(57)【要約】  【課題】観測対象面の不特定位置に不定期に発生する観測光の位置情報を、使用する光位置検出器の受光領域の数によらず必要な精度で取得することができる。  【解決手段】観測空間から到来した観測光を観測光の到来方向に応じて異なる位置で受光する受光面を備えた光検出器を複数配置し、観測光を各受光面へと導く光路中で分岐することによって複数の観測光に分け、これらの観測光を複数の受光面において互いに異なる位置の部分領域で受光させる。【選択図】図５
2005249660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測対象空間の不特定位置から不定期に到来する観測光の位置情報を検出する光の位置情報検出装置であって、
前記観測空間から到来した前記観測光を、前記観測光の到来方向に応じて異なる位置で受光する受光面を備え、この受光面で前記観測光を受光することによって受光信号を出力する複数の光検出器と、
前記観測光を前記受光面へと導く光路中で分岐することによって複数の観測光に分け、これらの複数の観測光を前記受光面それぞれへ導く観測光分岐手段と、
前記複数の光検出器それぞれの受光面上に配置され、前記複数の受光面において互いに異なる位置の部分領域に受光を制限する複数の受光部分制限手段と、
前記受光信号を出力する前記光検出器の前記受光面に対応した前記部分領域の位置に基づいて、前記観測光の位置情報を検出する光位置情報検出手段と、を有して構成されることを特徴とする光の位置情報検出装置。
【請求項２】
前記観測光分岐手段は、前記観測光を反射および透過する少なくとも１つのハーフミラーを有して構成される請求項１に記載の光の位置情報検出装置。
【請求項３】
前記受光部分制限手段は、前記観測光を透過する透明基板に遮光パターンが設けられた光マスクである請求項１または２に記載の光の位置情報検出装置。
【請求項４】
前記複数の受光部分選択手段における前記部分領域はいずれも、前記受光面を所定の方向に均等分割した分割領域である請求項１〜３のいずれか１項に記載の光の位置情報検出装置。
【請求項５】
前記複数の受光部分制限手段は、前記受光面を一方向に均等分割した分割領域を前記部分領域とする第１の群と、前記受光面を前記一方向と直交する方向に均等分割した分割領域を前記部分領域とする第２の群とを有し、
前記受光信号を出力する前記光検出器の前記受光面に対応した前記第１の群における前記部分領域の位置と、前記第２の群における前記分割領域の位置とに基づいて、前記観測光の２次元位置情報を検出する請求項４に記載の光の位置情報検出装置。
【請求項６】
前記複数の光検出器のそれぞれは、前記観測光を受光する受光領域を備える光検出デバイスを複数個アレイ状に配列して構成され、
前記光検出デバイスの受光領域が互いに隣接して前記受光面を形成する請求項１〜５のいずれか１項に記載の光の位置情報検出装置。
【請求項７】
前記受光領域制限手段における前記部分領域は、前記光検出デバイスにおける前記受光領域に比べて小さい請求項６に記載の光の位置情報検出装置。
【請求項８】
前記光位置情報検出手段によって検出された前記観測光の位置情報を定めた位置情報検出信号とともに、前記観測光の前記受光面への入射のタイミングに応じて生成された受光タイミング信号とを出力する請求項１〜７のいずれか１項に記載の光の位置情報検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観測対象空間の不特定位置から不定期に到来する光の位置情報を検出する光の位置情報検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界各地で様々な原理の宇宙線検出装置が稼動しており、現在を上回る規模の宇宙線検出装置の建設も計画されている。
宇宙線は宇宙空間を光速に近い速さで移動する非常にエネルギー密度の高い粒子である。宇宙線の粒子は主として陽子であり、さらには質量の大きい原子核のこともある。宇宙線の粒子のうち、特にエネルギーの高い粒子は、活動銀河核、ガンマ線バーストなどから生じると推測されている。
エネルギーの高い宇宙線が大気に入射すると、大気原子と衝突してたくさんの2次粒子を作り出し、それがまた別の原子などに衝突して３次、４次と繰り返しシャワー状に粒子を発生する。この現象は空気シャワーといわれ、最大発達点では直径数キロにも拡がる大規模なものとなって地上に到達する。また、この空気シャワーによって、微弱な大気蛍光やチェレンコフ光が発生することが知られている。
宇宙線検出装置は、このような空気シャワーを観測することを目的としており、現在では主に、地面に置いた複数の粒子検出器(プラスチックシンチレータ検出器)で地表に到達した空気シャワーの粒子数を測定し、測定粒子の総数や各粒子検出器への到達時刻の差から、宇宙線のエネルギーや宇宙線の到来方向を測定している。
【０００３】
しかし、このような地上に配置された粒子検出器のみでは、方向分解能（大気への宇宙線入射方向の測定精度）が低いという問題点がある。そのために、現在、宇宙線の到来方向やエネルギーをさらに精度良く測定することを目的とし、望遠鏡（反射望遠鏡）を用いて空気シャワー粒子によって発生する微弱な大気蛍光やチェレンコフ光を直接撮影する宇宙線望遠鏡装置の設置計画が進められている。
このような宇宙望遠鏡装置は、空気シャワーによって発生した大気蛍光や大気チェレンコフ光を反射鏡で集光して、高感度カメラで撮影する構成となっている。この高感度カメラには、光電子増倍管（ＰＭＴ；Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ）アレイやフォトダイオード（ＰＤ；ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイなどの、複数の受光領域（各ＰＭＴの光入射面や、各ＰＤの光入射面）がアレイ状に配列された１つの大きな受光面によって光の２次元像を撮影するカメラを用いている。このような宇宙望遠鏡装置を地上に複数配置して、空気シャワーによる大気蛍光を種々の方向から観測することで空気シャワーを立体的に再現でき、粒子の方向や空気シャワーの生成の様子など、宇宙線の特定に結びつく情報を得ることができる。
【０００４】
宇宙線の大気への到来、およびそれによって生じる空気シャワーは、大気中のどこでいつ発生するか予測不可能な現象であり、観測者が観測のタイミングを事前に知ることはできず、また、空気シャワーで生じる大気蛍光およびチェレンコフ光は微弱な光であるため、大気蛍光やチェレンコフ光とともに入射するバックグラウンド光によって検出の精度（Ｓ／Ｎ比）が低下しやすい。そのため、このような宇宙望遠鏡装置における撮影では、バックグラウンド光によるノイズを低減するために、空気シャワーによる大気蛍光やチェレンコフ光の発生に応じて高感度カメラのシャッターを制御（露光開始時刻や露光時間の制御）を行うシャッター機能が必要である。
特に、大気中で進展していく空気シャワーにともなって発生する大気蛍光を撮影する場合、上述のバックグラウンド光の影響を充分に除去することが必要となる。そのため、空気シャワーの発達にともなって生じる大気蛍光に応じて、高感度カメラの受光面の所定の領域のシャッターを選択的に制御することが可能な２次元シャッター機能が必要である。また、この２次元のシャッター機能を制御するためには、空気シャワーの発達にともなって、受光面の所定の領域におけるシャッター制御のタイミングを指示するタイミング信号を出力する、２次元のタイミング信号出力装置が必要である。また、空気シャワーの発達の過程を詳細に知るためには、空気シャワーによる大気蛍光の発生を短い時間周期で断続的に撮影することが望まれており、このタイミング信号は短い時間周期の信号であることが望まれている。
【０００５】
