JP3881629B2 - 入射光の二次元位置検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光の二次元位置を求める入射光の二次元位置検出装置に係り、特に宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に生ずる発光現象の光のような、微弱な入射光の二次元位置を検出するのに好適な入射光の二次元位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙線望遠鏡は、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に発光する発光現象を撮像できる装置として知られている。この宇宙線望遠鏡は、宇宙線による発光現象を光学的に超高速撮像する装置であって、その撮像した情報から宇宙線の到来方向、エネルギー、粒子の種類など物理的特性を決定することができる。この宇宙線望遠鏡は、宇宙線事象を長期間同時に全天監視する装置である。
【０００３】
ここで、宇宙線とは、光速に近い速さで宇宙空間を飛来する陽子やガンマ線などの高エネルギー放射線のことをいう。また、前記発光現象には、大気蛍光と、大気チェレンコフ光との二種類ある。大気蛍光は、宇宙線から発達した二次生成粒子(空気シャワー)の荷電粒子が大気分子を励起することにより放出される光である。この大気蛍光は、発光点から等方的に放射され、発光持続時間が約１μ秒程度である。一方、チェレンコフ光は、荷電粒子が大気中を光速度（この場合、真空中の光速度／大気の屈折率）より早く進んだときに発生する光である。これは進行方向に鋭い指向性をもち、発光時間が１０〜数１０ｎ秒である。
【０００４】
このような発光現象を撮像できる宇宙線望遠鏡は、蛍光面を備えた大口径の入射部を持ち、この入射部の後方側に設けたピクセルディテクタと、ＣＣＤカメラとを有し、入射部からの光をビームスプリッタによって前記ピクセルディテクタとＣＣＤカメラとの方向に分割し、ピクセルディテクタで得たトリガによるゲート信号でＣＣＤカメラのシャッタを駆動するようにしている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
図７は、上記従来の宇宙線望遠鏡の構成例を示す概略説明図である。この図７において、宇宙線望遠鏡１００は、大別すると、球面鏡１０２と、光伝送路１０４と、光電変換部１０６と、電子増幅部１０８と、蛍光面１１０と、二次元位置検出装置１１２と、シャッタ手段１１４と、ＣＣＤカメラからなる撮像装置１１６と、ビームスプリッタ１１８とを備え、前記宇宙線などによる発光現象を撮影できる装置である。
【０００６】
ここで、前記球面鏡１０２は、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に発光する発光現象による光を集めて、光伝送路１０４に供給する。前記光伝送路１０４は、前記光を光電変換部１０６に導くものである。前記光電変換部１０６は、前記光伝送路１０４によって導かれて入射した光の位置において電子を放出する部材である。前記電子増幅部１０８は、前記光電変換部１０６に対面配置され、前記光電変換部１０６から放出された電子を増幅するマイクロチャンネルプレートによって構成したものである。前記蛍光面１１０は、前記電子増幅部１０８のマイクロチャンネルプレートから入射した電子の位置に応じて、当該位置で発光する面をもったものである。
【０００７】
前記ビームスプリッタ１１８は、前記蛍光面１１０の光の一部を二次元位置検出装置１１２に、残りの光を前記撮像装置１１６側に導くものである。前記二次元位置検出装置１１２は、前記蛍光面１１０を監視して前記蛍光面１１０の発光位置に応じて、位置情報の信号とトリガ信号とを形成する装置であって、後述する二次元検出器１１２ａと、波高弁別回路１１２ｂとから構成されている。前記シャッタ手段１１４は、二次元位置検出装置１１２からのトリガ信号により開放駆動されるものである。また、前記撮像装置１１６は、撮像部が複数に分割してある。そして、シャッタ手段１１４は、撮像装置１１６の分割された撮像部に対応して開閉部（シャッタ）が設けられ、二次元位置検出装置１１２の出力する位置情報に対応した開閉部が開放される。撮像装置１１６は、シャッタ手段１１４が開放した位置に対応した蛍光面１１０を撮像する。
【０００８】
前記二次元位置検出装置１１２の二次元検出器１１２ａとしては、複数のアノードを持つ光電子増倍管（Photo Multiplier Tube：ＰＭＴ）が用いられていた。また、波高弁別回路１１２ｂは、二次元検出器１１２ａである光電子増倍管（ＰＭＴ）で検出した検出信号を基に、シャッタ手段１１４の駆動制御部に開放する開閉部の位置情報と駆動トリガ信号とを与える。
宇宙線望遠鏡１００は、このように構成してあるので、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際の発光に同期して、発光現象を撮像することができ、宇宙線の通過軌跡などを得ることができる。
【０００９】
【非特許文献１】
東京大学宇宙線研究所、佐々木真人著、“１分角精度・広視野宇宙線望遠鏡”、特に第５頁および第９頁、２００２年３月８日、「高エネルギー宇宙の総合的理解」研究会、［平成１５年２月２０日検索］、インターネット＜http://taws300.icrr.u-tokyo.ac.jp/workshop2002/pdf/M Sasaki2.pdf＞。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の宇宙線望遠鏡１００に用いられる二次元検出器１１２ａは、４×４の１６個のアノードを有するのみであって、入射光に対する二次元位置の検出精度が悪く、球面鏡１０２に入射した光の位置精度が充分でなく、宇宙線の通過軌跡や大気蛍光の発光位置の検出精度が低下する。すなわち、撮像装置１１６は、撮像面が１２８×１２８個に分割してあり、これらに対応してシャッタ手段１１４に開閉部が設けてある。しかし、従来の二次元検出器１１２ａは、４×４個のアノードを有するのみであり、いずれかのアノードに光が入射したときに、これに対応したシャッタ手段１１４の開閉部を駆動するようになっている。したがって、撮像装置１１６の分解能が低下し、宇宙線の詳細な解析を困難にする。そして、二次元検出器１１２ａのアノード数を増加させた場合、各アノードに対応して検出信号を順次読み出すようになるため、二次元検出器１１２ａへの光の入射位置を求めるのに多くの時間を必要とし、時間分解能が損なわれて検出精度が低下する。
本発明は、上述した欠点を解消し、時間分解能に優れ、高い位置検出精度を得られるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る入射光の二次元位置検出装置は、入射した光を第１の方向に反射する複数の第１ミラー素子と、これら第１ミラー素子と交互に配置されて前記光を第２の方向に反射する複数の第２ミラー素子とがマトリックス状に配置してあるミラーアレイと、前記第１ミラー素子が反射した前記光が入射し、前記光の入射位置に基づいて、前記ミラーアレイの前記第１ミラー素子の行方向または列方向の反射位置情報を出力する第１検出器と、前記第２ミラー素子が反射した前記光が入射し、前記光の入射位置に基づいて、前記ミラーアレイの前記第２ミラー素子の列方向または行方向の反射位置情報を出力する第２検出器と、この第２検出器と前記第１検出器との出力信号に基づいて、前記ミラーアレイにおける前記光の入射位置を求める位置特定回路と、を有することを特徴としている。
【００１２】
