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)

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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 波⻑589nm(⻩橙⾊) 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 ↑ 撮像, 分光, 偏光 補償光学 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 (光路⻑誤差) 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 60 𝑿𝑮 , 𝒀𝑮 ︓画像の重⼼ (PSFの期待値) ∑𝒙 ∑𝒚 𝒙 & 𝑰 𝒙, 𝒚 𝑿𝑮 = ∑𝒙 ∑𝒚 𝑰 𝒙, 𝒚 ∑𝒙 ∑𝒚 𝒚 & 𝑰 𝒙, 𝒚 𝒀𝑮 = ∑𝒙 ∑𝒚 𝑰 𝒙, 𝒚 𝒙, 𝒚 : ピクセル座標 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 FPGA (ZU7EV on ZCU106) ISP Pixel Reciprocal MAC_X 85MHz Centroid SLOPE_X 250MHz FIFO ACC LUT MAC_Y SLOPE_Y 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) 300 250 307 25 291 74 70 45 216.04 0.04 212 212 212 216 (≒212) 1:GPU 2:GPU 3:GPU 4:FPGA 69 34 200 150 100 レイテンシ を40 nsまで 短縮できる 355 FPGA Timing Summary on 250 MHz 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) 波⻑︓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)