JP2014219330A

JP2014219330A - 計測システム

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Publication number: JP2014219330A
Application number: JP2013099731A
Authority: JP
Inventors: 真人佐々木; Masato Sasaki
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: JP6265365B2

Abstract

【課題】送信装置と受信装置との間で精密な同期をとる必要がなく、比較的簡易に広域な大気に対して、高速かつ精密な常時監視が可能となる計測システムを提供する。【解決手段】パルス状のレーザー光Ｌ１によって照明された対象物ＯＢからの非後方型の散乱光を１次元以上の走査で一括して検出するので、広域に亘る対象物ＯＢの状態を一括して検出することができる。この際、撮像駆動部としての駆動回路８４及び主制御部２０１がトリガー部８８に同期して精細像検出部８２に画像の取り込みを行わせるので、パルス状のレーザー光に応じた対象物ＯＢからの散乱光を選択的に検出して強度情報を得ることができ、画像上の位置から対象物ＯＢの方位情報（例えば、方位角、仰角等）も得ることができる。これにより、例えば大気中のエアロゾルの密度分布その他に関する各種情報を簡易に比較的高い信頼性で得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、遠距離にある対象にレーザー照射を行いつつ対象からの散乱光を測定することにより、対象の状態を広域に亘って高速で計測する計測システムに関する。

パルス状に発光するレーザー照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象の性質を分析する技術として、バイスタティック型のＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれるものが存在する（非特許文献１、特許文献１等参照）。

従来のバイスタティック型のＬＩＤＡＲ装置は、遠隔の対象物からの角度散乱光又は前方散乱光を検出するので、比較的高強度の光を検出することができ、エアロゾルや粒子を含む対象物の濃度、サイズ、屈折率等に関する情報を高感度かつ高解像度で測定することができる。

しかしながら、従来のバイスタティック型のＬＩＤＡＲ装置では、送信装置と受信装置との間で精密な同期をとる必要があり（例えば特許文献１参照）、遠距離になるほど送受信装置間の同期精度を維持することが困難になり、広域になるほど精密な測定が困難にならざるを得ない。

IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. GE-20, NO.3, JULY 1982, 229-235

特開２００４−３０９３６７号公報

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、送信装置と受信装置との間で精密な同期をとる必要がなく、比較的簡易に広域に広がる大気等に対して、高速かつ精密な常時監視が可能となる計測システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る計測システムは、パルス状のレーザー光を射出するとともに、レーザー光の射出方向を少なくとも１次元以上の走査で変化させる照明部と、照明部を動作させる照明駆動部と、照明部によって射出方向が変化するレーザー光によって照明された対象からの非後方型の散乱光を所定以上の画角で一括して検出する撮像装置と、撮像装置に付随するトリガー部に同期して撮像装置に画像の取り込みを行わせる撮像駆動部とを備える。

上記計測システムによれば、パルス状のレーザー光によって照明された対象からの非後方型の散乱光を１次元以上の走査で一括して検出するので、広域に亘る対象の状態を一括して検出することができる。この際、撮像駆動部が撮像装置に付随するトリガー部に同期して撮像装置に画像の取り込みを行わせるので、パルス状のレーザー光に応じた対象からの散乱光を選択的に検出して強度情報を得ることができ、画像上の位置から対象の方位情報（例えば、方位角、仰角等）も得ることができる。これにより、例えば大気中のエアロゾルの密度分布その他に関する各種情報を簡易に比較的高い信頼性で得ることができる。

本発明の具体的な側面によれば、上記計測システムにおいて、撮像装置に取り込まれた画像信号に基づいて、散乱係数の２次元以上の分布を決定する演算処理部をさらに備える。撮像装置によって取り込んだ画像中の散乱光すなわち検出光の強度や位置に基づいて光路に沿った対象の散乱又は消散係数の見積値を評価することができ、光路を徐々に変更することで、演算処理部によって２次元的又は３次元的な散乱係数又は消散係数の分布を決定することができる。

本発明の別の側面によれば、演算処理部は、所定の初期情報からの逆解析によって例えば３次元的な散乱係数の分布を算出する。つまり、既知の光路に関して散乱係数又は消散係数が分かっている場合、これを所定の初期情報として逆解析することで、対象における２次元的又は３次元的な散乱係数又は消散係数の分布を算定することが可能になる。

本発明のさらに別の側面によれば、照明部は、直交する第１及び第２回転軸のまわりにそれぞれ回転する第１及び第２ポリゴンミラーと、第１ポリゴンミラーの光射出側に配置されて第２ポリゴンミラーの反射面に入射する光線の角度範囲を減少させる第１光学素子と、第２ポリゴンミラーの光射出側に配置されて第１光学素子に入射する前の光線の角度を比例的に復元する第２光学素子とを有する光走査部を備える。この場合、第１ポリゴンミラーの光射出側に配置される第１光学素子が第２ポリゴンミラーの反射面に入射する光線の角度範囲を減少させ、第２ポリゴンミラーの光射出側に配置される第２光学素子が第１光学素子に入射する前の光線の角度を比例的に復元するので、第１及び第２ポリゴンミラーによる走査の角度範囲が比較的大きくなっても、射出方向の歪みを低減して正確な角度で走査を行なうことができる。

本発明のさらに別の側面によれば、第１光学素子は、第２ポリゴンミラーの反射面に入射する光線の第２回転軸に平行な所定面に沿った入射角度を、互いに略一致させ、第２光学素子は、第２ポリゴンミラーの反射面で反射された光線の第２回転軸に平行な別の所定面に沿った射出角度を、第１ポリゴンミラーの反射面で反射された光線の第２回転軸に平行な所定面に沿った射出角度に略一致させる。これにより、第１ポリゴンミラーによる反射の偏角が維持されて、第１ポリゴンミラーと第２ポリゴンミラーとを同一の手法で制御する簡易な２次元走査が可能になる。

本発明のさらに別の側面によれば、撮像装置は、散乱光含む像を検出する光電撮像管を有し、トリガー部は、光電撮像管に付随して設けられ、前記撮像装置から信号を取り出すタイミングを設定する。この場合、光電撮像管等によって、予測が困難な微弱な散乱光を検出光と並行して高感度で撮像することができ、高速の事象を的確に記録することができる。

本発明のさらに別の側面によれば、撮像装置は、光電撮像管の出力を検出するＣＣＤ型撮像素子及びＣＭＯＳ型撮像素子のいずれか一方である固体撮像素子を含み、トリガー部から出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子を動作させる。この場合、光電撮像管に同期させて固体撮像素子を高速で動作させて高精度の計測が可能になる。

