JP6494885B1 - 波面計測装置、波面計測方法及び移動体観測装置、移動体観測方法 - Google Patents

Abstract

波面推定部（２８）が、光検出器（２７）により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系（１１）の開口における光束の波面の概算値を算出し、概算値を用いて、複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と複数の集光スポット像とから波面を推定するように、波面計測装置（３）を構成した。

Description

この発明は、結像光学系の開口における光束の波面を推定する波面計測装置及び波面計測方法と、移動体の輝度分布を推定する移動体観測装置とに関するものである。

天体又は飛翔体などの移動体を観測する移動体観測装置は、移動体から送信された光束を地上で受信することで、移動体を観測する。
移動体から送信される光束は、大気の屈折率分布のゆらぎが原因で、光の位相が乱されてしまうために、広がってしまうことがある。
したがって、移動体観測装置は、移動体の観測精度を高めるには、光の位相の等しい面である波面を取得する必要がある。
以下の特許文献１には、波面を計測する波面センサが開示されている。

以下の特許文献１に開示されている波面センサは、望遠鏡を用いて、高速に移動する物体を観察する際、波面のチルト及び焦点のそれぞれを制御することで、物体から送信された光束を追いかけながら、大気断層を撮影するようにしている。
波面センサは、波面のチルト及び焦点のそれぞれを制御するための機構として、高速ステアリングミラー、結像レンズ及びレンズレットアレイにおけるそれぞれの高速移動を実現する制御機構を備えている。

特開２０１６−１１８５４７号公報

従来の波面センサによる波面の計測精度は、高速ステアリングミラー、結像レンズ及びレンズレットアレイにおけるそれぞれの高速移動を実現する制御機構の制御精度に依存している。
したがって、従来の波面センサは、実装している制御機構の制御精度によっては、波面の計測精度が劣化してしまうことがあるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、波面を計測することができる波面計測装置、波面計測方法及び移動体観測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る移動体観測装置は、移動体に反射された光束又は移動体から送信された光束を集光する結像光学系と、結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する空間分割部と、空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、移動体の像として、集光スポット像を検出する光検出器と、光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、概算値を用いて、複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と複数の集光スポット像とから、波面を推定する波面推定部と、光検出器により検出された集光スポット像と、波面推定部により算出された点像強度分布とから、移動体の輝度分布を推定する移動体復元部と、結像光学系により集光された光束を第１の波長の光束と第２の波長の光束とに分割する光束分割部とを備え、空間分割部として、光束分割部により分割された第１の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第１の空間分割部と、光束分割部により分割された第２の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第２の空間分割部とを備えており、光検出器として、第１の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、移動体の像として、集光スポット像を検出する第１の光検出器と、第２の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、移動体の像として、集光スポット像を検出する第２の光検出器とを備えており、移動体復元部は、第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像から、移動体が存在している領域を検出し、第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像のうち、移動体が存在している領域内の集光スポット像と、波面推定部により算出された点像強度分布とから、移動体の輝度分布を推定するようにしたものである。

この発明によれば、波面推定部が、光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、概算値を用いて、複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と複数の集光スポット像とから、波面を推定するように、波面計測装置を構成した。したがって、この発明に係る波面計測装置は、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、波面を計測することができる。

実施の形態１による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。 実施の形態１による波面計測装置３を含む移動体観測装置の外観を示す斜視図である。 図１に示す移動体観測装置の処理手順を示すフローチャートである。 光検出器１５により検出される移動体１の像を示す説明図である。 光検出器２７により検出される移動体１の像を示す説明図である。 波面が伝搬経路によって異なる場合の光検出器２７により検出される移動体１の像を示す説明図である。 光検出器２７により検出される移動体１の像と波面の関係を示す説明図である。 光検出器２７により検出される移動体１の像と波面の関係を示す説明図である。 波面推定部２８及び移動体復元部２９の処理手順を示すフローチャートである。 移動体１が波面計測装置３と相対的に移動している場合において、結像光学系の開口と、複数の空間領域におけるそれぞれの開口と、移動体１の像１０６との関係を示す説明図である。 レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口と、光束２を透過する透過領域が等しい遮光部２４の一例を示す説明図である。 レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口よりも、光束２を透過する透過領域が小さい遮光部２４の一例を示す説明図である。 レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口よりも、光束２を透過する透過領域が小さい遮光部２４の一例を示す説明図である。 複数の透過領域の中に、光束２が遮光される領域が含まれている遮光部２４の一例を示す説明図である。 形状又は大きさが異なる透過領域が混在している遮光部２４の一例を示す説明図である。 形状又は大きさが異なる透過領域が混在している遮光部２４の一例を示す説明図である。 実施の形態２による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。 実施の形態３による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。 実施の形態４による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。 実施の形態５による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。 実施の形態６による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。 実施の形態７による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。 移動体復元部８６による移動体１の輝度分布推定処理を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。
図１において、移動体１は、大気の外、あるいは、大気中に存在している物体である。
移動体１に反射された光束又は移動体１から送信された光束は、大気の屈折率分布のゆらぎが原因で、広がってしまった光束２であり、光束２は、波面計測装置３に入射される。
波面計測装置３は、入射された光束２から、波面を計測する装置である。