このようになっている本発明は、光をミラーアレイに入射させて２つの方向に反射し、それぞれの方向に設けた第１検出器と第２検出器とによって、ミラーアレイを構成しているミラー素子の行方向または列方向の反射位置を求めるようにしているため、光の入射位置を求める時間を大幅に短縮できて高い時間分解能が得られるとともに、ミラー素子の数を多くすることにより、位置検出精度を向上することができる。
【００１３】
前記第１検出器と前記第２検出器とは、前記光の入射によって電子を放出する変換部と、この変換部に対面して一方向に並列配置され、前記光の入射位置において放出された電子が入射する複数の電子検出電極とを有し、前記第１検出器と前記第２検出器とは、それぞれの前記電子検出電極の配列方向が交差するように配置する。これにより、各検出器の構造を簡素にできるとともに、光を反射してミラー素子の行方向の位置と列方向の位置とを容易に求めることができる。
【００１４】
また、前記第１検出器の前記電子検出電極は、前記第１ミラー素子の行または列に対応して設け、前記第２検出器の前記電子検出電極は、前記第２ミラー素子の列または行に対応して設けることが望ましい。これにより、どのミラー素子が入射光を反射したか、すなわち光の入射位置を容易、確実に求めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る入射光の二次元位置検出装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る入射光の二次元位置検出装置を備えた宇宙線望遠鏡の概略説明図である。この図１において、本発明に係る宇宙線望遠鏡１は、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に発光する発光現象による光３をとらえる球面鏡２と、前記球面鏡２からの光３を伝送する光伝送路４と、光伝送路４によって導かれた光３が入射する光検出ユニット５とを有する。
【００１６】
光検出ユニット５は、光３の入射によって電子を放出する光電変換部６と、前記光電変換部６に対面配置され、光電変換部６が放出した電子を増幅するマイクロチャンネルプレートからなる電子増幅部８とを有する。また、光検出ユニット５は、前記電子増幅部８が放出した増幅電子が入射し、入射した増幅電子の位置において発光する蛍光面１０と、蛍光面１０から放射した光が入射し、トリガ信号を生成する二次元位置検出装置１２と、前記二次元位置検出装置１２からのトリガ信号により開放されるシャッタ手段１４と、シャッタ手段１４の後方側に配置したＣＣＤカメラからなる撮像装置１６とを備えている。さらに、光検出ユニット５は、蛍光面１０からの光を前記二次元位置検出装置１２と撮像装置１６とに分割するビームスプリッタ１８を備えている。
【００１７】
なお、撮像装置１６は、撮像面が例えば１２８×１２８個の撮像領域に分割してある。そして、シャッタ手段１４は、撮像装置１６の各撮像領域に対応して１２８×１２８個のシャッタが設けられ、これらのシャッタが図示しないシャッタ駆動制御部により相互に独立して開閉される。
【００１８】
実施形態に係る二次元位置検出装置１２は、詳細は後述するが、ビームスプリッタ１８からの光から二種類の検出信号（直交するＸ軸方向の検出信号とＹ軸方向の検出信号）を得る二次元検出器１２ａと、二次元検出器１２ａからの二種類の検出信号に基づいて光が入射した位置を検出し、当該位置に対応した位置情報の信号と、シャッタ手段１４のシャッタを開放するトリガ信号とを出力する位置特定回路１２ｂとからなる。
【００１９】
二次元位置検出装置１２の二次元検出器１２ａは、図２に示すように、レンズ２０とマイクロミラーアレイ２２と、一対の１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙとから構成してある。レンズ２０は、入射した光を平行光にする。マイクロミラーアレイ２２は、レンズ２０を透過した光を二方向に反射するようになっている。
【００２０】
すなわち、マイクロミラーアレイ２２は、入射した光を所定の角度で反射する複数の第１ミラー素子２２ａ、…、および当該第１ミラー素子２２ａ、…とは逆の角度で前記光を反射する複数の第２ミラー素子２２ｂ…を交互に配置した構造となっている。これらのミラー素子２２ａ、２２ｂは、所定の大きさ、例えば１４μｍ×１４μｍ程度の大きさに形成してあって、マトリックス状に配置してある。さらに、二次元位置検出装置１２は、第１ミラー素子２２ａの１群と第２ミラー素子２２ｂの１群とに対応して一対の１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙを備えている。
【００２１】
第１検出器である１次元アレイ光検出器２６ｘは、マイクロミラーアレイ２２の第１ミラー素子２２ａに対面して配置してあって、第１ミラー素子２２ａが反射した光が入射する。また、第２検出器である１次元アレイ光検出器２６ｙは、マイクロミラーアレイ２２の第２ミラー素子２２ｂに対面して配置してあって、第２ミラー素子２２ｂが反射した光が入射する。１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙは、後述するように、マイクロミラーアレイ２２の反射する光を受光して電子に変換し、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）にて電子を増幅し、増幅した電子を検出する複数の電子検出電極２４ｘ、…、２４ｙ…を有している。そして、各電子検出電極２４ｘ、…、２４ｙ、…は、実施形態の場合、それぞれが直線状（帯状）に形成してあって、一方向に並列に配置してある。
【００２２】
さらに、１次元アレイ光検出器２６ｘは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＸ座標位置を検出するＸ軸用であって、電子検出電極２４ｘがミラー素子２２ａの列に対応して設けてある。また、１次元アレイ光検出器２６ｙは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＹ座標位置を検出するＹ軸用であって、電子検出電極２４ｙがミラー素子２２ｂの行に対応して設けてある。そして、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘとＹ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙとは、これらを構成している各電子検出電極２４ｘ、２４ｙとの配列方向が交差するように配置してある。実施形態の場合、電子検出電極２４ｘの長手方向と、電子検出電極２４ｙの長手方向とが直交するように配置してある。
【００２３】
前記位置特定回路１２ｂは、前記Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの帯状の電子検出電極２４ｘ、…から得られたＸ軸座標の検出信号（位置信号）の波高を弁別するＸ軸用波高弁別回路２８ｘと、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの帯状の電子検出電極２４ｙ、…から得られたＸ軸座標の検出信号（位置信号）の波高を弁別するＹ軸用波高弁別回路２８ｙと、トリガ判定回路２８ｚから構成してある。トリガ判定回路２８ｚは、Ｘ軸用波高弁別回路２８ｘおよびＹ軸用波高弁別回路２８ｙからの二種類の検出信号を基に、マイクロミラーアレイ２２に入射した光の位置を判定し、入射光の位置情報と撮像系トリガ信号とを出力する。
【００２４】