下記非特許文献１には、従来から提案されている上述の宇宙線望遠鏡の一例である宇宙線望遠鏡の構成の概略図と上述の２次元のタイミング信号出力装置であるトリガ装置の構成の概略が記載されている。図１６は非特許文献１に示される宇宙線望遠鏡の一例の概略を示す図であり、図１７は図１６に示す宇宙線望遠鏡に用いられるトリガ装置の概略を示す図である。
【非特許文献１】新井康夫、他“２次元制御ＣＭＯＳイメージセンサーの開発”、［ｏｎｌｉｎｅ］、[平成１５年２月２５日検索]、インターネット〈  ＵＲＬ  ：http://research.kek.jp/people/araiy/Ashra/0309JPS_arai.pdf〉
【０００６】
図１６に示すように、非特許文献１に示す宇宙線望遠鏡１５０では、天空の所定の観測領域から到来する光（観測光）を所定の位置まで導くレンズ系１５２と、レンズ系１５２に導かれた観測光を分岐する光スプリッタ１５４と、分岐された一方の観測光の位置情報を検出し、この位置情報に応じたトリガ信号（タイミング信号）を出力するトリガセンサ１５６と、トリガセンサ１５６からのトリガ信号に応じて分岐された他方の観測光を撮影する撮影装置１５８を有して構成されている。
撮影装置１５８はＣＭＯＳイメージセンサーであって、観測光を受光する撮影像受光面全体を所定の数の部分撮影像受光面に分けた際の所定の部分撮影像受光面毎に、受光する観測光によって作られる観測像を撮影することが可能となっている。
【０００７】
トリガセンサ１５６は、受光面（後述の、電子パルス出力チップ１７０の受光面）が受光した光に応じた電気信号を発生する電気パルス出力装置１６０が、真空容器１６２の中に配置された構成となっている。真空容器１６２には、分岐された観測光を通過させて電気パルス出力装置１６０に導くための入射窓１６４が設けられている。電気パルス出力装置１６０は、入射窓１６４を通過した分岐光を電子に変換する光電面１６６、変換された電子を増幅して出射するＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ  ｃｈａｎｎｎｅｌ  ｐｌａｔｅ）１６８、ＭＣＰ１６８によって増幅されて放出された電子を受けて、受けた電子に応じた電子パルスを出力するパルス出力チップ１７０を有して構成されている。この電子パルス出力チップ１７０の受光面は、受光領域に対応する電子収集電極１７２がアレイ状に配置されており、各電子収集電極に電子が到達することで、各電子収集電極毎に電流（電子パルス）が生成される構成となっている。この電流を検出することで、パルス出力チップ１７０の受光面のどの位置（どの電子収集電極１７２）に電子が到達したかを検出することができる。非特許文献１ではこのようなトリガセンサ１５６を用いて、トリガセンサ１５６に入射した分岐光の２次元位置を検出している。トリガセンサ１５６では、このようにして分岐された一方の観測光の２次元位置を検出して、撮影装置１５８の部分撮影像受光面毎に、受光する観測光によって作られる観測像を撮影するためのタイミング信号を撮影装置１５８に出力している。
ここで、トリガセンサ１５６は、撮影装置１５８の部分撮影像受光面それぞれに応じた個別のタイミング信号を出力する必要があり、トリガセンサ１５６の受光領域の数は、撮影装置１５８の部分撮影像受光面と同数か、それ以上の数となっている（非特許文献１では、同数の１２８×１２８）。
非特許文献１に記載の宇宙線望遠鏡１５０では、このように、撮影装置１５８の部分撮影像受光面と同数かそれ以上の数の受光領域（電子収集電極１７２）で受光面が形成されたトリガ装置１５６が提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、より広い観測領域における大気蛍光の位置をより詳細に知るためには、撮影装置１５８の部分撮影像受光面の数をなるべく多くし、空気シャワーの生成に伴う大気蛍光およびチェレンコフ光の発生の様子を、なるべく多くの部分撮影像受光面毎に分割して撮影する必要がある。非特許文献１のように、トリガセンサ１５６として、撮影装置の部分撮影像受光面の数と同数かそれ以上の数の受光領域（電子収集電極）で受光面が形成された電子パルス出力チップ（光位置検出装置）を用いた場合、トリガセンサ１５０の受光領域の数も多くしなければならない。
【０００９】
より高精度に大気蛍光を撮影するために、撮影装置の部分撮影像受光面の数を増加させた場合、トリガセンサ個々の受光領域を高精度に微細化する必要がある。例えば、受光領域としてＰＤアレイにおける各ＰＤ素子の受光電極を用いた場合、高精度に微細化されたＰＤが多数配置されたＰＤアレイが必要となる。このようなＰＤアレイは作製が困難で価格も高価となる。
また、このように微細なＰＤ（微細な受光電極）をもつＰＤアレイを用いた場合、ＰＤアレイ個々の受光電極と観測光との位置の調整が困難であり、それぞれの観測光および撮影装置の部分撮影像受光面とが相互に対応するようにトリガセンサの受光面の位置を調整することが困難となる。
ＰＤアレイにおける個々のＰＤの受光電極を微細化せずにトリガセンサの受光領域の数を増加させるためには、光学系を変更することで観測光を拡大し、必要な受光領域の数だけＰＤを並べ、従来より大きな受光面を形成する手段も考えられる。しかし、この場合、個々の受光領域の大きさに対して、個々の受光領域が受光する観測光の強度の割り合いは低下し、個々のＰＤの検出感度が低下するとういう問題がある。
【００１０】
また、上記従来文献１のように、撮影装置の部分受光面の数と同数かそれ以上の受光領域で受光面が形成された一枚の電子パルス出力チップ（光位置検出装置）によって分岐光の位置を検出する構成では、観測精度の高精度化などを目的として、光学系や撮影装置を変更することで撮影装置の部分撮影受光面の数や大きさ、撮影装置に入射する観測光の大きさを変更した場合など、撮影装置の変更に応じた受光領域の数や大きさの電子パルス出力チップ（ＰＤアレイ素子など）を新たに作製する必要があり、多大な手間を要する。
また、例えばＰＭＴなどの受光光電面を部分受光領域に用いた場合でも、上記ＰＤアレイと同様の問題が生じる。
本件発明は、以上のような問題点を解決するために、光検出器の受光領域の数や大きさなど、使用する光検出器の受光面の構成によらず、観測対象領域の不特定位置に不定期に発生する観測光の位置情報を、必要な精度で取得することができる光位置情報検出装置を提供することを目的になされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決するために、本発明は、観測対象空間の不特定位置から不定期に到来する観測光の位置情報を検出する観測光の位置情報検出装置であって、前記観測空間から到来した前記観測光を、前記観測光の到来方向に応じて異なる位置で受光する受光面を備え、この受光面で前記観測光を受光することによって受光信号を出力する複数の光検出器と、前記観測光を前記受光面へと導く光路中で分岐することによって複数の観測光に分け、これらの複数の観測光を前記受光面それぞれへ導く観測光分岐手段と、前記複数の光検出器それぞれの受光面上に配置され、前記複数の受光面において互いに異なる位置の部分領域に受光を制限する複数の受光領域制限手段と、前記受光信号を出力する前記光検出器の前記受光面に対応した前記部分領域の位置に基づいて、前記観測光の位置情報を検出する光位置情報検出手段と、を有して構成されることを特徴とする観測光の位置情報検出装置を提供する。
【００１２】
前記観測光分岐手段は、前記観測光を反射および透過する少なくとも１つのハーフミラーを有して構成されていることが好ましい。また、前記受光領域制限手段としては、前記観測光を透過する透明基板に遮光パターンが設けられた光マスクを用いればよい。
【００１３】