実施形態の計測システムの全体を説明する概略図である。計測システムの射出装置側を説明するブロック図である。射出装置のうち走査装置本体の光学系部分を説明する斜視図である。光学系部分を展開して説明する概念図である。（Ａ）は、光学系部分によるレーザー光の走査パターンの一例を説明する図であり、（Ｂ）は、受光装置による観測を説明する斜視図である。計測システムの受光装置側を説明する図である。受光装置の光増幅部等を説明する側方断面の概念図である。受光装置の撮像装置を説明する図である。受光装置の主制御部を概念的に説明するブロック図である。実施形態の計測システムを用いた一計測法を説明する原理図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る計測システムについて詳細に説明する。

図１に示す実施形態の計測システム１０００は、大気中のエアロゾル（汚染物質微粒子等）の状態をリアルタイムで監視するためのものであり、光照射側の射出装置１００と光検出側の受光装置２００とを一組として備える。射出装置１００は、本体１ａと架台１ｂとを有し、受光装置２００も、本体２ａと架台２ｂとを有する。これらの射出装置１００と受光装置２００とは、地表上において例えば数１０ｋｍ程度離れて固定的に配置されている。射出装置１００からは、照明光としてパルス状のレーザー光Ｌ１が２次元的な方位に走査されるように射出され、レーザー光Ｌ１によって照明された広域に広がる対象物ＯＢからは、非後方型の散乱光として検出光Ｌ２が射出される。受光装置２００は、対象物ＯＢからの微弱な検出光Ｌ２を自己トリガー機能によって選択的に検出する。なお、射出装置１００と受光装置２００とは、連携した動作を行っているが、共通するトリガー信号によって同期をとるような精密な同期動作は行っていない。

図２に示すように、射出装置１００は、レーザー光をパルス状に射出する光源装置１０と、光源装置１０からのレーザー光を走査するための走査装置本体２０と、射出装置１００を構成する各部の動作を統括的に制御する走査制御部であり撮像制御部である主制御部１０１とを備える。ここで、光源装置１０と走査装置本体２０とは、パルス状のレーザー光Ｌ１の射出方向を２次元の走査によって変化させる照明部として機能し、主制御部１０１は、かかる照明部を動作させるための照明駆動部として機能している。この射出装置１００は、大気に向けて離散的かつ略均等に分布する角度方向となるようにパルス状のレーザー光を照射する。

光源装置１０は、主制御部１０１の制御下で動作しており、レーザー発生装置１１と発振駆動装置１２とを備える。レーザー発生装置１１は、パルス型のレーザー発振器であり、例えば電気光学型Ｑスイッチを組み込んだダイオード励起固体レーザー等を用いることができる。発振駆動装置１２は、Ｑスイッチトリガー回路であり、レーザー発生装置１１を所望のタイミングで発振動作させる。つまり、発振駆動装置１２は、主制御部１０１からのトリガーパルスを受けてレーザー発生装置１１のＱスイッチを動作させ、レーザー発生装置１１から光線として例えば周期的なレーザー光ＲＡを射出させる。

走査装置本体２０は、第１ポリゴンミラー５１と第２ポリゴンミラー５２とを備える光学部２１と、第１ポリゴンミラー５１用の第１モーター駆動ユニット２３と、第２ポリゴンミラー５２用の第２モーター駆動ユニット２４と、第１及び第２モーター駆動ユニット２３，２４の動作を制御するためのミラー回転制御部２５と、ミラー回転制御部２５、光源装置１０等を同期させて動作させるためのパルス発生装置２７とを備える。

図３に示すように、光学部２１は、第１回転軸ＡＸ１のまわりに回転する第１ポリゴンミラー５１と、第２回転軸ＡＸ２のまわりに回転する第２ポリゴンミラー５２と、第１ポリゴンミラー５１の光射出側に配置されて、第１ポリゴンミラー５１から射出される光線であるレーザー光ＲＡ１の状態を調整する第１光学素子５３と、第２ポリゴンミラー５２の光射出側に配置されて、第２ポリゴンミラー５２から射出される光線であるレーザー光ＲＡ２の状態を調整する第２光学素子５４と、第１ポリゴンミラー５１を回転させる第１駆動部５５と、第２ポリゴンミラー５２を回転させる第２駆動部５６とを備える。なお、光学部２１には、図２に示すように、第１ポリゴンミラー５１に付随してミラー面検出器である１つ以上の第１センサー５７が設けられており、第２ポリゴンミラー５２に付随してミラー面検出器である１つ以上の第２センサー５８が設けられている。

第１ポリゴンミラー５１の第１回転軸ＡＸ１は、Ｚ軸に平行に延びており、第２ポリゴンミラー５２の第２回転軸ＡＸ２は、第１回転軸ＡＸ１すなわちＺ軸に対して垂直なＸ軸に平行に延びている。第１ポリゴンミラー５１の反射面５１ａは、図２の光源装置１０からのレーザー光ＲＡ０を反射して、第１段階の走査光であるレーザー光ＲＡ１を射出する。第２ポリゴンミラー５２の反射面５２ａは、第１ポリゴンミラー５１の反射面５１ａで反射され第１光学素子５３を通過したレーザー光ＲＡ１を反射して、第２段階の走査光であるレーザー光ＲＡ２を射出する。第２ポリゴンミラー５２の反射面５２ａからのレーザー光ＲＡ２は、第２光学素子５４を通過する。具体的に説明すると、元のレーザー光ＲＡ０は、ＸＹ面に平行であってＸ軸に平行に近い方向から第１ポリゴンミラー５１の反射面５１ａに入射する。また、反射面５１ａでの反射によって偏向されて第１段階の走査光となったレーザー光ＲＡ１は、第１光学素子５３を通過してＹ軸に平行な方向から第２ポリゴンミラー５２の反射面５２ａに入射する。この反射面５２ａでの反射によって偏向されて第２段階の走査光となったレーザー光ＲＡ２は、第２光学素子５４を通過することで第１段階の走査状態が再現され、２次元的に走査される光線、すなわち図１に示す射出装置１００から射出されるレーザー光Ｌ１となる。

ここで、第１段階の走査光であるレーザー光ＲＡ１は、第１ポリゴンミラー５１によってＸＹ面に平行な所定面内で放射状に発散するように走査されるが、第１光学素子５３によってＹ軸に平行にされる。このため、第１光学素子５３は、精度向上も考慮して非球面のシリンドリカルレンズとなっている。第１光学素子５３の光軸ＡＸＩは、Ｙ軸に平行であるものとし、第１光学素子５３は、ＸＹ断面において曲率を有し、ＹＺ断面において曲率を有しないものとなっている。

第２段階の走査光であるレーザー光ＲＡ２は、第２ポリゴンミラー５２によって第２回転軸ＡＸ２を含む面すなわちＸＺ面に平行な所定面内で放射状に発散するように走査されるとともに、第２光学素子５４によって非走査方向に関して第１光学素子５３に入射する前のレーザー光ＲＡ１の角度に復元される。このため、第２光学素子５４は、精度向上も考慮して非球面のトーリックレンズとなっている。第２光学素子５４の光軸ＡＸＯは、ＹＺ面に平行であるものとし、第２光学素子５４は、Ｘ軸に平行な断面において曲率を有し、ＹＺ断面において曲率を有するものとなっている。

