光の波面を実時間制御する組込みシステム- 電圧出力 画像入力 マイクロレンズアレイ シャックハルトマン波面センサー (THORLABS, the U.S.) デジタルカメラ (撮像素子) CPU GPU FPGA 制御計算機/ロジック半導体 (Intel/NVIDIA/AMD, the U.S.@Silicon Valley)
4. 一般撮影：レンズ交換式デジタルカメラ (ミラーレスカメラ) 例) EOS (Canon, Japan) 交換レンズ (RF14F14LVCM) CMOSイメージセンサー ASIC (DIGIC：2002~) 光学系 イメージセンサー 画像処理エンジン 波面収差 (光路長誤差) 望遠鏡 Credit：Canon 射出瞳 (レンズレット) 焦点面 (イメージセンサー) 【従来】 【本研究】 GPU SWによる汎用処理 (NVIDIA, the U.S.) FPGA HWによる専用処理 (AMD, the U.S.) Credit：HECHT OPTICS 天文学：補償光学 (補助観測装置) 例) ULTIMATE (すばる望遠鏡, Japan) シャックハルトマン 波面センサー
5. 60 研究手法 (TMT＠近赤外線:2.0 μm) 5 鏡の直径:30 m 波面計測式 5 𝑿𝑮 = 𝒚 𝒙 ∙ 𝑰 𝒙, 𝒚 𝒙 𝒚 𝑰 𝒙, 𝒚 𝒙, 𝒚 : ピクセル座標 𝒀𝑮 = 60 𝑿𝑮 , 𝒀𝑮 ：画像の重心 (PSFの期待値) 𝒙 Credit：HECHT OPTICS 𝒚 𝒚 ∙ 𝑰 𝒙, 𝒚 𝒙 𝒙 𝒚 𝑰 𝒙, 𝒚 𝑰 𝒙, 𝒚 : ピクセル値 (ADU) TMT 波面収差なし 波面収差あり シャックハルトマン波面センサー (TMT@K-band) ブロック図 (C) Hamamatsu Photonics 波面センサー (デジタルカメラ) ※250MHzのクロック周波数で3クロックに1回読み出す Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU106 Evaluation Kit (AMD, the U.S., 2018)
6. 研究結果 (TMT@近赤外線:2.0 μmでの波面計測/重心計算の時間比較) プロセッサ (デジタルIC) クロック周波数 (動作周波数) コア バス 画像データ転送 (カメラ→プロセッサ) 波面計測 (重心計算) 合計時間 (定数＋変数) TESLA C2070 (1:GPU)* 1.15 GHz 488 PCIe2.0 212 + 74 μs 69 μs 212 + 143 μs GeForce GTX 780 Ti (2:GPU)* 875 MHz 2880 PCIe2.0 212 + 70 μs 25 μs 212 + 95 μs TESLA K40 (3:GPU)* 745 MHz 2880 PCIe3.0 212 + 45 μs 34 μs 212 + 79 μs 250 MHz (4ns) - - 211.765 μs (212 μs) 216.040 μs 216 + 0.04 μs ZU7EV (4:FPGA)/本研究 *References：光技術コンタクト 2021年11月号 天文補償光学の鍵を握る並列計算 (秋山正幸, 大野良人) 例) 理想条件 400 350 合計時間 (μs) 300 250 レイテンシ を40 nsまで 短縮できる 355 69 307 25 291 74 70 45 216.04 0.04 212 212 212 216 (≒212) 1:GPU 2:GPU 3:GPU 4:FPGA 34 200 FPGA Timing Summary on 250 MHz 150 100 50 0 Camera I/F PCIe Latency FPGA Utilization in this research
7. 今後の展望 -すばる望遠鏡の次世代補償光学への導入レーザーガイド星 (単一周波数半導体レーザー) 波面センサー (科学計測用CMOSカメラ) SodiumStar 20/2 (TOPTICA Photonics) ORCA-Flash4.0 V3 (Hamamatsu Photonics) 波長：589 nm (ナトリウムD線) 出力： > 20 W cw 線幅： < 5 MHz 波面収差： < λ/12 RMS 使用例：Subaru, Keck, VLT インターフェース：Camera Link (6.8 Gbps = 85 MHz × 80 bit) ビット深度：16 bit/pixel 量子効率：0.8 e− /photon (589 nm) 読み出しノイズ：1.6 e− (rms) 変換係数：2.14 ADU/e− (typ.) LTAO：レーザートモグラフィ補償光学 シャックハルトマン波面センサー レーザーガイド星のスポット像 マイクロレンズアレイ Credit：国立天文台 すばる望遠鏡＠赤外ナスミス焦点 (2025年8月20日)
8. ULTIMATE-Subaru すばる広視野補償光学プロジェクト 30m光学赤外線望遠鏡計画 TMT ご清聴ありがとうございました 「すばる望遠鏡」の常設展示@上野恩賜公園 国立科学博物館 地球館 B3F 宇宙を探る (2026年8月6日)