また、前記複数の受光領域選択手段における前記部分領域はいずれも、前記受光面を所定の方向に均等分割した分割領域であることが好ましい。この際、前記複数の受光領域制限手段は、前記受光面を一方向に均等分割した分割領域を前記部分領域とする第１の群と、前記受光面を前記一方向と直交する方向に均等分割した分割領域を前記部分領域とする第２の群とを有し、前記受光信号を出力する前記光検出器の前記受光面に対応した前記第１の群における前記部分領域の位置と、前記第２の群における前記分割領域の位置とに基づいて、前記観測光の２次元位置情報を検出することが好ましい。
【００１４】
前記複数の光検出器のそれぞれは、前記観測光を受光する受光領域を備える光検出デバイスを複数個アレイ状に配列して構成されており、前記光検出デバイスの受光領域が互いに隣接して前記受光面を形成することが好ましい。この際、前記受光領域制限手段における前記部分領域は、前記光検出デバイスにおける前記受光領域に比べて小さいことが好ましい。また、前記光位置情報検出手段によって検出された前記観測光の位置情報を定めた位置情報検出信号とともに、前記観測光の前記受光面への入射のタイミングに応じて生成された受光タイミング信号とを出力することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光位置情報検出装置では、観測像分岐手段によって、観測光によって作られる観測像を複数の光検出器それぞれの受光面へと導き、観測像領域選択手段によって、それぞれの受光面に、観測像のそれぞれ所定の領域の観測光のみを選択的に受光させることで、複数の光検出器各々で観測像の所定の領域毎の観測光の強度を検出し、これら所定の領域の配置に応じた分解能で前記観測光の位置を検出することができる。これにより、観測対象面の不特定位置に不定期に発生する観測光の位置情報を、使用する光位置検出器の受光面に配置された部分受光領域の数によらず必要な精度で取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の、光の位置情報検出装置について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡１の利用形態の１つである、宇宙線に起因する空気シャワーよって発生する大気蛍光の観測の概略を説明する図である。
宇宙線望遠鏡１は、所定の観測領域全体から到来する光（大気圏へ突入した宇宙線に起因する空気シャワーによって生ずる大気蛍光やバックグラウンド光）を集光する反射鏡２と、反射鏡２によって集光された光の像を撮影する撮影装置３とを有して構成されている。
空気シャワーは上述のように、エネルギー密度の高い宇宙線が大気に入射して大気原子と衝突してたくさんの２次粒子を作り出し、それがまた別の原子などに衝突して３次、４次と繰り返しシャワー状に粒子を発生するものである。この空気シャワーによる大気蛍光も空気シャワーの進行に従って大気中の分子から順次発生する。上述したように、宇宙線による空気シャワー（図１中のＡで模式的に示す）は、大気圏のどの位置に、どのタイミングで発生するか予測することができない。しかも、このような空気シャワーは瞬時に発生し消滅する。大気蛍光を撮影することは空気シャワーの発達の過程を把握することにつながり、宇宙線の同定のための重要な情報となる。このような大気圏の不特定位置に発生する大気蛍光の撮影を可能とするために、宇宙望遠鏡１では、反射鏡２によって、大気全体のうち所定の観測領域から到来する光を集光している。
【００１８】
宇宙線望遠鏡１の観測領域内のある位置（観測者が予期せざる位置）に、図１に示すように、宇宙線による空気シャワーが発生して大気蛍光が生じると、生じた大気蛍光は発生位置から反射望遠鏡２に到来する。反射望遠鏡２に到来する光の入射方向を知ることで、観測領域全体を２次元平面（天球面）として捉えた際の、観測領域内の大気蛍光の発生位置（２次元位置）を知ることができる。上述のように、このような宇宙線望遠鏡を複数用いることで、観測領域内の大気蛍光の発生位置の３次元位置を検出し、空気シャワーを立体的に再現することも可能である。
【００１９】
観測光にはバックグラウンド光なども含まれており、これら観測領域からの光は反射鏡２の反射面で反射され、観測光として後述する撮影装置３のレンズ２２に入射される。宇宙線望遠鏡１はこのようにして、反射鏡２によって規定される大気全体のうち所定の観測領域から到来する光を観測光として集光し、撮影装置３によってこの観測光によって作られる観測像を撮影する。この観測像は、上記反射鏡２によって規定される所定の観測領域に対応しており、観測像全体の大きさは上記所定の観測領域全体に対応している。
【００２０】
撮影装置３は、上述のように、夜間のバックグラウンド光による検出の精度（Ｓ／Ｎ比）の低下を防ぐため、また、時間に応じて進行する空気シャワーの発達の様子をより詳細に知るため、空気シャワーによる大気蛍光の発生のタイミングに応じて、大気蛍光の発生の位置（すなわち、観測領域からの到来方向）に応じ、観測像全体のうちの所定の領域を選択的に撮影可能とする機能を有している。
【００２１】
以下、撮影装置３の各部の構成と機能について詳述する。
図２は、図１に示す反射鏡２によって集光された観測光によって作られる観測像が撮影装置３で撮影される際の観測光の光路、および撮影装置３の構成を示す概略図である。撮影装置３は、反射鏡２によって反射されて集光される観測領域全体から到来する観測光の焦点面におかれて、反射された観測光を平行光とするレンズ２２と、レンズ２２によって平行光とされた観測光の光を増幅する光増幅部２４と、光増幅部２４で増幅された光を導くための導波管２６と、増幅された観測光を分岐するスプリッタミラー２８と、スプリッタミラー２８によって分岐された一方の観測光を所定の強度に減衰させるフィルタ３０と、フィルタ３０によって減衰された観測光の位置情報を検出して、この観測光の位置情報に応じたタイミング信号を出力する、本発明の光位置情報検出装置であるトリガセンサ３２と、トリガセンサ３２から出力された、観測光の位置情報に応じたタイミング信号に応じて、観測領域全体から到来する観測光のうち、所定の領域（大気蛍光が発生した領域）から到来する観測光の像（観測像）を選択的に撮影するイメージセンサ３８とを有して構成されている。また、トリガセンサ３２は、光位置検出部３４と、タイミング信号生成・出力部３６とを有して構成されている。
【００２２】
レンズ２２は、反射鏡２の反射面で反射された光が集光する焦点面に配置されて、集光された観測光を平行光として光増幅部２４の光電面に導く部位である。図３に、レンズ２２および光増幅部２４における観測光の光路の概略、および光増幅部２４の構成の概略について示す。図３に示すように、反射鏡２で反射されて集光された観測光は、レンズ２２で平行光とされて、所定の大きさの２次元の観測像として後述の光増幅部２４の光電面２１に入射される。この観測像全体の大きさは観測領域全体の大きさに対応しており、この２次元観測像における観測光の位置は、観測領域から到来する観測光の到来方向に対応しており、観測領域全体を２次元平面（天球面）として捉えた際の観測領域内の大気蛍光の発生位置（２次元位置）に対応している。すなわち、観測像内での観測光の位置（例えば、図３で示すＸ−Ｙ座標系における座標）を知ることで、観測領域における観測光の到来方向（観測光の２次元位置に対応）を特定することができる。
本実施形態では、説明の簡略化のためにレンズ２２によって平行光とされた観測光は図３に示すような四角形の観測像を形成するものとする。
ここでレンズ２２は球面レンズなど周知のレンズを用いればよく、また、複数のレンズを用いてもよく、観測光を平行光とするための光学系は特に限定されない。
【００２３】
図３に示すように、光増幅部２４は、光電面２１と、ＭＣＰ２３と、蛍光面２５とを有して構成されている。
光電面２１は表面に入射する光子を電子に変換してＭＣＰ２３に向けて放出する部位であり、放出される光電子数は表面に入射した観測光の光量に比例する。この光電面には、例えば、ＧａＡｓやＧａＡｓＰなどの半導体結晶を用いた公知のものを用いればよい。光電面２１と蛍光面２５との間には電圧が印加されており、光電面２１で生成された電子は、この電圧によって図３中の矢印Ｃの方向へ進行していく構成となっている。