なお、マイクロミラーアレイ２２は、制御回路３０によって各ミラー素子２２ａ、２２ｂの傾きが制御されるようになっている。二次元位置検出装置１２は、二次元検出器１２ａを構成するＸ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘとＹ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙとが同様に構成してある。Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘは、図３の拡大概略図に示すように、真空容器３２を有していて、真空容器３２の前面に光電変換部３４が設けてある。また、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘは、真空容器３２の内部に、光電変換部３４の次に、電子増幅モジュール（マイクロチャンネルプレート）３６と、帯状の電子検出電極２４ｘ、…が多数設けられた検出モジュール３８との順で配設したものである。
【００２５】
前記光電変換部３４は、光（光子）の入射によって電子を放出する。前記マイクロチャンネルプレート３６は、光電変換部３４に対面配置してあり、光電変換部３４が放出した電子を増幅する電子増倍管が複数設けられた構造をしている。この電子増倍管（マイクロキャピラリー）は、直径が例えば６μｍ、長さが例えば０．５ｍｍ程度の加速管と、この加速管の両端に設けたアノードとカソードとからなる。このアノードとカソードとの間には、１０００〜２０００Ｖの直流電圧が印可されており、加速管内に入った電子は、カソードとアノードとの間に印可してある高電圧で加速され、加速管の内壁に衝突する毎に二次電子を生じて雪崩的に電子の数が増幅されて増幅電子として加速管から出射される。
【００２６】
前記検出モジュール３８は、セラミック材板ＳＰの表面に金属薄膜で形成した帯状の電子検出電極２４ｘ、…が平面状に一方向に並列して多数設けられている。検出モジュール３８は、帯状の電子検出電極２４ｘ、…にマイクロチャンネルプレート（電子増幅モジュール）３６を構成している電子増倍管からの電子が入射すると、電子が入射した電子検出電極２４ｘから信号（光電子パルス）を取り出せるようになっている。なお、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙは、Ｘ用１次元アレイ光検出器２６ｘと同様に形成してあって、Ｘ用１次元アレイ光検出器２６ｘを９０度回転させた状態と同じである。
【００２７】
図４は、実施形態に係る二次元位置検出装置１２のＸ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの電子検出電極２４ｘと、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの電子検出電極２４ｙと、マイクロミラーアレイ２２との関係を拡大して示した図である。この図４において、マイクロミラーアレイ２２は、シリコンマイクロプロセス技術を用いて作られるＤＭＤ（Digital Micro Mirror Device）として形成してある。このＤＭＤは、所定の大きさ（例えば、１４μｍ×１４μｍ角）の微小ミラー素子をマトリックス状に並べたものである。これを用いて所定の角度（例えばプラス１０度）傾けた第１ミラー素子２２ａと、これとは逆に所定の角度（マイナス１０度）傾けた第２ミラー素子２２ｂとを交互に設定することで実現可能となる。なお、図４の場合、各第１ミラー素子２２ａは白抜きで示してあり、第２ミラー素子２２ｂは黒塗りにして示してある。
【００２８】
マイクロミラーアレイ２２は、図４に示すように、ビームスプリッタ１８から入射した光による入射光スポット５０が形成されると、白抜きの一群の第１ミラー素子２２ａと、黒塗りにした一群の第２ミラー素子２２ｂとがこれを反射する。第１ミラー素子２２ａは、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの光電変換部３４に、反射光スポット５２ｘを形成する。また、第２ミラー素子２２ｂは、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの光電変換部３４に、反射光スポット５２ｙを形成する。そして、各１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙは、反射光スポット５２ｘ、５２ｙに対応した位置の電子検出電極２４ｘ、２４ｙから検出信号（光電子パルス）が出力される。
【００２９】
なお、電子検出電極２４ｘおよび電子検出電極２４ｙは、実施形態の場合、それぞれ１２８個で構成されていて、マイクロミラーアレイ２２が１０２４×１０２４個のミラー素子によって構成されている。そして、１０２４×１０２４個のミラー素子は、各行、各列の半分が第１ミラー素子２２ａであって、他の半分が第２ミラー素子２２ｂとなっていて、これらが交互に配置されている。そして、実施形態の場合、各電子検出電極２４ｘ、２４ｙは、撮像装置１６の分割された１２８×１２８個の撮像領域の行と列とに対応している。すなわち、各電子検出電極２４ｘ、２４ｙは、実施形態の場合、幅が８個分のミラー素子に相当する大きさに形成してある。このため、反射光スポットが形成された場合、１つの電子検出電極に対応するミラー素子の数がＸ軸方向およびＹ軸方向において同程度となる。したがって、Ｘ座標位置の信号とＹ座標位置の信号とを同時に出力することができる。
【００３０】
また、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの各電子検出電極２４ｘは、図４に示すように、長手方向がＹ軸に沿って配置され、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの各電子検出電極２４ｙは、長手方向がＸ軸に沿って配置される。したがって、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＸ座標位置の信号を出力し、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＹ座標位置の信号を出力する。そして、各電子検出電極２４ｘ、２４ｙは、撮像装置１６の１２８×１２８個の撮像領域に対応しており、これらのいずれかから光電子パルスが出力されると、対応するシャッタが開放され、ビームスプリッタ１８を透過した光が撮像装置１６に入射する。
【００３１】
このような宇宙線望遠鏡の動作について簡単に説明する。宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際の発光現象による光３は、球面鏡２により光伝送路４へと導かれる。光伝送路４に導かれた光３は、光伝送路４の内部を通って光検出ユニット５の光電変換部６に入射される。
【００３２】
光電変換部６に入射された光３は、光電変換部６により、その入射位置において光電子に変換され、光電変換部６から電子として放出される。光電変換部６から放出された電子は、電子増幅部８において加速され、個数が１０4〜１０7倍程度に増幅される。電子増幅部８で増幅され加速された電子は、蛍光面１０に衝突して光に変換される。蛍光面１０から放射された光は、ビームスプリッタ１８によって、一部が二次元位置検出装置１２側に、その残りが撮像装置１６側に、それぞれ導かれる。
【００３３】