結像光学系１１は、入射された光束２を集光する光学系である。
光束分割部１２は、例えば、ビームスプリッタによって実現される。
光束分割部１２は、結像光学系１１により集光された光束２の光量を２つに分割することで、光束２を２つに分割する。
光束分割部１２は、分割後の一方の光束２をフォーカス調整レンズ１３に出力し、分割後の他方の光束２をリレー光学系２１に出力する。
フォーカス調整レンズ１３は、光束分割部１２から出力された光束２の光路長を調整して、光路長調整後の光束２をシャッタ１４に出力する。

シャッタ１４は、光検出器１５により受光される光束２の光量を調整するために、フォーカス調整レンズ１３から出力された光束２の通過を時間的に制限する。
光検出器１５は、例えば、イメージセンサによって実現される。
光検出器１５は、シャッタ１４を通過してきた光束２から、移動体１の像を検出し、移動体１の像を示す強度画像を波面推定部２８に出力する。
波面計測装置３は、フォーカス調整レンズ１３、シャッタ１４及び光検出器１５を備えるため、移動体１の像を示す強度画像を得ることができる。しかし、波面計測装置３が、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定する上では、フォーカス調整レンズ１３、シャッタ１４及び光検出器１５は、必須の構成要素ではない。

リレー光学系２１は、レンズアレイ２５において、光束分割部１２から出力された光束２のピントが合うように、レンズアレイ２５を結像光学系１１の瞳と光学的に等価とする光学系である。
フォーカス調整レンズ２２は、リレー光学系２１を透過してきた光束２の光路長を調整して、光路長調整後の光束２を空間分割部２３に出力する。

空間分割部２３は、遮光部２４及びレンズアレイ２５を備えている。
空間分割部２３は、フォーカス調整レンズ２２から出力された光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割し、複数の空間領域の光束２ａを光検出器２７の受光面２７ａ（図７又は図８を参照）に集光する。
遮光部２４は、フォーカス調整レンズ２２から出力された光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割する。
レンズアレイ２５は、複数のレンズ２５ａ（図５から図８を参照）を含んでおり、それぞれのレンズ２５ａがそれぞれの空間領域の光束２ａを光検出器２７の受光面２７ａに集光する。
実施の形態１の波面計測装置３では、複数の空間領域は、形状及び大きさのそれぞれが均一の領域であるものとする。
また、実施の形態１の波面計測装置３では、遮光部２４により光束２が遮光されない複数の透過領域と、レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口とが空間的に一致しているものとする。したがって、複数の空間領域は、遮光部２４による複数の透過領域と一致し、かつ、複数のレンズの開口と一致している。

シャッタ２６は、光検出器２７により受光される光束２ａの光量を調整するために、レンズアレイ２５から出力された光束２ａの通過を時間的に制限する。
光検出器２７は、例えば、イメージセンサによって実現される。
光検出器２７は、シャッタ２６を通過してきた複数の空間領域の光束２ａのそれぞれを受光する受光面２７ａを有している。
光検出器２７は、受光面２７ａで受光されるそれぞれの光束２ａから、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、それぞれの集光スポット像を示す強度画像を波面推定部２８に出力する。

波面推定部２８は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、波面推定回路などによって実現される。
波面推定部２８は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面の概算値を算出する。
また、波面推定部２８は、概算値を用いて、複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と複数の集光スポット像から、結像光学系１１の開口における波面を推定する処理を実施する。

移動体復元部２９は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、移動体復元回路などによって実現される。
移動体復元部２９は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像と、波面推定部２８により算出された点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定する処理を実施する。
保存装置３０は、例えば、記憶処理回路によって実現される。
保存装置３０は、波面推定部２８により推定された波面及び移動体復元部２９により推定された移動体１の輝度分布などを記録する装置である。

ここで、波面推定回路及び移動体復元回路のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
また、記憶処理回路は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒy）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、あるいは、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）が該当する。