以上のように、第１ポリゴンミラー５１によって、レーザー光ＲＡ２の元になるレーザー光ＲＡ１が偏向され、第１及び第２光学素子５３，５４との協働によってＸ軸方向すなわち縦方向に関する走査が行われる。また、第２ポリゴンミラー５２によって、レーザー光ＲＡ２が偏向され、ＹＺ面内方向すなわち横方向に関する走査が行われる。つまり、第１及び第２ポリゴンミラー５１，５２と第１及び第２光学素子５３，５４とによってレーザー光ＲＡが縦横に関して２次元的に走査される。

図４は、Ｘ軸方向に関する走査を概念的に説明する図であり、ＸＹ面に平行な所定面を基準として光路が展開されている。同図において、第１ポリゴンミラー５１の反射面５１ａからのレーザー光ＲＡ１は、±２θの角度範囲で走査される。このレーザー光ＲＡ１は、第１光学素子５３を経て一旦光軸ＡＸ又はＹ軸に平行となり、第２ポリゴンミラー５２の反射面５２ａに入射する。つまり、第２ポリゴンミラー５２の反射面５２ａに入射するレーザー光ＲＡ１の入射角度は、第２回転軸ＡＸ２に平行な所定面に沿ったどの位置でも同じになっている。結果的に、第２ポリゴンミラー５２の反射面５２ａで反射されたレーザー光ＲＡ２は、第１ポリゴンミラー５１の回転角に関わらず光軸ＡＸに平行なままに維持され、第２光学素子５４に入射する。第２光学素子５４は、例えばＸ軸方向に関する焦点距離ｆ２が第１光学素子５３のＸ軸方向に関する焦点距離ｆ１と等しくなっており、第２光学素子５４を経たレーザー光ＲＡ２は、第２回転軸ＡＸ２に平行な別の所定面に沿って進行し、一旦収束するとともに発散し、レーザー光ＲＡ１が走査される角度範囲±２θと同じ角度範囲で走査される。つまり、第２光学素子５４は、第１光学素子５３に入射する前のレーザー光ＲＡ１の角度を復元する。より具体的には、第２光学素子５４は、第２ポリゴンミラー５２の反射面５２ａで反射されたレーザー光ＲＡ２の第２回転軸ＡＸ２（図３参照）に平行な別の所定面に沿った最終的な射出角度を、第１ポリゴンミラー５１の反射面５１ａで反射された光線の第２回転軸ＡＸ２に平行な所定面（ＸＹ面）に沿った元の射出角度に略一致させる。

第１光学素子５３は、シリンドリカルレンズであり、図３に示す断面（ＸＹ断面）を光軸ＡＸに垂直なＺ方向に移動させた軌跡として３次元の外形を有する。第２光学素子５４の第１面及び第２面のＸ軸方向を含む光軸上の断面は、第１光学素子５３の第１面及び第２面のＸ軸方向を含む断面と同じとしている。ただし、第２光学素子５４は、トーリックレンズであり、第１光学素子５３と同様の断面を光軸ＡＸＯ上に設定された或る基準点を通るとともにＸ軸に平行な回転軸（不図示）のまわりに回転させた軌跡として３次元の外形を有する。

以上の説明では、第２光学素子５４のＸ軸方向に関する焦点距離ｆ２が第１光学素子５３のＸ軸方向に関する焦点距離ｆ１に等しいとしたが、焦点距離ｆ２が焦点距離ｆ１と異なるものとすることもできる。この場合、レーザー光ＲＡ２が走査される角度範囲は、レーザー光ＲＡ１が走査される角度範囲±２θと異なるが、係数を掛けた比例的な関係を有するものとなる。つまり、この場合も第２光学素子５４は、第１光学素子５３に入射する前のレーザー光ＲＡ１の角度を比例的に復元する。さらに、第２光学素子５４のＸ軸方向に関する焦点距離ｆ２は、正に限らず負とすることができ、この場合もレーザー光ＲＡ２をＸ方向に発散するように走査することができる。

図５（Ａ）は、図３の光学部２１によるレーザー光ＲＡの走査パターンを射出装置１００側から見た一例を説明する図である。レーザー光ＲＡは、対象領域ＡＲ内において第１ポリゴンミラー５１によってＸ軸方向に対応する角度Θを周期的に所定量（単位走査角度）だけ変化させつつ、第２ポリゴンミラー５２によってＹＺ面内の特定方向に対応する角度Φを周期的に所定量（単位走査角度）だけ変化させた角度方向に離散的に照射される。なお、図示の例では、第１ポリゴンミラー５１による単位走査角度と第２ポリゴンミラー５２による単位走査角度とが略等しいものとなっているが、第１ポリゴンミラー５１による単位走査角度と第２ポリゴンミラー５２による単位走査角度とのいずれか一方を相対的に小さくすることもできる。
図５（Ｂ）は、射出装置１００によるレーザー光ＲＡ（Ｌ１）の走査パターンを受光装置２００側から観測する状況を説明する図である。射出装置１００から射出されるレーザー光Ｌ１によって、天空の立体空間であるレーザー照射領域ＶＡでは、漏れのないレーザー走査が行われる。この結果、受光装置２００では、視野を固定したままで画像を取り込むだけで、射出装置１００からのレーザー光Ｌ１によって照明されたレーザー照射領域ＶＡからの散乱光として検出光Ｌ２を得る。ここで、レーザー照射領域ＶＡの正面（受光装置２００の光軸に垂直な仮想的面）ＳＰ及びこれに平行な奥の面からの検出光Ｌ２は、２次元分布のパターンＰ１として検出され、奥行き方向に配列されたパターンＰ２は同一視線上でパルス状に変化するものとして経時的に検出される。なお、射出装置１００からのレーザー光Ｌ１は、図２に示すレーザー発生装置１１に設けたビームエキスパンダーの調整によって所望の程度に小さな広がりを有するものとでき、パターンＰ１のドット（検出単位）を受光装置２００の解像度と同程度或いはそれ以下とできる。また、レーザー照射領域ＶＡの正面ＳＰ等におけるレーザー光Ｌ１の走査は、図３のＸ軸やＹ軸の方向を調整することで、図５（Ａ）に示す走査パターンの主走査方向の傾きを任意に調整でき、主走査方向を例えば水平方向や鉛直方向とすることができる。つまり、レーザー光Ｌ１の主走査は、図５（Ｂ）のＸ'方向やＹ'方向に一致させることができ、この場合、正面ＳＰ及びこれに平行な奥の面の縦走査線又は横走査線からの散乱光を格子状点として検出しやすくなる。レーザー光Ｌ１の射出に関する２軸の走査面の選び方は、受光装置２００の受光面における画素の受光効率が最大になるように予め幾何学的に決めることになる。