二次元位置検出装置１２に導かれた光は、二次元検出器１２ａに入射し、レンズ２０を介してマイクロミラーアレイ２２上の、蛍光面１０の発光位置と対応した位置に入射光スポット５０を形成する。この入射光スポット５０は、マイクロミラーアレイ２２を構成している各ミラー素子２２ａ、２２ｂによって反射され、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘとＹ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙとの光電変換部３４に反射光スポット５２ｘ、５２ｙを形成する。各１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙは、反射光スポット５２ｘ、５２ｙに対応した各電子検出電極２４ｘ、２４ｙから検出信号（光電子パルス）をＸ座標信号、Ｙ座標信号として出力する。これらは、パラレル信号として位置特定回路１２ｂの波高弁別回路２８ｘ、２８Ｙを介してトリガ判定回路２８ｚに入力する。トリガ判定回路２８ｚは、パラレル入力したＸ座標信号、Ｙ座標信号に基づいて、マイクロミラーアレイ２２上の入射光スポット５０の位置を求める。そして、トリガ判定回路２８ｚは、トリガ信号を生成して入射光スポット５０の位置情報とともに図示しないシャッタ駆動制御部に送出する。シャッタ駆動制御部は、入力した位置情報に対応したシャッタ手段１４のシャッタを開放する。これにより、ビームスプリッタ１８を透過した光が撮像装置１６に入射し、撮像装置１６がミラーアレイ２２の入射光スポット５０に対応した蛍光面１０の位置の発光状態を撮像する。そして、大気中の発光点が移動すると、それに対応してシャッタ手段１４の各シャッタが順次開放される。したがって、撮像装置１６によって宇宙線の通過軌跡などを撮像することができる。
【００３４】
このように、実施形態の二次元位置検出装置１２によれば、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの帯状の電子検出電極２４ｘから得られた検出信号も、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの帯状の電子検出電極２４ｙから得られた検出信号も１次元の信号であるが、両電子検出電極２４ｘおよび電子検出電極２４ｙが直交配置されているので、電子検出電極２４ｘおよび電子検出電極２４ｙからの検出信号に基づいて、位置特定回路１２ｂで入射した光のマイクロミラーアレイ２２上の位置、すなわち蛍光面１０の発光位置を正確に特定することができる。しかも、実施形態においては、直交させた各電子検出電極２４ｘ、２４ｙの出力信号を読み取るだけであるため、各検出電極２４ｘ、２４ｙの数をｎとした場合に、２ｎ個の読み出しでよく、入射光位置を高速に求めることができる。したがって、撮像装置１６による高速撮像が可能で、高い時間分解能が得られるとともに、位置検出精度が向上して宇宙線の解析精度を向上させることができる。
【００３５】
図５は、他の実施形態に係る電子検出電極の説明図である。この図５において、検出モジュール３８ａは、セラミック材板ＳＰの表面に金属薄膜で四角形状に形成した電極片４４、…が複数設けてある。これらの電極片４４は、撮像装置１６の分割された撮像領域に対応した数だけ設けられ、実施形態の場合、１２８×１２８個がマトリックス状に配置してある。また、各電極片４４は、同じ列の電子検出電極４４、…が直列に電気的に導通状態に接続され、一端が対応する接続端子４６、…に接続するような構造にしてある。このようになっている検出モジュール３８ａは、一対が電極片４４の接続方向を直交するように配置される。
【００３６】
図６は、さらに他の１次元アレイ光検出器を示したものである。この図６においては、１次元アレイ光検出器６０の電子検出電極６２だけが図示してあって、光電変換部やマイクロチャンネルプレートなどは省略してある。この１次元アレイ光検出器６０は、電子検出電極６２の複数が一列に配置してある。これらの電子検出電極６２は、例えばミラー素子の８×８個分の大きさに形成してあって、撮像装置１６のマトリックス状に分割された撮像領域の行または列の数に対応している。そして、各電子検出電極６２のそれぞれから検出信号（光電子パルス）が出力されるようになっている。また、マイクロミラーアレイ２２と１次元アレイ光検出器６０との間には、円柱レンズなどからなる集光部６４が配設してある。集光部６４は、マイクロミラーアレイ２２が反射した反射光６６を、１次元アレイ光検出器６０の複数の電子検出電極６２が配列された方向と直行する方向に集光し、電子検出電極６２の配列方向に沿った帯状の反射光ビームを形成して１次元アレイ光検出器６０の光電変換部（図示せず）に入射させる。
【００３７】
したがって、このように形成した１次元アレイ光検出器６０の電子検出電極６２の配列方向を、Ｘ軸用とＹ軸用とで相互に直交させることにより、前記と同様にしてマイクロミラーアレイに入射した光の位置を検出することができる。また、この１次元アレイ光検出器６０は、マイクロチャンネルプレートの電子倍増管などを少なくすることができ、小型、安価にできる。
【００３８】
なお、電子検出電極２４は、マイクロミラーアレイ２２を構成しているマトリックス状に配置されたミラー素子の、行または列に対応して設けることができる。ことにより、より詳細な位置情報を容易、確実に得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、光をミラーアレイに入射させて２つの方向に反射し、それぞれの方向に設けた第１検出器と第２検出器とによって、ミラーアレイを構成しているミラー素子の行方向または列方向の反射位置を求めるようにしているため、光の入射位置を求める時間を大幅に短縮でき、高い時間分解能が得られるとともに、ミラー素子の数を多くすることにより、位置検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る入射光の二次元位置検出装置を備えた宇宙線望遠鏡の概略図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る二次元位置検出装置を示す概略図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る二次元位置検出装置における二次元検出器を構成する１次元アレイ光検出器の概略図である。
【図４】 本発明の実施形態に係るミラーアレイの作用を説明する図である。
【図５】 他の実施形態に係る電子検出電極の説明図である。
【図６】 さらに他の実施形態に係る１次元アレイ光検出器の説明図である。
【図７】 従来の宇宙線望遠鏡の構成例を示す概要図である。
【符号の説明】
１………宇宙線望遠鏡、２………球面鏡、３………光、４………光伝送路、５………光検出ユニット、６………光電変換部、８………電子増幅部、１０………蛍光面、１２………二次元位置検出装置、１２ａ………二次元検出器、１２ｂ………位置特定回路、１４………シャッタ手段、１６………撮像装置、１８………ビームスプリッタ、２２………マイクロミラーアレイ、２２ａ………第１ミラー素子、２２ｂ………第２ミラー素子、２４ｘ、２４ｙ、４１、６２………電子検出電極、２６ｘ………第１検出器（Ｘ軸用１次元アレイ光検出電極）、２６ｙ………第２検出器（Ｙ軸用１次元アレイ光検出器）、２８ｚ………トリガ判定回路、３４、３６………変換部（光電変換部、マイクロチャンネルプレート）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光の二次元位置を求める入射光の二次元位置検出装置に係り、特に宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に生ずる発光現象の光のような、微弱な入射光の二次元位置を検出するのに好適な入射光の二次元位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙線望遠鏡は、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に発光する発光現象を撮像できる装置として知られている。この宇宙線望遠鏡は、宇宙線による発光現象を光学的に超高速撮像する装置であって、その撮像した情報から宇宙線の到来方向、エネルギー、粒子の種類など物理的特性を決定することができる。この宇宙線望遠鏡は、宇宙線事象を長期間同時に全天監視する装置である。