【００２４】
ＭＣＰ２３は、一方の表面に入射した電子を増幅して蛍光面２５に放出する部位であり、内径数μｍの細いガラス管が多数束ねられた構造となっている。このガラス管の内壁には、電圧によって加速された電子の衝突によって複数の２次電子を放出する２次電子放出面が形成されている。ＭＣＰ２３では、一方の側（図３において左側）からこのガラス管の中に入射した電子の衝突によって複数の２次電子が放出され、この２次電子のガラス管への衝突によってさらに複数の電子が放出される。ＭＣＰ２３では、このように電子の衝突・放出を繰り返すことで雪崩式に電子数が増幅されて蛍光面２５に向けて放出される。放出された電子は蛍光面２５に衝突し、蛍光面２５では衝突された電子が光子に変換されて導波管２６へと放出される。このようにして光増幅部２４では、光電面２１に入射した観測光が、例えば約１００００倍の光強度に増幅されて出力される。このような光増幅装置としては、例えば、浜松ホトニクス株式会社製のイメージインテンシファイアユニットなど公知のものを用いればよい。
【００２５】
導波管２６は、光増幅装置２４によって増幅されて放出された観測光をスプリッタミラー２８へと導く部分であり、例えば真空管や空気管などで構成されている。また、導波管２６は内部に複数のレンズなどが配置されていてもよく、構成は特に限定されない。
スプリッタミラー２８はハーフミラーであり、導波管２６を通過した観測光を２つの経路に分岐する部分である。スプリッタミラー２８は、観測光（観測像）をイメージセンサ３８に向かう経路とトリガセンサ３２に向かう経路の２方向に分岐する。
【００２６】
イメージセンサ３８はＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳカメラ）であり、複数のＰＤ素子の受光電極がアレイ状に複数配置されて撮影像受光面を構成している。イメージセンサ３８は、これら複数のＰＤ素子それぞれが、受光電極で受光する観測光に応じた電荷を蓄積することで、撮影像受光面が受光した観測像の２次元画像を撮影する装置である。各ＰＤ素子の各々は、観測像の撮影画像（観測像が撮影されて得られる画像）の１つの画素に対応しており、各ＰＤ素子において、受光電極が受光した観測光が光電変換されて電荷として各ＰＤ素子に対応するソース電荷に蓄積され、これらの電荷が読み出されることで、観測像の撮影画像を得ることができる。
図４は、本実施形態において用いられるイメージセンサ３８における、各ＰＤ素子の受光電極４６の配置について説明する概略図であり、イメージセンサ３８の撮影像受光面全体を観測光の入射方向から見た図である。図４におけるＸ方向およびＹ方向は、図３に示す観測像におけるＸ方向およびＹ方向に対応する方向であり、図３における観測像のＸ方向およびＹ方向と、図４におけるイメージセンサ３８のＸ方向とＹ方向とがそれぞれ一致する方向で観測像がイメージセンサ３８の観測像受光面に受光されるように、イメージセンサ３８は配置されている。
【００２７】
図４に示すように、イメージセンサ３８では各ＰＤ素子の受光電極４６が複数配置されてイメージセンサ３８の撮影像受光面を構成しており、図４に示すように、この撮影像受光面の面積（図４に示す太線で囲まれた領域）は観測像と対応しており、撮影像受光面によって観測像全体を一度に撮影可能となっている。
【００２８】
図４に示すように、イメージセンサ３８の撮影像受光面は、複数のマクロセル４４（上述の部分撮影像受光面に対応する）がアレイ状にＸ方向に１２８列、Ｙ方向に１２８行並べられている。なお、各マクロセル４４のＸ方向およびＹ方向の辺の長さはどれも均等である。各マクロセル４４は、図４に示す代表位置を表す座標（Ｘ，Ｙ）（Ｘ＝１〜１２８，Ｙ＝１〜１２８）で表され、それぞれのマクロセル４４はＸ方向に８列Ｙ方向に８行の受光電極４６がアレイ状に配置されて構成されている。すなわち、イメージセンサ３８全体では、１２８×１２８×８×８（約９．４Ｍ）のＰＤ素子によって観測像全体を撮影することが可能な構成となっており、観測像全体を撮影した場合は、約９．４Ｍ画素の画像が得られる。
それぞれのマクロセル４４の駆動電極は、図示しない水平走査回路および垂直走査回路に接続されている。イメージセンサ３８では、これら水平走査回路および垂直走査回路からの信号に応じて、所望のマクロセル４４を構成するＰＤ素子（８×８個）に対して、ソース電荷に蓄積された電荷の消去（リセット）、ソース電荷への電荷の蓄積（書き込み）、ソース電荷からの蓄積電荷の読み出し（読み出し）、の各動作を実行させることができるようになっている。
【００２９】
イメージセンサ３８ではこのように、個々のマクロセル４４に対し、それぞれ個別にリセット、書き込み、読み出しの指示を出すことができ、所望のマクロセル４４毎に、所定の時間だけ８×８のＰＤ素子が受光電極それぞれに受光する観測光に応じた電荷の蓄積および消去を行うことができるようになっている。
なお、イメージセンサ３８は、図示しないプリンタやモニタなどの画像出力装置と接続されている。画像出力装置では、イメージセンサ３８の各々のＰＤ素子に対応する各ソース電荷から読み出された電荷に基づき、各ＰＤ素子の受光電極各々が受光した観測光に応じた画素で構成された、上述の観測像の撮影画像を生成して出力する。
【００３０】
このようなイメージセンサ３８を用いることで、マクロセル４４に配置された各ＰＤ素子に対応するソース電極に蓄積されたそれぞれの電荷を、特定の領域のマクロセル４４に限定して読み出すことができる。これにより、全てのマクロセル４４、または各Ｘ行およびＹ列毎のマクロセル４４に対応する蓄積電荷を一気に読み出す場合に比べて、読み出しの時間が短くなり、同一の特定領域のマクロセル４４での繰り返し撮影（リセット、蓄積、読み出し、の一連の動作の繰り返し）における撮影間隔を、数十〜数百ｎｓｅｃ間隔と非常に短い間隔とすることを可能としている（すなわち、連続撮影のフレームレートを増加させている）。以降、マクロセル４４における、リセット、書き込み、読み出しの一連の動作をまとめてシャッタ動作とする。
【００３１】
撮影装置３では、このようなイメージセンサ３８を用いることで、大きな観測領域に部分的に発生し、かつ発生位置が移動していく発光現象を、適切なＳ／Ｎ比かつ高いフレームレートで撮影することが可能となっている。しかし、宇宙線による空気シャワーで発生する大気蛍光は、広い観測領域において、いつどこで発生するのか、どのような方向でどのように発達していくのか全く予測不可能なものである。
このために、撮影装置３では、空気シャワーによる大気蛍光の発生および空気シャワーの発達に伴う大気蛍光の発光位置の移動に伴って、大気蛍光の発生位置に対応する特定の領域のマクロセル４４を選択して、この特定の領域のマクロセル４４に対し、選択的にシャッタ動作のタイミングを指示するためのタイミング信号を出力することが必要である。
このようなタイミング信号は、上述のトリガセンサ３２によってイメージセンサ３８に出力される。
【００３２】
トリガセンサ３２は、スプリッタミラー２８によって分岐された一方の観測光が入射する部位であり、本発明の光の位置情報検出装置に対応する部位である。トリガセンサ３２は、光位置検出部３４と、タイミング信号生成・出力部３６とを有して構成されている。
図５は、光位置検出部３４の構成の概略について説明する図である。光位置検出部３４は、スプリッタミラー２８によって分岐された一方の観測光を多段階に分岐する、本発明の観測光分岐手段を構成する複数のハーフミラー５２と、ハーフミラー５２によって多段階に分岐された観測像のそれぞれに対応する受光面を有する、本発明の光検出器に対応するＰＭＴアレイ５４（ＰＭＴアレイｘ１〜ＰＭＴアレイｘ４，ＰＭＴアレイｙ１〜ＰＭＴアレイｙ４）とを有して構成されている。また、各ＰＭＴアレイ５４のそれぞれとハーフミラー５２との間の光路には、ＰＭＴアレイ５４の受光面の形状に合わせて観測光像を変形させるシリンドリカルレンズ５６と、複数のＰＭＴアレイ５４の各受光面に配置され、複数の受光面において互いに異なる位置の部分領域に受光を制限する、本発明の受光部分制限手段に対応する複数のマスク５８とがそれぞれ配置されている。