図２に戻って、第１ポリゴンミラー５１に付随して設けられた第１センサー５７は、光源と光検出素子とを一体化したユニットであり、反射面５１ａに検査光を入射させて反射させた反射光を検出することによって、第１ポリゴンミラー５１の回転姿勢に関する情報を検出することができ、第１ポリゴンミラー５１の回転速度や回転の起点を検出するために利用される。第２ポリゴンミラー５２に付随して設けられた第２センサー５８も、第１センサー５７と同様の構造を有し、反射面５２ａに検査光を入射させて反射させた反射光を検出することによって、第２ポリゴンミラー５２の回転姿勢に関する情報を検出することができ、第２ポリゴンミラー５２の回転速度や回転の起点を検出するために利用される。第１及び第２センサー５７，５８の検出出力は、後述する第１及び第２モーター駆動ユニット２３，２４を介してミラー回転制御部２５や主制御部１０１に送信される。

第１モーター駆動ユニット２３は、ミラー回転制御部２５の制御下で動作し、第１駆動部５５に組み込まれたモーターに駆動電圧を供給することによってモーターを一定速度で回転させる。第１駆動部５５には、モーターに付随してエンコーダが組み込まれており、第１駆動部５５に駆動された第１ポリゴンミラー５１の回転角度を示すエンコーダ信号をミラー回転制御部２５に出力する。

第２モーター駆動ユニット２４は、ミラー回転制御部２５の制御下で動作し、第２駆動部５６に組み込まれたモーターに駆動電圧を供給することによってモーターを一定速度で回転させる。第２駆動部５６には、モーターに付随してエンコーダが組み込まれており、第２駆動部５６に駆動された第２ポリゴンミラー５２の回転角度を示すエンコーダ信号をミラー回転制御部２５に出力する。

ミラー回転制御部２５は、ＤＳＰ等の信号処理回路を組み込んだものであり、第１及び第２モーター駆動ユニット２３，２４からのエンコーダ信号に処理を施してフィードバックに利用している。つまり、ミラー回転制御部２５は、第１及び第２ポリゴンミラー５１，５２の回転状態を直接的に監視して回転角度を一定に保っている。

パルス発生装置２７は、主制御部１０１の制御下で走査装置本体２０を動作させるための基準パルスを発生する。パルス発生装置２７からの基準パルスは、ミラー回転制御部２５の動作に利用される。

主制御部１０１は、コンピューター等からなる装置であり、パルス発生装置２７やミラー回転制御部２５を適宜動作させるとともに、第１及び第２モーター駆動ユニット２３，２４を介して第１及び第２ポリゴンミラー５１，５２の回転角度を示すエンコーダ信号を受け取る。主制御部１０１は、第１及び第２ポリゴンミラー５１，５２の回転角度に同期させて、光源装置１０の発振駆動装置１２にレーザーパルス発生用のトリガー信号を出力する。つまり、主制御部１０１は、第１及び第２ポリゴンミラー５１，５２の回転角度に同期させて光源装置１０を動作させることにより、レーザー光ＲＡの２次元的な走査とパルス発生のタイミングとを制御する。なお、主制御部１０１は、外部のネットワークＮＷとの間で通信を可能にする通信部３０を備える。
主制御部１０１は、ＧＰＳ等を利用して射出装置１００の位置座標を取得することができ、この位置情報を通信部３０を介して受光装置２００に送信することができる。

以下、図６等を参照して、図２の射出装置１００と対にして使用される受光装置２００について説明する。受光装置２００は、例えばシュミットカメラ型の観測装置であり、比較的広角の無限遠結像系である撮像光学部６０と、撮像光学部６０によって取得した短パルスの微弱光を増幅する光増幅部７０と、光増幅部７０によって得た画像を高速で検出する検出部８０と、受光装置２００を構成する各部の動作を統括的に制御する走査制御部であり撮像制御部である主制御部２０１とを備える。ここで、撮像光学部６０と光増幅部７０と検出部８０とは、射出装置１００からのレーザー光によって照明された対象物ＯＢからの非後方型の散乱光を広い画角で一括して検出する撮像装置として機能し、検出部８０と主制御部２０１とは、かかる撮像装置を動作させるための撮像駆動部として機能している。

受光装置２００のうち撮像光学部６０は、結像ミラー６１と、補正板６２と、架台装置６３とを備える。撮像光学部６０において、結像ミラー６１は、結像用の反射鏡として、球面、放物面その他の非球面等である反射面６１ａを有し、対象からの光線ＤＬ、すなわち図１に示す受光装置２００に入射する検出光Ｌ２を集光して像形成位置ＩＳ上に観察対象像を形成する。補正板６２は、薄いレンズであり、光入射面及び光射出面の少なくとも一方は、非球面等となっており、結像ミラー６１に入射する光線ＤＬの光路を補正する。補正板６２は、図示のように１枚構成のものに限らず、複数枚の構成とできる。

図７に詳細に示すように、光増幅部７０は、像伝達部７０ａと、イメージインテンシファイアー７０ｂとによって構成される。前者の像伝達部７０ａは、２次元的に広がる像形成位置ＩＳ上に形成された像をイメージインテンシファイアー７０ｂの光学窓に導く役割を有するとともに、後述する光学フィルター７４によって対象物からの光線ＤＬを特定の波長域の計測光に制限することができる。

像伝達部７０ａは、光透過基板７１と、レンズアレイ７２と、光ガイドアレイ７３と、光学フィルター７４とを備える。像伝達部７０ａを構成する光透過基板７１、レンズアレイ７２、光ガイドアレイ７３等の部分は、光軸ＯＡに垂直な面に沿って配置される枠状の支持体７５ａ，７５ｂに支持されて一体的に固定されている。ここで、支持体７５ｂは、後述する入力部７６の一部でもある。

像伝達部７０ａのうち光透過基板７１は、湾曲した薄い球殻状の部材である。光透過基板７１の外側は、凸の球面であり、像形成位置ＩＳに対応する入射面７１ａとなっている。光透過基板７１の内側は、レンズアレイ７２を球殻状又はドーム状に配列した状態で支持している。レンズアレイ７２を構成するレンズ要素７２ｅは、これを通過する光線の射出角を入射角よりも減少させる役割を有し、射出ＮＡを入射ＮＡよりも減少させ平行光に近づけることで、開口数を減少させる開口数変換を行う。これにより、次段の光学フィルター７４に入射させる光線光の入射角を小さくすることができる。光ガイドアレイ７３は、レンズアレイ７２に対向して配置され、多数の細長い光ガイド要素７３ｅを束ねた構造を有する。これらの光ガイド要素７３ｅは、レンズアレイ７２を構成する多数のレンズ要素７２ｅに対応して１対１で配置されている。光ガイドアレイ７３の射出面７３ｂは、イメージインテンシファイアー７０ｂの入力部７６に対向しており、全体として凹の球状面を形成している。
なお、レンズアレイ７２のレンズ要素７２ｅと、光ガイドアレイ７３の光ガイド要素７３ｅとの対については、予め計画されて射出されるレーザー光の光線の方向に整合するように整列させ、より光の収集効率を上げるように配置することが可能である。その場合、射出されたレーザー光に対する感度が全体として最大となるように最適な位置に受光装置２００の向きとともに整列させることで収集効率の向上が比較的容易に実現される。