【０００３】
ここで、宇宙線とは、光速に近い速さで宇宙空間を飛来する陽子やガンマ線などの高エネルギー放射線のことをいう。また、前記発光現象には、大気蛍光と、大気チェレンコフ光との二種類ある。大気蛍光は、宇宙線から発達した二次生成粒子(空気シャワー)の荷電粒子が大気分子を励起することにより放出される光である。この大気蛍光は、発光点から等方的に放射され、発光持続時間が約１μ秒程度である。一方、チェレンコフ光は、荷電粒子が大気中を光速度（この場合、真空中の光速度／大気の屈折率）より早く進んだときに発生する光である。これは進行方向に鋭い指向性をもち、発光時間が１０〜数１０ｎ秒である。
【０００４】
このような発光現象を撮像できる宇宙線望遠鏡は、蛍光面を備えた大口径の入射部を持ち、この入射部の後方側に設けたピクセルディテクタと、ＣＣＤカメラとを有し、入射部からの光をビームスプリッタによって前記ピクセルディテクタとＣＣＤカメラとの方向に分割し、ピクセルディテクタで得たトリガによるゲート信号でＣＣＤカメラのシャッタを駆動するようにしている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
図７は、上記従来の宇宙線望遠鏡の構成例を示す概略説明図である。この図７において、宇宙線望遠鏡１００は、大別すると、球面鏡１０２と、光伝送路１０４と、光電変換部１０６と、電子増幅部１０８と、蛍光面１１０と、二次元位置検出装置１１２と、シャッタ手段１１４と、ＣＣＤカメラからなる撮像装置１１６と、ビームスプリッタ１１８とを備え、前記宇宙線などによる発光現象を撮影できる装置である。
【０００６】
ここで、前記球面鏡１０２は、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に発光する発光現象による光を集めて、光伝送路１０４に供給する。前記光伝送路１０４は、前記光を光電変換部１０６に導くものである。前記光電変換部１０６は、前記光伝送路１０４によって導かれて入射した光の位置において電子を放出する部材である。前記電子増幅部１０８は、前記光電変換部１０６に対面配置され、前記光電変換部１０６から放出された電子を増幅するマイクロチャンネルプレートによって構成したものである。前記蛍光面１１０は、前記電子増幅部１０８のマイクロチャンネルプレートから入射した電子の位置に応じて、当該位置で発光する面をもったものである。
【０００７】
前記ビームスプリッタ１１８は、前記蛍光面１１０の光の一部を二次元位置検出装置１１２に、残りの光を前記撮像装置１１６側に導くものである。前記二次元位置検出装置１１２は、前記蛍光面１１０を監視して前記蛍光面１１０の発光位置に応じて、位置情報の信号とトリガ信号とを形成する装置であって、後述する二次元検出器１１２ａと、波高弁別回路１１２ｂとから構成されている。前記シャッタ手段１１４は、二次元位置検出装置１１２からのトリガ信号により開放駆動されるものである。また、前記撮像装置１１６は、撮像部が複数に分割してある。そして、シャッタ手段１１４は、撮像装置１１６の分割された撮像部に対応して開閉部（シャッタ）が設けられ、二次元位置検出装置１１２の出力する位置情報に対応した開閉部が開放される。撮像装置１１６は、シャッタ手段１１４が開放した位置に対応した蛍光面１１０を撮像する。
【０００８】
前記二次元位置検出装置１１２の二次元検出器１１２ａとしては、複数のアノードを持つ光電子増倍管（Photo Multiplier Tube：ＰＭＴ）が用いられていた。また、波高弁別回路１１２ｂは、二次元検出器１１２ａである光電子増倍管（ＰＭＴ）で検出した検出信号を基に、シャッタ手段１１４の駆動制御部に開放する開閉部の位置情報と駆動トリガ信号とを与える。
宇宙線望遠鏡１００は、このように構成してあるので、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際の発光に同期して、発光現象を撮像することができ、宇宙線の通過軌跡などを得ることができる。
【０００９】
【非特許文献１】
東京大学宇宙線研究所、佐々木真人著、“１分角精度・広視野宇宙線望遠鏡”、特に第５頁および第９頁、２００２年３月８日、「高エネルギー宇宙の総合的理解」研究会、［平成１５年２月２０日検索］、インターネット＜http://taws300.icrr.u-tokyo.ac.jp/workshop2002/pdf/M Sasaki2.pdf＞。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の宇宙線望遠鏡１００に用いられる二次元検出器１１２ａは、４×４の１６個のアノードを有するのみであって、入射光に対する二次元位置の検出精度が悪く、球面鏡１０２に入射した光の位置精度が充分でなく、宇宙線の通過軌跡や大気蛍光の発光位置の検出精度が低下する。すなわち、撮像装置１１６は、撮像面が１２８×１２８個に分割してあり、これらに対応してシャッタ手段１１４に開閉部が設けてある。しかし、従来の二次元検出器１１２ａは、４×４個のアノードを有するのみであり、いずれかのアノードに光が入射したときに、これに対応したシャッタ手段１１４の開閉部を駆動するようになっている。したがって、撮像装置１１６の分解能が低下し、宇宙線の詳細な解析を困難にする。そして、二次元検出器１１２ａのアノード数を増加させた場合、各アノードに対応して検出信号を順次読み出すようになるため、二次元検出器１１２ａへの光の入射位置を求めるのに多くの時間を必要とし、時間分解能が損なわれて検出精度が低下する。
本発明は、上述した欠点を解消し、時間分解能に優れ、高い位置検出精度を得られるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る入射光の二次元位置検出装置は、入射した光を第１の方向に反射する複数の第１ミラー素子と、これら第１ミラー素子と交互に配置されて前記光を第２の方向に反射する複数の第２ミラー素子とがマトリックス状に配置してあるミラーアレイと、前記第１ミラー素子が反射した前記光が入射し、前記光の入射位置に基づいて、前記ミラーアレイの前記第１ミラー素子の行方向または列方向の反射位置情報を出力する第１検出器と、前記第２ミラー素子が反射した前記光が入射し、前記光の入射位置に基づいて、前記ミラーアレイの前記第２ミラー素子の列方向または行方向の反射位置情報を出力する第２検出器と、この第２検出器と前記第１検出器との出力信号に基づいて、前記ミラーアレイにおける前記光の入射位置を求める位置特定回路と、を有することを特徴としている。
【００１２】
このようになっている本発明は、光をミラーアレイに入射させて２つの方向に反射し、それぞれの方向に設けた第１検出器と第２検出器とによって、ミラーアレイを構成しているミラー素子の行方向または列方向の反射位置を求めるようにしているため、光の入射位置を求める時間を大幅に短縮できて高い時間分解能が得られるとともに、ミラー素子の数を多くすることにより、位置検出精度を向上することができる。
【００１３】
前記第１検出器と前記第２検出器とは、前記光の入射によって電子を放出する変換部と、この変換部に対面して一方向に並列配置され、前記光の入射位置において放出された電子が入射する複数の電子検出電極とを有し、前記第１検出器と前記第２検出器とは、それぞれの前記電子検出電極の配列方向が交差するように配置する。これにより、各検出器の構造を簡素にできるとともに、光を反射してミラー素子の行方向の位置と列方向の位置とを容易に求めることができる。