【００３３】
ハーフミラー５２は、観測像の観測光を光強度で約５０％を透過させ、約５０％を反射させるものである。光位置検出部３４では図５のように、７枚のハーフミラー５２それぞれおいて、観測像が透過および反射されて、それぞれ異なる８つのＰＭＴアレイ５４の受光面それぞれに導かれている。これらの観測像は、それぞれ３回ずつハーフミラー５２を透過、またはハーフミラー５２で反射されており、それぞれ同じ光強度の観測光からなる観測像である。
【００３４】
図６は、本実施形態において用いられるＰＭＴアレイ５４の受光面の構成を示す概略図である。本実施形態において用いられるＰＭＴアレイ５４は、３２個のＰＭＴ５７（ＰＭＴ１〜ＰＭＴ３２）が一列に並んで構成されたものであり、ＰＭＴアレイ５４の受光面は、これら３２個のＰＭＴ５７の各受光領域５９（受光領域１〜受光領域３２）が互いに隣接して配置されて構成されている。ＰＭＴアレイ５４は、各ＰＭＴ５７の受光領域５９それぞれが受光した微弱光を電子に変換し、変換された電子を各ＰＭＴ毎に２次電子増倍機能を用いて電子的に増倍して、受光領域それぞれが受光した光の光量に応じた電気信号を出力する公知のＰＭＴアレイであり、例えば、１つの受光領域の大きさが０．８×０．７ｍｍの公知のＰＭＴアレイを用いる。ＰＭＴアレイは、一般的にＰＤアレイに比べて微弱光の検出精度が高く、微弱光の位置検出装置として好ましいという特徴を有している。このＰＭＴアレイ５４は、本実施形態の宇宙線望遠鏡１において、観測光が宇宙望遠鏡１の各光学系を通過してＰＭＴアレイ５４の受光面に到達した際の大気蛍光の検出効率（ＰＭＴの感度）が最適となるよう選択されたものである。トリガセンサ３２では、このように観測状態や観測装置の光学系などの各条件に応じて選択された、検出効率の高い光位置検出器（本実施形態の条件ではＰＭＴアレイ５４）を用いて観測像における大気蛍光の位置情報を高精度に検出することを可能としている。
【００３５】
マスク５６は、例えばガラス基板などの透明基板の所定位置にクロム膜などの遮光層によって遮光パターンが形成されたマスクであり、この遮光パターンによって各ＰＭＴアレイ５４の受光面に導かれた観測光を部分的に遮光する。これによって、各ＰＭＴアレイ５４に対し、各ＰＭＴアレイ５４の受光面の所定の部分領域に限定して観測光を受光させる。マスク５６は、複数のＰＭＴアレイ５４のそれぞれに配置されており、複数のＰＭＴアレイの各受光面において互いに異なる位置の部分領域に受光を制限している。
図７（ａ）〜（ｄ）は、ＰＭＴアレイ５４のうちのＰＭＴアレイｘ１〜ＰＭＴアレイｘ４に対応する各マスク５８（マスクＭｘ１〜マスクＭｘ４）の遮光パターンについて説明する概略図である。マスクＭｘ１〜マスクＭｘ４は、それぞれＰＭＴアレイｘ１〜ＰＭＴアレイｘ４の表面に配置されている。マスクＭｘ１〜マスクＭｘ４はＰＭＴアレイｘ１〜ＰＭＴアレイｘ４の、均等な大きさの各受光領域５９に対応する領域ＣＨ１〜ＣＨ３２（以降、各チャンネルＣＨ１〜ＣＨ３２とする）のそれぞれを、各チャンネル毎にX方向（観測像が照射された際のX方向に対応する方向）に均等に４分割した際の１２８の領域（以降、部分マスク領域とする）のうち、所定の部分マスク領域についてのみ観測光が透過するよう、遮光パターン（図７（ａ）〜（ｂ）それぞれにおける着色されている領域）が形成されている。
【００３６】
このマスクＭｘ１〜マスクＭｘ４の部分マスク領域を、部分マスク領域ｋ（図７に示すように、ｋはＸ方向に進むにつれてｋ＝１，２，３，・・・１２８と増加）とすると、マスクＭｘ１は、図７（ａ）に示すように、ｋ＝４・ｌ−３（ｌ＝１，２，・・・３２）の部分マスク領域のみ観測光が透過するように遮光パターンが形成されている。これにより、ＰＭＴアレイｘ１のＣＨ１〜ＣＨ３２に対応する、各受光領域（受光領域１〜受光領域３２）に対し、これら受光領域を上述の部分マスク領域に対応する４つの部分領域に分割した際の、最も左側の部分領域に限定して観測光を受光させている。
【００３７】
同様に、図７（ｂ）に示すように、マスクＭｘ２はｋ＝４・ｌ−２（ｌ＝１，２，・・・３２）の領域のみ観測光が透過するように遮光パターンが形成されており、ＰＭＴアレイｘ２の各受光領域に対し、これら受光領域を上述の部分マスク領域に対応する４つの部分領域に分割した際の、左から２番目の部分領域に限定して観測光を受光させている。
同様に、図７（ｃ）に示すように、マスクＭｘ３ではｋ＝４・ｌ−１（ｌ＝１，２，・・・３２）の領域のみ観測光が透過するように遮光パターンが形成されており、ＰＭＴアレイｘ３の各受光領域に対し、これら受光領域を上述の部分マスク領域に対応する４つの部分領域に分割した際の、左から３番目の部分領域に限定して観測光を受光させ、図７（ｄ）に示すように、マスクＭｘ４はｋ＝４・ｌ（ｌ＝１，２，・・・３２）の領域のみ観測光が透過するように遮光パターンが形成されており、ＰＭＴアレイｘ３の各受光領域に対し、これら受光領域を上述の部分マスク領域に対応する４つの部分領域に分割した際の、左から４番目（最も右側）の部分領域に限定して観測光を受光させている。
このように、各マスクＭｘ１〜マスクＭｘ４はそれぞれ観測光を選択的に透過させて、各ＰＭＴアレイ５４の受光面の各受光領域において、互いに異なる位置の部分領域に受光を制限している。
【００３８】
図８（ａ）および（ｂ）は、マスクＭｘ１およびマスクＭｘ２と観測像およびイメージセンサ３８の撮影像受光面との対応について説明する図である。
図８（ａ）および（ｂ）に示すマスクＭｘ１およびマスクＭｘ２の全体形状は、ＰＭＴアレイ５４各々の受光面が受光する観測像、および上述のイメージセンサ３８の撮影像受光面３８が受光する観測像（撮影像）と対応しており、イメージセンサ３８の撮影像受光面とも対応している。
【００３９】
上述のように、イメージセンサ３８の撮影像受光面には１２８×１２８個のマクロセル４４がＸ方向およびＹ方向それぞれに均等に配置されている。マスクｘ１〜マスクｘ４は上述のように、１２８の部分マスク領域のうちの所定の領域のみ観測光を透過する構成となっており、マスクＭｘ１〜マスクＭｘ４における部分マスク領域のＸ方向の長さは、撮影像を受光する撮影像受光面のマクロセル４４のＸ方向の長さと対応している。なお、図８（ａ)および（ｂ）に示す座標（Ｘ，Ｙ）は、イメージセンサ３８の１２８×１２８の撮影像受光面におけるマクロセル４４の代表位置を示す座標（Ｘ、Ｙ）に対応するものである。
【００４０】
図８（ａ）および（ｂ）では、説明の簡略化のためマスクＭｘ１およびマスクＭｘ２の全体形状が略正方形状で示されているが、マスクＭｘ１およびマスクＭｘ２の全体形状はＰＭＴアレイｘ１およびＰＭＴアレイｘ２の形状に合わせた形状であり、ＰＭＴアレイ５４の受光面が受光する観測像も、上述のようにシリンドリカルレンズ５８によってＰＭＴ５４の形状に合わせて変形されている。
【００４１】
マスクＭｘ１は、ＰＭＴアレイｘ１の受光面に配置されており、上述のようにマスクＭｘ１は、ｋ＝４・ｌ−３（ｌ＝１，２，・・・３２）の部分マスク領域のみ観測光が透過するように遮光パターンが形成されている。図８（ａ）から判断されるように、代表位置の座標（Ｘ、Ｙ）のマクロセル４４が受光する撮影像の観測光に対応するＰＭＴアレイｘ１の受光面が受光する観測像の観測光の光量をＩｘｙとすると、ＰＭＴアレイｘ１の各受光領域ｍ（ｍ＝１，２，・・・３２）が受光する観測光の光量は下記式（１）のように表せる。
【００４２】
【数１】
2005249660.tif 000003