光学フィルター７４は、レンズアレイ７２と光ガイドアレイ７３との間に形成された薄い空隙ＧＡに挿入されるように配置されている。光学フィルター７４は、所定波長の光を選択的に透過させるものであり、例えば特定の紫外光や赤外光を狭帯域で通過させるバンドパスフィルターである。光学フィルター７４は、例えば波長特性が異なる３つの領域に区画されており、自転等によって３つの領域のレンズアレイ７２に対する配置を変更することができる。これにより、異なる波長帯域の像を多少の時間差をもって並列的に検出することができる。なお、光学フィルター７４は、別タイプの光学フィルターに交換することもできる。

光増幅部７０のうち後者のイメージインテンシファイアー７０ｂは、結像ミラー６１によって結像され像伝達部７０ａによって伝達された微弱な画像を増幅する。イメージインテンシファイアー７０ｂは、結像光を光電変換するための入力部７６と、光電変換後の電子を収束させる静電収束系７７と、収束状態で入射した電子を光に変換して像を形成する出力部７８とを有する。ここで、入力部７６と静電収束系７７とは、散乱光を検出するための光電撮像管となっている。イメージインテンシファイアー７０ｂの入力部７６は、金属製の容器本体７９の開放側の一端に固定されている。入力部７６は、例えば外側が平面で内側が凹曲面であるファイバーオプティックプレートである光学窓７６ａを有しており、光学窓７６ａの内側には所定の特性を有する光電変換物質の蒸着によって光電変換面７６ｃが形成されている。静電収束系７７は、容器本体７９の側壁内面に支持されている。静電収束系７７は、複数の電子収束用の電極部分７７ａ〜７７ｄを有している。出力部７８は、容器本体７９の底部に固定されている。出力部７８は、例えばファイバーオプティックプレート７８ａで形成され、入射面７８ｂには、所定の特性を有する蛍光体が塗布されている。ファイバーオプティックプレート７８ａの入射面７８ｂは、静電収束系７７の結像面の位置に配置されており、静電収束系７７の結像面と一致するような面形状を有している。このファイバーオプティックプレート７８ａの前段にマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）を配置することもできる。この場合、ＭＣＰによって入射電子を増倍し、ファイバーオプティックプレート７８ａによって増倍された電子に対応する蛍光像が形成される。
なお、出力面を蛍光面が付着したファイバーオプティックプレートの代わりに半導体画素検出器を配置して直接電子の入射を検出し、画素ごとの電流出力信号を読み出す方式もある。その場合、後述するリレー光学系８１やトリガーセンサー（粗像検出部８３等）は省略され、トリガー判定回路と読み出し用のセンサーとが一体となった構成となる。

検出部８０は、光増幅部７０のイメージインテンシファイアー７０ｂによって増幅された画像を電気的な信号として検出する。検出部８０は、リレー光学系８１と、精細像検出部８２と、粗像検出部８３と、駆動回路８４とを備える。リレー光学系８１は、光軸ＯＡに沿った光路上流側に配置されるディストリビューター８１ａと、ディストリビューター８１ａよりも光路下流側に配置される本体光学系８１ｂと、ディストリビューター８１ａによって分岐されたトリガー光を検出する分岐光路部８１ｃとを備える。リレー光学系８１のうちディストリビューター８１ａは、ビームスプリッターである。

図８に示すように、検出部８０のリレー光学系８１は、イメージインテンシファイアー７０ｂに設けた出力部７８の出力面７８ｃの像を、精細像検出部８２の撮像面８２ｉ上に略等倍で投射する。リレー光学系８１は、出力部７８の出力面７８ｃ側すなわち物体側でテレセントリックであり、精細像検出部８２の撮像面８２ｉ側すなわち像側で非テレセントリック又はテレセントリックである。

ディストリビューター８１ａは、一種のハーフミラーであるビームスプリットミラーＳＭを内蔵するプリズムである。ディストリビューター８１ａは、イメージインテンシファイアー７０ｂの出力面７８ｃにおける蛍光像を所定強度の２つの蛍光像すなわち第１及び第２蛍光像に分配する。ディストリビューター８１ａのビームスプリットミラーＳＭを透過して直進する第１蛍光像の光束は、第１光路ＯＰ１に導かれ、本体光学系８１ｂを通過して固体撮像素子８２ａの撮像面８２ｉに入射する。ディストリビューター８１ａのビームスプリットミラーＳＭで反射されて折り曲げられた第２蛍光像の光束は、第２光路ＯＰ２に導かれ、光電撮像管からなる粗像検出部８３の撮像面８３ｉに入射する。ディストリビューター８１ａは、ビームスプリットミラーＳＭを透過する光の強度と、透過されずに反射される光の強度とが、所定の比率（α（透過率）／β（反射率））となるように設定されている。具体的には、ディストリビューター８１ａ自身の吸収による透過率の低下を考慮しない場合、例えば透過率α＝７０％、反射率β＝３０％に設定されている。α／βの比ついては、任意に設定することができるが、精細像検出部８２の撮像面８２ｉに入射する第１蛍光像の光束の光量を多くする観点で、１よりも大きくすることが一般に望ましい。

なお、本体光学系８１ｂは、複数のレンズで構成される投射レンズであり、リレー光学系８１の投射機能を担っている。

分岐光路部８１ｃは、イメージインテンシファイアー７０ｂの出力面７８ｃの像を、粗像検出部８３の撮像面８３ｉ上に略等倍で投射する。分岐光路部８１ｃは、明るさを最も重視しており、物体側にも像側にも非テレセントリックである。なお、ディストリビューター８１ａは、分岐光路部８１ｃの一部にもなっている。