【００１４】
また、前記第１検出器の前記電子検出電極は、前記第１ミラー素子の行または列に対応して設け、前記第２検出器の前記電子検出電極は、前記第２ミラー素子の列または行に対応して設けることが望ましい。これにより、どのミラー素子が入射光を反射したか、すなわち光の入射位置を容易、確実に求めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る入射光の二次元位置検出装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る入射光の二次元位置検出装置を備えた宇宙線望遠鏡の概略説明図である。この図１において、本発明に係る宇宙線望遠鏡１は、宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際に発光する発光現象による光３をとらえる球面鏡２と、前記球面鏡２からの光３を伝送する光伝送路４と、光伝送路４によって導かれた光３が入射する光検出ユニット５とを有する。
【００１６】
光検出ユニット５は、光３の入射によって電子を放出する光電変換部６と、前記光電変換部６に対面配置され、光電変換部６が放出した電子を増幅するマイクロチャンネルプレートからなる電子増幅部８とを有する。また、光検出ユニット５は、前記電子増幅部８が放出した増幅電子が入射し、入射した増幅電子の位置において発光する蛍光面１０と、蛍光面１０から放射した光が入射し、トリガ信号を生成する二次元位置検出装置１２と、前記二次元位置検出装置１２からのトリガ信号により開放されるシャッタ手段１４と、シャッタ手段１４の後方側に配置したＣＣＤカメラからなる撮像装置１６とを備えている。さらに、光検出ユニット５は、蛍光面１０からの光を前記二次元位置検出装置１２と撮像装置１６とに分割するビームスプリッタ１８を備えている。
【００１７】
なお、撮像装置１６は、撮像面が例えば１２８×１２８個の撮像領域に分割してある。そして、シャッタ手段１４は、撮像装置１６の各撮像領域に対応して１２８×１２８個のシャッタが設けられ、これらのシャッタが図示しないシャッタ駆動制御部により相互に独立して開閉される。
【００１８】
実施形態に係る二次元位置検出装置１２は、詳細は後述するが、ビームスプリッタ１８からの光から二種類の検出信号（直交するＸ軸方向の検出信号とＹ軸方向の検出信号）を得る二次元検出器１２ａと、二次元検出器１２ａからの二種類の検出信号に基づいて光が入射した位置を検出し、当該位置に対応した位置情報の信号と、シャッタ手段１４のシャッタを開放するトリガ信号とを出力する位置特定回路１２ｂとからなる。
【００１９】
二次元位置検出装置１２の二次元検出器１２ａは、図２に示すように、レンズ２０とマイクロミラーアレイ２２と、一対の１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙとから構成してある。レンズ２０は、入射した光を平行光にする。マイクロミラーアレイ２２は、レンズ２０を透過した光を二方向に反射するようになっている。
【００２０】
すなわち、マイクロミラーアレイ２２は、入射した光を所定の角度で反射する複数の第１ミラー素子２２ａ、…、および当該第１ミラー素子２２ａ、…とは逆の角度で前記光を反射する複数の第２ミラー素子２２ｂ…を交互に配置した構造となっている。これらのミラー素子２２ａ、２２ｂは、所定の大きさ、例えば１４μｍ×１４μｍ程度の大きさに形成してあって、マトリックス状に配置してある。さらに、二次元位置検出装置１２は、第１ミラー素子２２ａの１群と第２ミラー素子２２ｂの１群とに対応して一対の１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙを備えている。
【００２１】
第１検出器である１次元アレイ光検出器２６ｘは、マイクロミラーアレイ２２の第１ミラー素子２２ａに対面して配置してあって、第１ミラー素子２２ａが反射した光が入射する。また、第２検出器である１次元アレイ光検出器２６ｙは、マイクロミラーアレイ２２の第２ミラー素子２２ｂに対面して配置してあって、第２ミラー素子２２ｂが反射した光が入射する。１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙは、後述するように、マイクロミラーアレイ２２の反射する光を受光して電子に変換し、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）にて電子を増幅し、増幅した電子を検出する複数の電子検出電極２４ｘ、…、２４ｙ…を有している。そして、各電子検出電極２４ｘ、…、２４ｙ、…は、実施形態の場合、それぞれが直線状（帯状）に形成してあって、一方向に並列に配置してある。
【００２２】
さらに、１次元アレイ光検出器２６ｘは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＸ座標位置を検出するＸ軸用であって、電子検出電極２４ｘがミラー素子２２ａの列に対応して設けてある。また、１次元アレイ光検出器２６ｙは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＹ座標位置を検出するＹ軸用であって、電子検出電極２４ｙがミラー素子２２ｂの行に対応して設けてある。そして、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘとＹ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙとは、これらを構成している各電子検出電極２４ｘ、２４ｙとの配列方向が交差するように配置してある。実施形態の場合、電子検出電極２４ｘの長手方向と、電子検出電極２４ｙの長手方向とが直交するように配置してある。
【００２３】
前記位置特定回路１２ｂは、前記Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの帯状の電子検出電極２４ｘ、…から得られたＸ軸座標の検出信号（位置信号）の波高を弁別するＸ軸用波高弁別回路２８ｘと、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの帯状の電子検出電極２４ｙ、…から得られたＸ軸座標の検出信号（位置信号）の波高を弁別するＹ軸用波高弁別回路２８ｙと、トリガ判定回路２８ｚから構成してある。トリガ判定回路２８ｚは、Ｘ軸用波高弁別回路２８ｘおよびＹ軸用波高弁別回路２８ｙからの二種類の検出信号を基に、マイクロミラーアレイ２２に入射した光の位置を判定し、入射光の位置情報と撮像系トリガ信号とを出力する。
【００２４】
なお、マイクロミラーアレイ２２は、制御回路３０によって各ミラー素子２２ａ、２２ｂの傾きが制御されるようになっている。二次元位置検出装置１２は、二次元検出器１２ａを構成するＸ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘとＹ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙとが同様に構成してある。Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘは、図３の拡大概略図に示すように、真空容器３２を有していて、真空容器３２の前面に光電変換部３４が設けてある。また、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘは、真空容器３２の内部に、光電変換部３４の次に、電子増幅モジュール（マイクロチャンネルプレート）３６と、帯状の電子検出電極２４ｘ、…が多数設けられた検出モジュール３８との順で配設したものである。