【００４３】
また、図８（ｂ）から判断されるように、ＰＭＴアレイｘ２の各受光領域ｍ（ｍ＝１，２，・・・３２）が受光する観測光の光量は、上記式（１）と同様、下記式（２）のように表せる。同様に、ＰＭＴアレイｘ３の各受光領域ｍ（ｍ＝１，２，・・・３２）が受光する観測光の光量は下記式（３）のように、ＰＭＴアレイｘ４の各受光領域ｍ（ｍ＝１，２，・・・３２）が受光する観測光の光量は下記式（４）のように表せる。
【００４４】
【数２】
2005249660.tif 000004
【数３】
2005249660.tif 000005
【数４】
2005249660.tif 000006
【００４５】
すなわち、マスクＭｘ１〜マスクＭｘ４を用いた場合、ＰＭＴアレイｘｐ（ｐ＝１，２，３，４）の各受光領域ｍ（ｍ＝１，２，・・・３２）は、下記式（５）で示すだけの光量を受光する。
【数５】
2005249660.tif 000007
すなわち、各ＰＭＴアレイｘｐ（ｐ＝１，２，３，４）の各受光領域ｍ（ｍ＝１，２，・・・３２）では、各ＰＭＴアレイの受光面５４をＸ方向に均等分割した際の、Ｙ軸方向全体に延びた各分割領域（各部分領域）に限定して観測光を受光し、各受光領域を備えるＰＭＴ５７各々から、各受光領域が受光したこの観測光の光量に応じた電流が出力される構成となっている。
【００４６】
また、図９（ａ）〜（ｄ）は、ＰＭＴアレイ５４のうちのＰＭＴアレイｙ１〜ＰＭＴアレイｙ４に対応する各マスク５８（マスクＭｙ１〜マスクＭｙ４）の遮光パターンについて説明する概略図である。また、図１０（ａ）および（ｂ）は、マスクＭｙ１およびマスクＭｙ２と、観測像および撮影装置３のイメージセンサ３８の撮影像受光面との対応について説明する図である。
上記マスクＭｘ１およびマスクＭｘ２の場合と同様、図９（ａ）〜（ｄ）および図１０（ａ）および（ｂ）から判断できるように、マスクＭｙ１〜マスクＭｙ４を用いた場合、ＰＭＴアレイｙｐ（ｐ＝１，２，３，４）の各受光領域ｎ（ｎ＝１，２，・・・３２）は、下記式（６）で示すだけの光量を受光する。
すなわち、各ＰＭＴアレイｙｑ（ｑ＝１，２，３，４）の各受光領域ｎ（ｎ＝１，２，・・・３２）では、各ＰＭＴアレイｙｑの受光面５４をＹ方向に均等分割した際の、Ｘ軸方向全体に延びた各分割領域（各部分領域）に限定して観測光を受光し、各受光領域を備えるＰＭＴ５７各々から、各受光領域が受光したこの観測光の光量に応じた電流が出力する。
【００４７】
【数６】
2005249660.tif 000008
このように、光位置検出部３４では、ＰＭＴアレイｘ１〜ＰＭＴアレイｘ４およびＰＭＴアレイｙ１〜ＰＭＴアレイｙ４の各受光領域（受光領域１〜受光領域３２）が、それぞれ、ＰＭＴアレイ５４の受光面をＸ方向、Ｙ方向に均等分割した際の各分割領域に対応する互いに異なる分割領域（部分領域）に限定して観測像の観測光を受光している。各ＰＭＴアレイ５４（ＰＭＴアレイｘ１〜ＰＭＴアレイｘ４およびＰＭＴアレイｙ１〜ＰＭＴアレイｙ４）の各受光領域（受光領域１〜受光領域３２）を備えるＰＭＴ５７（ＰＭＴ１〜ＰＭＴ３２）は、タイミング信号生成・出力部３６と接続されており、それぞれの受光領域が受光した観測光の光量に応じた電気信号をタイミング信号生成・出力部３６に出力する。
【００４８】
図１１は、タイミング信号生成・出力部３６の構成を示す概略図である。タイミング信号生成・出力部３６は、各ＰＭＴアレイ５４の各ＰＭＴ５７から出力された電気信号を所定の割合だけ増幅してコンパレータ６４へ出力するアンプ６２と、アンプ６２によって増幅された電気信号が所定の閾値以上であるか否かの判定を行い判定結果に応じた所定の短パルス信号を出力するコンパレータ６４と、コンパレータ６４から出力された短パルス信号を処理して、観測像における大気蛍光（観測光）の位置を検出してこの検出位置に応じたシャッタ信号をイメージセンサ３８の各ＰＤ素子に出力する処理回路６６とを有して構成されている。
【００４９】
図１１に示すように、アンプ６２およびコンパレータ６４は各ＰＭＴアレイ５４の各ＰＭＴ５７毎に１つずつ接続されている。アンプ６２では、各ＰＭＴアレイ５７から出力された電気信号を所定のゲインだけ増幅してコンパレータ６４へ出力する。
コンパレータ６４は、増幅された電流信号の大きさ（電流値の絶対値）が所定の閾値を超えるか否かを判定する。コンパレータ６４において各ＰＭＴアレイ５４の各ＰＭＴ５７毎に出力された電流値の絶対値が所定の閾値を超えたか否かをそれぞれ判定することで、ＰＭＴアレイ５４の各ＰＭＴ５７の受光領域５９が受光した観測光の光量が所定の光量以上であったか否かを判定している。コンパレータ６４は、アンプ６２からの電流信号が閾値以上であると判定すると、処理回路６６に短パルス信号を発信する。この短パルス信号は１ｎｓｅｃ以下の時間幅のアナログ信号である。
【００５０】
処理回路６６は、コンパレータ６４から出力された短パルス信号から、どのＰＭＴアレイ５４のどのＰＭＴ５７の受光領域５９が、所定量以上の光量の観測光を受光したかを判定し、この所定量以上の光量を受光した受光領域５９に対応するイメージセンサ３８の所定のマクロセル４４にシャッタ信号を出力する部位である。
【００５１】
イメージセンサ３８の撮影像受光面の１つのマクロセル４４が観測光（撮影像の観測光）を受光した場合、ＰＭＴアレイ５４の受光面をＸ方向に均等分割した際の互いに異なる各分割領域（部分領域）のうち、このマクロセル４４のＸ方向の位置に対応する部分領域の観測光を選択的に受光するＰＭＴの受光領域も、上記観測光（撮影像の観測光）に応じた観測光を受光することとなり、また、ＰＭＴアレイ５４の受光面をＹ方向に均等分割した際の互いに異なる各分割領域（部分領域）のうち、このマクロセル４４のＹ方向の位置に対応する部分領域の観測光を選択的に受光するＰＭＴの受光領域も、上記観測光（撮影像の観測光）に応じた観測光を受光する。
【００５２】
すなわち、イメージセンサ３８の撮影像受光面の１つのマクロセル４４が観測光を受光した場合、このマクロセル４４のＸ方向の位置に対応するＰＭＴ５７からこの観測光に応じた受光信号（電気信号が出力され、このマクロセル４４のＹ方向の位置に対応するＰＭＴ５７からも、この観測光に応じた受光信号（電気信号）が出力される。この電気信号がアンプ６２で増幅されてコンパレータ６４によって閾値を超えるか否かが判定されることで、観測光の光量が所定の光量以上であったか否かが判定される。観測光の光量が所定の光量以上であった場合（受光信号の強度が閾値以上であった場合）、各コンパレータから短パルス信号が発信され、処理回路６６において、どのＰＭＴに接続したコンパレータから短パルス信号が出力されたかが判断され、所定の光量を超える光量の観測光を受光するマクロセル４４のＸ方向の位置およびＹ方向の位置（上述の座標（Ｘ、Ｙ）で表される代表位置）が判定される。
。処理回路６６は、このようにして、所定量以上の観測光を受光するイメージセンサ３８のマクロセル４４を特定し、このマクロセル４４にシャッタ信号を出力する。イメージセンサ３８は、このシャッタ信号に応じて、所定のマクロセル４４に対し選択的に読み出し、書き込み、リセット動作の指示を行うことができる。本実施形態の光位置検出装置３２は、このような構成によって、観測領域から到来する観測光の位置情報を検出し、この位置情報に基づいて、イメージセンサ３８の所定のマクロセル４４に対してシャッタ信号（タイミング信号）を出力することで、イメージセンサ３８による画像撮影動作を制御している。
【００５３】
このような宇宙線望遠鏡１によって、宇宙線による大気蛍光の撮影が以下のように行われる。
宇宙線を用いた大気蛍光撮影はバックグラウンド光の少ない夜間に長時間かけて行われるものであり、観測中、反射望遠鏡２によって集光される観測領域からの光（観測光）は、常時トリガセンサ３２およびイメージセンサ３８のそれぞれの受光面に照射されている。