精細像検出部８２は、例えばＣＭＯＳ型撮像素子である固体撮像素子８２ａと、固体撮像素子８２ａに撮像動作を行わせる駆動回路８２ｂとを有し、駆動回路８４の位置／タイミング制御回路８４ｂから出力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子８２ａに撮像動作を行わせることができる。固体撮像素子８２ａは、撮像面８２ｉを有しており、撮像面８２ｉを格子状に分割するように、ｙ方向にｍ（例えば１２）行で、ｘ方向にｎ（例えば１２）列で、全体としてｍ行×ｎ列＝Ａ（例えば１４４）チャンネルの局所領域ＡＲ１を有する。各局所領域ＡＲ１は、単独でＣＭＯＳ型撮像素子として機能し、２次元的な画像検出がそれぞれ可能になっている。各局所領域ＡＲ１は、個別の異なるタイミングで撮像動作を行うことができ、上記位置／タイミング制御回路８４ｂから出力される個別のタイミング信号に基づいて独立して撮像動作を行う。つまり、出力部７８の出力面７８ｃは、本体光学系８１ｂを介して固体撮像素子８２ａの撮像面８２ｉの共役位置に配置されており、撮像面８２ｉを構成する局所領域ＡＲ１によって、仮想的にｍ行×ｎ列＝Ａチャンネルに区分して個別に観察可能になっている。

粗像検出部８３は、マルチアノードフォトマルチプライヤを備える光電撮像管であり、その撮像面８３ｉは、ｙ方向にｍ（例えば１２）行で、ｘ方向にｎ（例えば１２）列で、全体としてｍ行×ｎ列＝Ａ（例えば１４４）チャンネルの区分領域ＡＲ２を有する。つまり、粗像検出部８３は、Ａチャンネルの区分領域ＡＲ２に対応してメッシュダイノードを有し、第２蛍光像が所定以上の強度で入力されたダイノードのアノードからのみ、撮像面８３ｉ上の第２蛍光像を光電変換して得られた電流が出力される。なお、撮像面８３ｉ上に第２蛍光像の光束が入射して電流が出力されるまでに要する時間は、１ナノ秒程度である。粗像検出部８３は、各アノードから出力された電流に基づいて、いずれの区分領域ＡＲ２に第２蛍光像の光束が入射したかを、その現出タイミングとともに特定できるようになっている。つまり、イメージインテンシファイアー７０ｂの出力面７８ｃは、粗像検出部８３の撮像面８３ｉを構成する区分領域ＡＲ２によって、仮想的にｍ行×ｎ列＝Ａチャンネルに区分されて個別に監視可能になっている。なお、このような区分領域ＡＲ２に対応するイメージインテンシファイアー７０ｂの出力面７８ｃ上の仮想的な区分領域は、精細像検出部８２の局所領域ＡＲ１にも対応するものとなっている。ここで、上記出力面７８ｃのうち微弱な事象が現出した区分領域を現出領域と呼ぶものとする。

駆動回路８４は、粗像検出部８３の検出信号に基づいて動作する論理回路部８４ａと、論理回路部８４ａの出力に基づいて動作する位置／タイミング制御回路８４ｂとを備える。なお、駆動回路８４は、リレー光学系８１の分岐光路部８１ｃと協働することにより、トリガー部８８として機能する。このトリガー部８８は、リレー光学系８１のディストリビューター８１ａで分配された第２蛍光像の光束を監視して、精細像検出部８２の固体撮像素子８２ａによる第１蛍光像の撮影を適切なものとする。

論理回路部８４ａは、例えば波高弁別器を備えており、粗像検出部８３の各アノードから出力される電流が所定の閾値を超えたか否か、すなわち微弱な検出光Ｌ２又は光線ＤＬの現出タイミングを例えば２値的な情報として検出する。具体的には、論理回路部８４ａは、粗像検出部８３を構成する任意の行のアノードから出力される電流と、任意の列のアノードから出力される電流とをスレショルドしており、粗像検出部８３によって検出した第２蛍光像を、ｘ方向（ｍ行）とｙ方向（ｎ列）とのそれぞれに関する位置情報及びタイミング情報に変換する。つまり、粗像検出部８３の特定の区分領域ＡＲ２に第２蛍光像の光束が入射した場合、論理回路部８４ａは、その時間、位置等に関する情報を出力することにより、イメージインテンシファイアー７０ｂによって検出した微弱な検出光Ｌ２又は光線ＤＬの入射について、この検出光Ｌ２が入射している時間、位置、移動方向等を求めることを可能にする。

位置／タイミング制御回路８４ｂは、例えばフィルター、遅延回路等を備えており、論理回路部８４ａから出力された情報、すなわち微弱な検出光Ｌ２又は光線ＤＬの入射に関する位置情報及びタイミング情報に基づいて精細像検出部８２を動作させる。具体的には、粗像検出部８３の区分領域ＡＲ２と、精細像検出部８２の局所領域ＡＲ１との相関がとられており、位置／タイミング制御回路８４ｂは、区分領域ＡＲ２のうち第２蛍光像が検出された現出領域に対応する固体撮像素子８２ａの局所領域ＡＲ１等において選択的に同期して第１蛍光像の撮像を行わせるべく、精細像検出部８２の駆動回路８２ｂに駆動信号を出力する。つまり、粗像検出部８３によって検出された微弱な検出光Ｌ２又は光線ＤＬが入射している時間、位置、移動方向等に応じて、精細像検出部８２による撮像動作を必要最小限に制限することができるので、イメージインテンシファイアー７０ｂの出力から高速で微弱な事象のみを抽出して高いＳ／Ｎ比で撮像することを可能にする。この際、位置／タイミング制御回路８４ｂは、粗像検出部８３の出力に基づいて、固体撮像素子８２ａによる撮像の露光時間を調整することもできる。

図６に戻って、架台装置６３は、架台駆動部６３ｂを内蔵しており、結像ミラー６１及び補正板６２からなる結像光学系と、光増幅部７０と、検出部８０とを一体として特定方向に向けることができる。架台装置６３は、主制御部２０１の制御下で動作しており、結像ミラー６１の光軸ＯＡの方位角ζ及び仰角ηに関する方向情報を主制御部２０１に出力する。なお、主制御部２０１は、外部のネットワークＮＷとの間で通信を可能にする通信部９０を備える。

図９は、受光装置２００の主制御部２０１の演算処理部としての構造を概念的に説明するブロック図である。主制御部２０１は、コンピューター等からなる装置であるが、内蔵するソフトウエアにより、位置計測部４ａ、方位換算部４ｂ、光路算出部４ｃ、係数空間テーブル４ｄ、係数評価部４ｅ、記憶部４ｆ、演算処理部４ｑ等として機能する。位置計測部４ａは、ＧＰＳ等を利用して受光装置２００の位置座標を取得する。方位換算部４ｂは、架台装置６３からの光軸ＯＡの方向情報に基づいて検出画像中の特定画素に対応する視線方向又は指向方向（方位角ζｊ、仰角ηｊ）を算出する。光路算出部４ｃは、方位換算部４ｂによって得た指向方向から上空大気中の光路を算定する。係数空間テーブル４ｄは、上空大気の消散係数等の３次元的な分布の初期値や計算結果を保管する。係数評価部４ｅは、精細像検出部８２による検出画像中の特定画素の輝度に基づいて消散係数等の計算値を評価する。演算処理部４ｑは、処理に必要な各種データを保管する記憶部４ｆを参照しつつ、精細像検出部８２、方位換算部４ｂ、光路算出部４ｃ等からの出力に基づいて既定の演算を行い大気中のエアロゾルの状態を可視化して表示する。