【００２５】
前記光電変換部３４は、光（光子）の入射によって電子を放出する。前記マイクロチャンネルプレート３６は、光電変換部３４に対面配置してあり、光電変換部３４が放出した電子を増幅する電子増倍管が複数設けられた構造をしている。この電子増倍管（マイクロキャピラリー）は、直径が例えば６μｍ、長さが例えば０．５ｍｍ程度の加速管と、この加速管の両端に設けたアノードとカソードとからなる。このアノードとカソードとの間には、１０００〜２０００Ｖの直流電圧が印可されており、加速管内に入った電子は、カソードとアノードとの間に印可してある高電圧で加速され、加速管の内壁に衝突する毎に二次電子を生じて雪崩的に電子の数が増幅されて増幅電子として加速管から出射される。
【００２６】
前記検出モジュール３８は、セラミック材板ＳＰの表面に金属薄膜で形成した帯状の電子検出電極２４ｘ、…が平面状に一方向に並列して多数設けられている。検出モジュール３８は、帯状の電子検出電極２４ｘ、…にマイクロチャンネルプレート（電子増幅モジュール）３６を構成している電子増倍管からの電子が入射すると、電子が入射した電子検出電極２４ｘから信号（光電子パルス）を取り出せるようになっている。なお、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙは、Ｘ用１次元アレイ光検出器２６ｘと同様に形成してあって、Ｘ用１次元アレイ光検出器２６ｘを９０度回転させた状態と同じである。
【００２７】
図４は、実施形態に係る二次元位置検出装置１２のＸ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの電子検出電極２４ｘと、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの電子検出電極２４ｙと、マイクロミラーアレイ２２との関係を拡大して示した図である。この図４において、マイクロミラーアレイ２２は、シリコンマイクロプロセス技術を用いて作られるＤＭＤ（Digital Micro Mirror Device）として形成してある。このＤＭＤは、所定の大きさ（例えば、１４μｍ×１４μｍ角）の微小ミラー素子をマトリックス状に並べたものである。これを用いて所定の角度（例えばプラス１０度）傾けた第１ミラー素子２２ａと、これとは逆に所定の角度（マイナス１０度）傾けた第２ミラー素子２２ｂとを交互に設定することで実現可能となる。なお、図４の場合、各第１ミラー素子２２ａは白抜きで示してあり、第２ミラー素子２２ｂは黒塗りにして示してある。
【００２８】
マイクロミラーアレイ２２は、図４に示すように、ビームスプリッタ１８から入射した光による入射光スポット５０が形成されると、白抜きの一群の第１ミラー素子２２ａと、黒塗りにした一群の第２ミラー素子２２ｂとがこれを反射する。第１ミラー素子２２ａは、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの光電変換部３４に、反射光スポット５２ｘを形成する。また、第２ミラー素子２２ｂは、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの光電変換部３４に、反射光スポット５２ｙを形成する。そして、各１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙは、反射光スポット５２ｘ、５２ｙに対応した位置の電子検出電極２４ｘ、２４ｙから検出信号（光電子パルス）が出力される。
【００２９】
なお、電子検出電極２４ｘおよび電子検出電極２４ｙは、実施形態の場合、それぞれ１２８個で構成されていて、マイクロミラーアレイ２２が１０２４×１０２４個のミラー素子によって構成されている。そして、１０２４×１０２４個のミラー素子は、各行、各列の半分が第１ミラー素子２２ａであって、他の半分が第２ミラー素子２２ｂとなっていて、これらが交互に配置されている。そして、実施形態の場合、各電子検出電極２４ｘ、２４ｙは、撮像装置１６の分割された１２８×１２８個の撮像領域の行と列とに対応している。すなわち、各電子検出電極２４ｘ、２４ｙは、実施形態の場合、幅が８個分のミラー素子に相当する大きさに形成してある。このため、反射光スポットが形成された場合、１つの電子検出電極に対応するミラー素子の数がＸ軸方向およびＹ軸方向において同程度となる。したがって、Ｘ座標位置の信号とＹ座標位置の信号とを同時に出力することができる。
【００３０】
また、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの各電子検出電極２４ｘは、図４に示すように、長手方向がＹ軸に沿って配置され、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの各電子検出電極２４ｙは、長手方向がＸ軸に沿って配置される。したがって、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＸ座標位置の信号を出力し、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙは、マイクロミラーアレイ２２に入射した光のＹ座標位置の信号を出力する。そして、各電子検出電極２４ｘ、２４ｙは、撮像装置１６の１２８×１２８個の撮像領域に対応しており、これらのいずれかから光電子パルスが出力されると、対応するシャッタが開放され、ビームスプリッタ１８を透過した光が撮像装置１６に入射する。
【００３１】
このような宇宙線望遠鏡の動作について簡単に説明する。宇宙から飛来する宇宙線が地球大気に突入する際の発光現象による光３は、球面鏡２により光伝送路４へと導かれる。光伝送路４に導かれた光３は、光伝送路４の内部を通って光検出ユニット５の光電変換部６に入射される。
【００３２】
光電変換部６に入射された光３は、光電変換部６により、その入射位置において光電子に変換され、光電変換部６から電子として放出される。光電変換部６から放出された電子は、電子増幅部８において加速され、個数が１０4〜１０7倍程度に増幅される。電子増幅部８で増幅され加速された電子は、蛍光面１０に衝突して光に変換される。蛍光面１０から放射された光は、ビームスプリッタ１８によって、一部が二次元位置検出装置１２側に、その残りが撮像装置１６側に、それぞれ導かれる。
【００３３】
二次元位置検出装置１２に導かれた光は、二次元検出器１２ａに入射し、レンズ２０を介してマイクロミラーアレイ２２上の、蛍光面１０の発光位置と対応した位置に入射光スポット５０を形成する。この入射光スポット５０は、マイクロミラーアレイ２２を構成している各ミラー素子２２ａ、２２ｂによって反射され、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘとＹ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙとの光電変換部３４に反射光スポット５２ｘ、５２ｙを形成する。各１次元アレイ光検出器２６ｘ、２６ｙは、反射光スポット５２ｘ、５２ｙに対応した各電子検出電極２４ｘ、２４ｙから検出信号（光電子パルス）をＸ座標信号、Ｙ座標信号として出力する。これらは、パラレル信号として位置特定回路１２ｂの波高弁別回路２８ｘ、２８Ｙを介してトリガ判定回路２８ｚに入力する。トリガ判定回路２８ｚは、パラレル入力したＸ座標信号、Ｙ座標信号に基づいて、マイクロミラーアレイ２２上の入射光スポット５０の位置を求める。そして、トリガ判定回路２８ｚは、トリガ信号を生成して入射光スポット５０の位置情報とともに図示しないシャッタ駆動制御部に送出する。シャッタ駆動制御部は、入力した位置情報に対応したシャッタ手段１４のシャッタを開放する。これにより、ビームスプリッタ１８を透過した光が撮像装置１６に入射し、撮像装置１６がミラーアレイ２２の入射光スポット５０に対応した蛍光面１０の位置の発光状態を撮像する。そして、大気中の発光点が移動すると、それに対応してシャッタ手段１４の各シャッタが順次開放される。したがって、撮像装置１６によって宇宙線の通過軌跡などを撮像することができる。