すなわち、上述のように、反射鏡２に入射した観測光は、反射鏡２の反射面で反射されて、レンズ２２が配置された焦点面に集光される。観測光はレンズ２２で平行光とされ、光増幅装置２４に観測像として照射され、光増幅装置２４によって増幅される。そして、光増幅装置２４によって増幅されて出射された観測像は導波管２６を通り、スプリッタミラー２８へと導かれ、スプリッタミラー２８では観測像をトリガセンサ３２に向かう方向の観測象と、イメージセンサ３８に向かう方向の観測象との２つの像に分岐する。
イメージセンサ３８に向かう観測像は、イメージセンサ３２の撮影像受光面に導かれ、トリガセンサ３２に向かった観測像は、フィルタ３０によって所定の光量に減衰されてトリガセンサ３２に導かれる。
【００５４】
トリガセンサ３２に導かれた観測像は、上述のように光位置検出部３４において複数のハーフミラー５２を経由し（透過および反射されて）、８つの観測像に分岐される。これら８つの観測像は、上述のようにシリンドリカルレンズ５６によって成形されて、ＰＭＴアレイ５４の各受光面に受光される。この際、上述のようにマスク５８によって、ＰＭＴアレイ５４の互いに異なる位置の部分領域に受光が制限されている。観測中は、常時、上述のように各ＰＭＴ５４の各ＰＭＴ５７から、それぞれのＰＭＴ５７の受光領域５９が受光した光強度に応じた受光信号（電流信号）が出力され、コンパレータによってこの電流強度が判定されている。コンパレータによる判定の閾値は、観測像におけるバックグランド光を受光領域５９が受光した際に出力される受光信号（電流信号）の強度よりも高く設定されており、宇宙線に起因する空気シャワーによる大気蛍光が発生していない状態ではコンパレータから短パルス信号は発信されず、処理回路６６からイメージセンサ３８にタイミング信号は送信されない。
【００５５】
ここで、観測領域のある位置で大気蛍光が発生すると、その大気蛍光は上述の経路を辿り増幅および分岐されて、観測領域における大気蛍光が発生した位置に対応する、複数のＰＭＴアレイ５４の各受光領域５９のうちの所定の位置、およびイメージセンサ３８の撮影像受光面の所定の位置に到達する。
光位置検出部３４では、観測像における大気蛍光が発生した位置に対応する所定のＰＭＴアレイ（ＰＭＴアレイｘ１〜ＰＭＴアレイｘ４のいずれか、およびＰＭＴアレイｙ１〜ＰＭＴアレイｙ４のいずれか）の所定のＰＭＴ５７の受光領域５９が観測光を受光し、この観測光の強度に応じた受光信号（電流信号）がそれぞれのＰＭＴから出力される。
【００５６】
この大気蛍光による観測光はバックグラウンド光による観測光に比べて強く、各ＰＭＴから出力される受光信号（電流信号）は、各コンパレータにおける閾値以上の電流信号となる。これらのＰＭＴに対応するコンパレータにおいて電流信号が閾値を超えたと判定されて、処理回路６６に短パルス信号が出力される。
処理回路６６では、この短パルス信号から、複数のＰＭＴアレイ５４のうちのいずれのＰＭＴアレイの、いずれのＰＭＴの受光領域が、所定の光量以上の観測光を受光したかを判定し、これら受光領域に対応する、イメージセンサ３８の撮影像受光面のマクロセル４４（マクロセル４４を構成する各ＰＤ素子）に所定のシャッタ信号（リセット信号、書き込み信号、読み出し信号）を出力する。
【００５７】
図１２は、観測領域中に発生する空気シャワーと、トリガセンサ３２によって判定される、空気シャワーにともなって発生する大気蛍光の位置情報との対応について説明する図である。図１２は、観測像の一部の領域を示す図であり、直線で分割された各領域はイメージセンサ３８のマクロセル４４に対応する１２８×１２８の部分観測領域を示し、破線で分割された領域は、マクロセル４４それぞれに配置されたＰＤの受光電極４６とを示している。
図１２に示す観測像に対応する所定の観測領域に、図１２中に矢印Ｂとして示す方向に発達する空気シャワーが発生すると、空気シャワーの進行にともなって大気蛍光が順次発生していく。（尚、この空気シャワー自体は宇宙線望遠鏡１によって観測されるものではない）。トリガセンサ３２の各ＰＭＴでは、大気蛍光に応じた光強度の観測光が到達する。上述のように、トリガセンサ３２では、図１２に示す観測像の個々の領域において所定強度を超える光強度の発光が生じたか否かを判断でき構成となっており、大気蛍光の発生にともなって、トリガセンサ３２の処理回路によって、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３・・・Ｅ８（それぞれ図１２中の着色された領域）の順に所定の光強度の発光があったと判断されて、この領域に対応するイメージセンサ３８のマクロセル４４に順次シャッタ信号が出力される。
【００５８】
イメージセンサ３８では、このシャッタ信号に応じて、上述のＥ１、Ｅ２、Ｅ３・・・Ｅ８のそれぞれに対応するマクロセル４４の８×８個の各ＰＤ素子において、この大気蛍光による観測光の強度に応じた電荷がソース電極に蓄えられることで、各マクロセル４４毎に観測光の画像が撮影される。各ＰＤ素子のソース電極に蓄えられた電荷は、図示しない画像出力装置に読み出されて、各ＰＤ素子に蓄えられた電荷に基づいた観測像の撮影画像が出力される。
図１３は、このようにして撮影された大気蛍光の画像の一例を示す図である。図１３は、イメージセンサ３８の上述のＥ１、Ｅ２、Ｅ３・・・Ｅ８に対する個々のマクロセル４４に対し、トリガセンサ３２によって大気蛍光（所定の光強度を超える発光）が発生したと判断されると同時に、マクロセル４４の各ＰＤ素子に対してリセットおよび書き込み（露光開始）の指令を出し、この領域において所定時間以上発光が確認されなくなるまで連続して書き込み（露光）を行い、各マクロセル４４に対応する領域において、所定時間以上上記発光が確認されなくなると同時に書き込みを停止（露光の停止）を行って撮影された画像の模式図を示し、電荷が蓄積されたＰＤ素子に対応する画素の領域を着色して示す画像である。
【００５９】
また、図１４は、従来の光位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡を用いて撮影される観測像の撮影画像の一例を示す模式図である。図１４に示す図は、１２８×１２８のマクロセルを有する撮影像受光面に対し、大気蛍光（所定の光強度を超える発光）が発生すると同時に、図１２に示す領域全体の全てのマクロセル４４の各ＰＤに対してリセットおよび書き込み（露光開始）の指令を出し、この領域全体において所定時間以上発光が確認されなくなるまで連続して書き込み（露光）を行うことで撮影された観測像の画像の模式図を示し、電荷が蓄積されたＰＤの領域について着色した画像である。
従来の光位置情報検出装置では、３２個の受光領域の光検出器を用いて、１２８×１２８の分割領域に応じた位置精度で光の位置情報を検出することができなかった。そのため、図１４に示す例のように、大気蛍光（所定の光強度を超える発光）が発生すると同時に、複数のマクロセルの各ＰＤに対してリセットおよび書き込み（露光開始）の指令を出し、これら複数のマクロセルに対応する領域全体において所定時間以上発光が確認されなくなるまで連続して書き込み（露光）を行って、観測像を撮影していた。
【００６０】
そのため、図１３では鮮明な大気蛍光の像が、図１４ではノイズによって不鮮明となっている。このノイズは主に大気のバックグラウンド光によるもので、イメージセンサ３８の受光面全体を長時間かけて露光した場合ではＳ／Ｎ比の悪い不鮮明な画像しか得られない。
本発明の、光位置に応じたタイミング信号の出力装置であるトリガセンサ３２を用いることで、空気シャワーの発達に伴う大気蛍光の発生に応じて、イメージセンサ３８の個々のマクロセルに対して画像撮影の各タイミングの指示を出すことによって、図１３に示すように大気蛍光の像が鮮明なＳ／Ｎ比の良い画像を得ることが可能となっている。
【００６１】