以下、図１０を参照して、計測システム１０００による大気中のエアロゾルの状態監視方法の一例を説明する。
まず、射出装置１００によって照明された特定点ＯＢｊからの散乱光を受光装置２００によって観測した場合を考える。この場合、受信光強度は、射出装置１００から特定点ＯＢｊまでの経路Ｒｊ１での透過率Ｔｊ１と、特定点ＯＢｊから受光装置２００までの経路Ｒｊ２での透過率Ｔｊ２と、特定点ＯＢｊに存在するエアロゾル等の物質による散乱係数ＳＣｊ（κ）とに依存するものとなっている。ここで、散乱係数ＳＣｊ（κ）は、散乱角κの関数である。経路Ｒｊ１の長さＬＧ１や経路Ｒ２の長さＬＧ２は、射出装置１００及び受光装置２００の位置に関する座標データと、観察されている指向方向の方位角ζｊ及び仰角ηｊとから幾何学的に算出され、散乱角κｊも同様に算出される。
大気の散乱係数ＳＣの３次元分布が既知である場合、或いは大気の散乱係数ＳＣの３次元分布を仮定する場合、特定点ＯＢｊにおける散乱係数ＳＣｊは当然のことながら、その前後の経路Ｒｊ１，Ｒｊ２の透過率Ｔｊ１，Ｔｊ２も計算することができる。
ここで、仮に特定の指向方向又は視線方向に限定した状態で、受光装置２００から離れるようにレーザー光Ｌ１が走査されるものとすると、観察されている指向方向において遠ざかるような一群の時系列的な受信光強度Ｐが得られる。いずれか１つの特定点ＯＢｊの散乱係数ＳＣｊが分かっているとすれば、以下の差分ｅ

もしくは、特定点ＯＢｊの受信光強度Ｐ_obs ^jと特定点ＯＢｊに隣接する次の点ＯＢｊ+１の受信光強度Ｐ_obs ^j+1とを用いてこれらの比Ｐ_obs ^j+1／Ｐ_obs ^jを計算する場合、同様の差分ｅ

のいずれかを最小とするようにして、特定点ＯＢｊの散乱係数ＳＣｊ（κ）から次の点ＯＢｊ+１の散乱係数ＳＣｊ+１を決定することができる。例えば、受光装置２００に最も近い点ＯＢ１の散乱係数ＳＣ１が所定の初期情報として既知であるとすれば、上記特定の指向方向又は視線方向に沿った散乱係数ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３，…を順次計算（逆解析）することができる。さらに、特定点ＯＢｊと射出装置１００と受光装置２００とを含む観測断面内で仰角を変えつつ同様の逆解析処理等を行うことで、この観測断面内における散乱係数ＳＣの２次元的な分布を得ることができる。上記所定の初期情報は、例えば地上近傍用の別タイプのエアロゾル計測装置の計測結果を利用することができる。以上の手法と同様に、観測断面を変化させつつ同様の逆解析処理等を行うことで、散乱係数ＳＣの３次元的な分布を決定することもできる。以上において、得られた散乱係数ＳＣに基づいて透過率Ｔを修正しつつ再計算を行うことで、計測の信頼性を高めることができる。なお、以上の計算では、散乱係数ＳＣの空間分布の初期値を仮定しているが、計算の便宜上は、大気空間を小セルに分割して各セルに散乱係数ＳＣを当てはめることが行われる。散乱係数ＳＣを当てはめる空間の分割数は、計測システム１０００の用途や仕様に応じて適宜設定することができる。一般的には、空間の分割数が多いほど計測を精密にでき、空間の分割数が少ないほど収束値を得るまでの時間すなわち処理時間を短くできる。受光装置２００による画像取り込みの分解能や射出装置１００によるレーザー光の走査密度は、散乱係数ＳＣに関する空間分割数に対応する値よりも高くできる。この場合、レーザー走査の幾何学的な自由度が増える。一方、受光装置２００による画像取り込みの分解能は、散乱係数ＳＣに関する空間分割数に対応する値程度とすることもできる。この場合、幾何学的な配置を整合させることができ、低コストで迅速な処理が可能になる。

計測システム１０００としてエアロゾル等の状態を監視するため、受光装置２００の主制御部２０１は、位置計測部４ａとして通信部９０を利用して射出装置１００からその位置座標等に関する情報を取得する。主制御部２０１は、射出装置１００からのレーザー光Ｌ１の走査パターン、走査角度範囲、走査の基準方位等に関する情報も取得する。主制御部２０１は、方位換算部４ｂ及び光路算出部４ｃとして、走査されたレーザー光Ｌ１の指向方向（方位角ζｊ、仰角ηｊ）に基づいて光路を算定し、係数評価部４ｅとして以上で説明した逆解析によって係数空間テーブル４ｄを参照しつつ光路に沿った消散係数又は散乱係数を決定し、結果を記憶部４ｆに保管する。主制御部２０１は、以上の手法で計算された上空大気の消散係数又はエアロゾル濃度の空間的な分布を３次元的に可視化して表示することができる。計測システム１０００による計測を数秒から数分間隔で繰り返すことにより、上空大気の消散係数又はエアロゾル濃度の空間的な分布を略リアルタイムで表示し、その変動を画像的に保管することができる。

以下、具体的な実施例について説明する。エアロゾルの計測用として、射出装置１００から射出される照明用のレーザー光Ｌ１の波長を３５５ｎｍ、２６６ｎｍ等とし、最大周波数を１００ｋＨｚ（３００μＪ／パルス）とした。なお、エアロゾルの場合、信号検出用として波長２６６ｎｍを使用した場合、３５５ｎｍをバックグラウンド検出用として用いることができる。また、オゾンの計測用として、射出装置１００から射出される照明用のレーザー光Ｌ１の波長を３０８ｎｍ等とし、最大周波数を１００ｋＨｚ（２５０μＪ／パルス）とした。雲底用として、射出装置１００から射出される照明用のレーザー光Ｌ１の波長を７８５ｎｍ等とした。照明用のレーザー光Ｌ１の照射に際しては、例えばポリゴンミラーによる走査角を８０°×８０°とし、２００×２００点／秒で走査を行い、走査精度を５分角とした。受光装置２００は、可搬型と固定広域型とを作製した。可搬型の場合、視野角４２°であり、精度０．０２°で指向方向又は視線方向を検出でき、固定広域型の場合、視野角２５．６°であり、精度０．４°で指向方向又は視線方向を検出できる。