【００３４】
このように、実施形態の二次元位置検出装置１２によれば、Ｘ軸用１次元アレイ光検出器２６ｘの帯状の電子検出電極２４ｘから得られた検出信号も、Ｙ軸用１次元アレイ光検出器２６ｙの帯状の電子検出電極２４ｙから得られた検出信号も１次元の信号であるが、両電子検出電極２４ｘおよび電子検出電極２４ｙが直交配置されているので、電子検出電極２４ｘおよび電子検出電極２４ｙからの検出信号に基づいて、位置特定回路１２ｂで入射した光のマイクロミラーアレイ２２上の位置、すなわち蛍光面１０の発光位置を正確に特定することができる。しかも、実施形態においては、直交させた各電子検出電極２４ｘ、２４ｙの出力信号を読み取るだけであるため、各検出電極２４ｘ、２４ｙの数をｎとした場合に、２ｎ個の読み出しでよく、入射光位置を高速に求めることができる。したがって、撮像装置１６による高速撮像が可能で、高い時間分解能が得られるとともに、位置検出精度が向上して宇宙線の解析精度を向上させることができる。
【００３５】
図５は、他の実施形態に係る電子検出電極の説明図である。この図５において、検出モジュール３８ａは、セラミック材板ＳＰの表面に金属薄膜で四角形状に形成した電極片４４、…が複数設けてある。これらの電極片４４は、撮像装置１６の分割された撮像領域に対応した数だけ設けられ、実施形態の場合、１２８×１２８個がマトリックス状に配置してある。また、各電極片４４は、同じ列の電子検出電極４４、…が直列に電気的に導通状態に接続され、一端が対応する接続端子４６、…に接続するような構造にしてある。このようになっている検出モジュール３８ａは、一対が電極片４４の接続方向を直交するように配置される。
【００３６】
図６は、さらに他の１次元アレイ光検出器を示したものである。この図６においては、１次元アレイ光検出器６０の電子検出電極６２だけが図示してあって、光電変換部やマイクロチャンネルプレートなどは省略してある。この１次元アレイ光検出器６０は、電子検出電極６２の複数が一列に配置してある。これらの電子検出電極６２は、例えばミラー素子の８×８個分の大きさに形成してあって、撮像装置１６のマトリックス状に分割された撮像領域の行または列の数に対応している。そして、各電子検出電極６２のそれぞれから検出信号（光電子パルス）が出力されるようになっている。また、マイクロミラーアレイ２２と１次元アレイ光検出器６０との間には、円柱レンズなどからなる集光部６４が配設してある。集光部６４は、マイクロミラーアレイ２２が反射した反射光６６を、１次元アレイ光検出器６０の複数の電子検出電極６２が配列された方向と直行する方向に集光し、電子検出電極６２の配列方向に沿った帯状の反射光ビームを形成して１次元アレイ光検出器６０の光電変換部（図示せず）に入射させる。
【００３７】
したがって、このように形成した１次元アレイ光検出器６０の電子検出電極６２の配列方向を、Ｘ軸用とＹ軸用とで相互に直交させることにより、前記と同様にしてマイクロミラーアレイに入射した光の位置を検出することができる。また、この１次元アレイ光検出器６０は、マイクロチャンネルプレートの電子倍増管などを少なくすることができ、小型、安価にできる。
【００３８】
なお、電子検出電極２４は、マイクロミラーアレイ２２を構成しているマトリックス状に配置されたミラー素子の、行または列に対応して設けることができる。ことにより、より詳細な位置情報を容易、確実に得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、光をミラーアレイに入射させて２つの方向に反射し、それぞれの方向に設けた第１検出器と第２検出器とによって、ミラーアレイを構成しているミラー素子の行方向または列方向の反射位置を求めるようにしているため、光の入射位置を求める時間を大幅に短縮でき、高い時間分解能が得られるとともに、ミラー素子の数を多くすることにより、位置検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る入射光の二次元位置検出装置を備えた宇宙線望遠鏡の概略図である。
【図２】 本発明の実施の形態に係る二次元位置検出装置を示す概略図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る二次元位置検出装置における二次元検出器を構成する１次元アレイ光検出器の概略図である。
【図４】 本発明の実施形態に係るミラーアレイの作用を説明する図である。
【図５】 他の実施形態に係る電子検出電極の説明図である。
【図６】 さらに他の実施形態に係る１次元アレイ光検出器の説明図である。
【図７】 従来の宇宙線望遠鏡の構成例を示す概要図である。
【符号の説明】
１………宇宙線望遠鏡、２………球面鏡、３………光、４………光伝送路、５………光検出ユニット、６………光電変換部、８………電子増幅部、１０………蛍光面、１２………二次元位置検出装置、１２ａ………二次元検出器、１２ｂ………位置特定回路、１４………シャッタ手段、１６………撮像装置、１８………ビームスプリッタ、２２………マイクロミラーアレイ、２２ａ………第１ミラー素子、２２ｂ………第２ミラー素子、２４ｘ、２４ｙ、４１、６２………電子検出電極、２６ｘ………第１検出器（Ｘ軸用１次元アレイ光検出電極）、２６ｙ………第２検出器（Ｙ軸用１次元アレイ光検出器）、２８ｚ………トリガ判定回路、３４、３６………変換部（光電変換部、マイクロチャンネルプレート）。
Claims (3)
- 入射した光を第１の方向に反射する複数の第１ミラー素子と、これら第１ミラー素子と交互に配置されて前記光を第２の方向に反射する複数の第２ミラー素子とがマトリックス状に配置してあるミラーアレイと、
前記第１ミラー素子が反射した前記光が入射し、前記光の入射位置に基づいて、前記ミラーアレイの前記第１ミラー素子の行方向または列方向の反射位置情報を出力する第１検出器と、
前記第２ミラー素子が反射した前記光が入射し、前記光の入射位置に基づいて、前記ミラーアレイの前記第２ミラー素子の列方向または行方向の反射位置情報を出力する第２検出器と、
この第２検出器と前記第１検出器との出力信号に基づいて、前記ミラーアレイにおける前記光の入射位置を求める位置特定回路と、
を有することを特徴とする入射光の二次元位置検出装置。 - 請求項１に記載の入射光の二次元位置検出装置において、
前記第１検出器と前記第２検出器とは、前記光の入射によって電子を放出する変換部と、この変換部に対面して一方向に並列配置され、前記光の入射位置において放出された電子が入射する複数の電子検出電極とを有し、
前記第１検出器と前記第２検出器とのそれぞれの前記電子検出電極の配列方向が交差している、
ことを特徴とする入射光の二次元位置検出装置。 - 請求項２に記載の入射光の二次元位置検出装置において、
前記第１検出器の前記電子検出電極は、前記第１ミラー素子の行または列に対応して設けてあり、
前記第２検出器の前記電子検出電極は、前記第２ミラー素子の列または行に対応して設けてある、
ことを特徴とする入射光の二次元位置検出装置。
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