また、図１３では、上述の各領域において所定時間以上、上記発光が確認されなくなるまで連続して書き込みを行っている。本発明では、この所定時間をより短時間に設定することで、１つのマクロセル４４に対応する領域内での大気蛍光を断続的に撮影してもよい。
図１５（ａ）〜（ｄ）は、このように断続的に撮影された大気蛍光の画像の模式図であり、１つのマクロセル４４によって（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と断続的に撮影した場合の大気蛍光の画像の模式図である。このように１つのマクロセルにおいて、発光の検出とともに複数回のシャッタ信号の出力を行うことで、大気蛍光の発生の様子を時系列で確認することができる。
本発明では、イメージセンサ３８の各マクロセル毎にシャッタ動作の指示を出すことで、蓄積された電荷の読み出しを、各マクロセル毎に行うことを可能としている。これにより、読み出す電荷容量を少なくすることが可能となり、読み出しによって生じる各ＰＤ素子のデッドタイムを少なくしており、高いフレームレートでの撮影を可能としている。
【００６２】
本実施形態では、３２個のＰＭＴ（３２個の受光領域）が配置されて構成されたＰＭＴアレイを複数用いて１２８×１２８の領域毎に光の発生の有無を検出することで光の位置情報を検出し、この位置情報に応じたタイミング信号を１２８×１２８の領域毎に出力している。本発明の光位置に応じたタイミング信号の生成装置では、タイミング信号を出力する領域は５１２×５１２の領域や１０２４×１０２４の領域であってよく、この場合、ハーフミラーとＰＭＴアレイの数を増やして、それぞれを所定の位置に配置することで、３２個のＰＭＴ（３２個の受光領域）が配置されて構成されたＰＭＴアレイを用いてそれぞれの領域の位置情報に応じたタイミング信号を出力することができる。本発明では、ＰＭＴアレイの受光領域の数に比べてタイミング信号を出力する領域の数が多ければ、ＰＭＴアレイの受光領域の数やタイミング信号を出力する領域の数は特に限定されない。ＰＭＴアレイに到達するまでに通過および反射するハーフミラーの数は、タイミング信号を出力する領域の数を２ｇ、用いるＰＭＴアレイの受光領域の数を２ｈとするとｇ−ｈ＋１回となる。また光検出器の前にとりつけるマスク（受光部分制限手段）は、各受光領域を２ｎ−ｍ分割するものをつくればよい。また、本発明の光位置検出器は、ＰＭＴアレイ以外にもＰＤアレイなどであってもよく、特に限定されない。
【００６３】
本発明の光位置に応じたタイミング信号の生成装置は、このように、受光面を有する光位置検出器を用いて、この光位置検出器の受光面の受光領域の数以上の数に分割された複数の部分領域の位置に基づいて、観測光の位置情報を検出することが可能とするものである。本発明の光位置検出に応じたタイミング信号の生成装置を用いることで、光学系や、必要なタイミング信号の数によらず、所定の光位置検出器（例えば光学系に応じた感度特性が最適な光検出器）を用いて、光位置情報を高精度に検出することができる。
【００６４】
このような効果をもつ本発明の光位置情報検出装置は、観測対象空間の不特定位置から不定期に到来する微弱光を高い位置分解能で検出することが可能である。本発明の光の位置情報検出装置は、このような利点を活かし、上記のように宇宙線望遠鏡におけるトリガセンサとして用いる以外にも、夜間の海岸などにおける不審船などのチェックや、夜行活動生物（例えば、梟などの飛行可能生物）の追跡カメラのモジュールとしても用いることも可能であり、また、生物に限らず空を観測対象空間として未確認光の追跡用にも使えることが可能である。本発明の光位置情報検出装置の利用形態は特に限定されない。
【００６５】
以上、本発明の光位置情報検出装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施例には限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡の利用形態の１例について説明する図である。
【図２】本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡における観測光の光路、および撮影装置の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡における観測光の光路、および光増幅部の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡のイメージセンサにおけるＰＤの受光電極の配置について説明する概略図である。
【図５】本発明の光の位置情報検出装置における光位置検出部の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の光の位置情報検出装置における、ＰＭＴアレイの受光面の構成の一例を示す概略図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の光の位置情報検出装置における、各マスクの遮光パターンの一例について説明する概略図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、各マスクと観測像、およびイメージセンサの撮影像受光面との対応の一例について説明する概略図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の光の位置情報検出装置における、各マスクの遮光パターンの他の例について説明する概略図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、各マスクと観測像、およびイメージセンサの撮影像受光面との対応の他の例について説明する概略図である。
【図１１】本発明の光の位置情報検出装置における、タイミング信号生成・出力部の構成の一例を示す概略図である。
【図１２】本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡によって観測される大気蛍光の位置情報と空気シャワーとの対応について説明する概略構成図である。
【図１３】本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡によって撮影された大気蛍光の画像の一例を示す図である。
【図１４】従来の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡を用いて撮影される観測像の撮影画像の一例を示す模式図である。
【図１５】本発明の光の位置情報検出装置を有して構成される宇宙線望遠鏡によって撮影された大気蛍光の画像の他の例を示す図である。
【図１６】従来の宇宙線望遠鏡の一例の概略を示す図である。
【図１７】従来の光位置情報検出装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  宇宙望遠鏡
２  反射鏡
３  撮影装置
２１  光電面
２２  レンズ
２３  １６８  ＭＣＰ
２４  光増幅部
２６  導波管
２８  スプリッタミラー
３０  フィルタ
３２  トリガセンサ
３４  光位置検出部
３６  タイミング信号生成・出力部
３８  イメージセンサ
４２  光電面
４４  マクロセル
４６  ＰＤの受光面
５２  ハーフミラー
５４  ＰＭＴアレイ
５６  シリンドリカルレンズ
５８  マスク
６２  アンプ
６４  コンパレータ
６６  処理回路
１５２  レンズ系
１５４  光スプリッタ
１５６  トリガセンサ
１５８  撮影装置
１６０  電気パルス出力装置
１６２  真空容器
１６４  入射窓
１６８  ＭＣＰ
１７０  パルス出力チップ
１７２  電子収集電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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