以上で説明した計測システム１０００によれば、パルス状のレーザー光Ｌ１によって照明された対象物ＯＢからの非後方型の散乱光を１次元以上の走査で一括して検出するので、広域に亘る対象物ＯＢの状態を一括して検出することができる。この際、撮像駆動部としての駆動回路８４及び主制御部２０１がトリガー部８８に同期して精細像検出部８２に画像の取り込みを行わせるので、パルス状のレーザー光に応じた対象物ＯＢからの散乱光を選択的に検出して強度情報を得ることができ、画像上の位置から対象物ＯＢの方位情報（例えば、方位角、仰角等）も得ることができる。これにより、例えば大気中のエアロゾルの密度分布その他に関する各種情報を簡易に比較的高い信頼性で得ることができる。これにより、局所的な施設上空の大気状態、隣国からの大気汚染流入、都市域の大気汚染動向等の監視が可能になり、これらの網羅的監視が行える３次元リアルタイム撮像ライダー（３Ｄ−ＲＴＩＬ）を実用化することができる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態では、射出装置１００において走査装置本体２０がポリゴンミラー５１，５２からなるが、ポリゴンミラー５１，５２に代えてガルバノミラーを用いることもでき、光学素子５３，５４を省略することもできる。さらに、走査装置本体２０のよる走査パターンも図５（Ａ）に例示するものに限らず、目的や対象に応じて様々なパターンとできる。

上記実施形態の受光装置２００は、例示であり、例えば受光装置２００において光増幅部７０の像伝達部７０ａを省略することができる。

上記実施形態では、リレー光学系８１に付随するディストリビューター８１ａをトリガー部８８の一部として用いているが、リレー光学系８１に付随するディストリビューター８１ａに代えて別の手法（例えばイメージインテンシファイアー７０ｂに設けたトリガー部）を用いることもできる。

上記実施形態では、イメージインテンシファイアー７０ｂの出力部７８にファイバーオプティックプレート７８ａを設けているが、ファイバーオプティックプレート７８ａを省略して固体撮像素子８２ａによって直接的に電子線像を検出することができる。

上記実施形態では、受光装置２００において区分領域ＡＲ２単位でトリガー信号の検出を行っているが、画素単位でトリガー信号の検出を行うこともできる。

上記実施形態では、大気中のエアロゾル、オゾン等の濃度分布を計測したが、その他の因子による散乱を想定して大気その他の対象の状態を計測することもできる。例えば、航空管制用の雲底計測や乱流監視などを広域かつ高精度でリアルタイム化する応用が考えられる。

上記実施形態では、計測システム１０００が一対の射出装置１００と受光装置２００とを備えるとしたが、複数対の射出装置１００と受光装置２００とを例えば格子状又はアレイ状に配列することによって計測システム１０００を構成するならば、広域で大気状態等の観測又は計測が可能になる。さらに、射出装置１００及び受光装置２００からなる多数の対を通信ネットワークで接続することにより、さらに広域の大気状態等を一括してリアルタイムで計測及び記録することができる。これにより、数１００ｍ〜数１０００ｋｍに亘る様々なレンジでの網羅的監視が実現され得る。

４ａ…位置計測部、４ｂ…方位換算部、４ｃ…光路算出部、４ｄ…係数空間テーブル、４ｄ…係数空間テーブル、４ｅ…係数評価部、４ｅ…係数評価部、４ｆ…記憶部、４ｑ…演算処理部、１０…光源装置、２０…走査装置本体、２１…光学部、２３，２４…モーター駆動ユニット、２５…ミラー回転制御部、２７…パルス発生装置、５１…ポリゴンミラー、５１…リレー光学系、５１，５２…ポリゴンミラー、５３，５４…光学素子、５７，５８…センサー、６０…撮像光学部、６１…結像ミラー、６３…架台装置、７０…光増幅部、７０ａ…像伝達部、７０ｂ…イメージインテンシファイアー、７２…レンズアレイ、７３…光ガイドアレイ、７４…光学フィルター、７６ｃ…光電変換面、７７…静電収束系、７８…出力部、７８ａ…ファイバーオプティックプレート、８０…検出部、８１…リレー光学系、８１ａ…ディストリビューター、８２…精細像検出部、８２ａ…固体撮像素子、８３…粗像検出部、８４…駆動回路、８４ａ…論理回路部、８４ｂ…タイミング制御回路、８８…トリガー部、１００…射出装置、１０１…主制御部、２００…受光装置、２０１…主制御部、１０００…計測システム、ＡＸ…光軸、ＡＸ１…回転軸、ＡＸ２…回転軸、Ｌ１…レーザー光、Ｌ２…検出光、ＯＡ…光軸、ＯＢ…対象物

Claims

パルス状のレーザー光を射出するとともに、レーザー光の射出方向を少なくとも１次元以上の走査で変化させる照明部と、
前記照明部を動作させる照明駆動部と、
前記照明部によって射出方向が変化するレーザー光によって照明された対象からの非後方型の散乱光を所定以上の画角で一括して検出する撮像装置と、
前記撮像装置に付随するトリガー部に同期して前記撮像装置に画像の取り込みを行わせる撮像駆動部と
を備える計測システム。
前記撮像装置に取り込まれた画像信号に基づいて、散乱係数の２次元以上の分布を決定する演算処理部をさらに備える、請求項１に記載の計測システム。
前記演算処理部は、所定の初期情報からの逆解析によって散乱係数の分布を算出する、請求項２に記載の計測システム。
前記照明部は、直交する第１及び第２回転軸のまわりにそれぞれ回転する第１及び第２ポリゴンミラーと、前記第１ポリゴンミラーの光射出側に配置されて前記第２ポリゴンミラーの反射面に入射する光線の角度範囲を減少させる第１光学素子と、前記第２ポリゴンミラーの光射出側に配置されて前記第１光学素子に入射する前の光線の角度を比例的に復元する第２光学素子とを有する光走査部を備える、請求項１から３までのいずれか一項に記載の計測システム。
前記第１光学素子は、前記第２ポリゴンミラーの反射面に入射する光線の前記第２回転軸に平行な所定面に沿った入射角度を、互いに略一致させ、
前記第２光学素子は、前記第２ポリゴンミラーの反射面で反射された光線の前記第２回転軸に平行な別の所定面に沿った射出角度を、前記第１ポリゴンミラーの反射面で反射された光線の前記第２回転軸に平行な前記所定面に沿った射出角度に略一致させる、請求項４に記載の計測システム。
前記撮像装置は、散乱光を含む像を検出する光電撮像管を有し、
前記トリガー部は、前記光電撮像管に付随して設けられ、前記撮像装置から信号を取り出すタイミングを設定する、請求項１から５までのいずれか一項に記載の計測システム。
前記撮像装置は、前記光電撮像管の出力を検出するＣＣＤ型撮像素子及びＣＭＯＳ型撮像素子のいずれか一方である固体撮像素子を含み、前記トリガー部から出力されるタイミング信号に基づいて前記固体撮像素子を動作させる、請求項６に記載の計測システム。