時刻校正部４１は、クロックを内蔵しており、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星から発信されるＧＰＳ信号又はＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を用いて、クロックの時刻を校正する。
カウンタ４２は、時刻校正部４１により校正されたクロックの時刻が或る時刻になると、或る時刻からの経過時間を計測する。
制御装置４３は、パーソナルコンピュータなどの計算機によって実現される。
制御装置４３は、カウンタ４２により計測された経過時間に基づいて、フォーカス調整レンズ１３，２２、シャッタ１４，２６、光検出器１５，２７及び駆動装置４４のそれぞれを制御する装置である。
駆動装置４４は、制御装置４３から出力される制御信号に従って結像光学系１１の指向方向を変更する装置である。

図２は、実施の形態１による波面計測装置３を含む移動体観測装置の外観を示す斜視図である。
図２において、筐体５１は、結像光学系１１、光束分割部１２、フォーカス調整レンズ１３，２２、シャッタ１４，２６、光検出器１５，２７、リレー光学系２１及び空間分割部２３を実装している。
筐体５２は、波面推定部２８、移動体復元部２９、保存装置３０、時刻校正部４１、カウンタ４２及び制御装置４３を実装している。

レンズなどの光学部品及び人間の瞳などは、光が透過する。また、鏡などの光学部品は、光を反射させる。光が光学部品等を透過することで、光の位相分布が変化し、光が光学部品に反射されることで、光の位相分布が変化する。
地球の大気は、酸素、窒素及び水蒸気などの媒質によって構成されており、レンズなどの光学部品と同様に、光が透過する。
酸素等の媒質は、温度の変化及び気圧の変化に伴って屈折率が変動するため、地球の大気を透過する光の位相分布は、温度の変化及び気圧の変化に伴って変化する。光は、電磁波であるため、光の位相分布は、波面として捉えることが可能である。

図１に示す波面計測装置３は、大気の外、あるいは、大気中に存在している移動体１に反射された光束２又は移動体から送信された光束２を受信することで、波面を推定する装置であり、波面計測装置３により推定される波面は、酸素等の媒質の屈折率が変化することで変化する。
媒質の屈折率の変化自体は小さいが、光が伝搬される光路が長くなると、屈折率の変化は、光の波長と比較して、無視できない大きさとなるため、波面の推定においては、大気のゆらぎの影響を強く受ける。
また、地上の大気は、太陽からの輻射の影響及び熱輸送の影響を受けるとともに、地球の自転の影響を受けるため、地上と上空の間には、大気の層が形成される。大気の層を透過してくる光の波面は、複雑に乱れる。

次に、図１に示す移動体観測装置について説明する。
図３は、図１に示す移動体観測装置の処理手順を示すフローチャートである。
駆動装置４４は、移動体１が波面計測装置３と相対的に移動している場合でも、結像光学系１１が、移動体１に反射された光束２又は移動体１から送信された光束２を集光することができるようにするため、結像光学系１１の指向方向を変更する。
例えば、移動体１が恒星である場合、移動体１は、日周運動によって、１秒間に１５秒角（＝１５／３６００度）ほど、移動する。したがって、移動体１の追尾を可能にするには、駆動装置４４が、結像光学系１１の指向方向を秒角精度で制御できる必要がある。

時刻校正部４１は、駆動装置４４が、結像光学系１１の指向方向を秒角精度で制御できるようにするため、ＧＰＳ衛星から発信されるＧＰＳ信号又はＮＴＰを用いて、内蔵のクロックの時刻を校正する。
カウンタ４２は、時刻校正部４１により校正されたクロックの時刻が或る時刻になると、或る時刻からの経過時間を計測する。
制御装置４３は、カウンタ４２により計測された経過時間に基づいて、フォーカス調整レンズ１３，２２、シャッタ１４，２６、光検出器１５，２７及び駆動装置４４を制御する。
駆動装置４４は、制御装置４３から出力される制御信号に従って結像光学系１１の指向方向を変更する。

結像光学系１１は、移動体１に反射された光束２又は移動体１から送信された光束２が入射されると、入射された光束２を集光する（図３のステップＳＴ１）。
光束分割部１２は、結像光学系１１により集光された光束２の光量を２つに分割することで、光束２を２つに分割する。
光束分割部１２は、分割後の一方の光束２をフォーカス調整レンズ１３に出力し、分割後の他方の光束２をリレー光学系２１に出力する。

フォーカス調整レンズ１３は、光束分割部１２から光束２を受けると、制御装置４３から出力される制御信号に従って光束２の光路長を調整し、光路長調整後の光束２をシャッタ１４に出力する。
光束分割部１２から出力される光束２の光路長は、例えば、温度の変化に伴って変化する。制御装置４３は、光束分割部１２から出力される光束２の光路長が、或る基準温度での光路長と一致するように、フォーカス調整レンズ１３における光路長の調整量を制御する。

シャッタ１４は、光検出器１５により受光される光束２の光量を調整するために、制御装置４３から出力される制御信号に従ってフォーカス調整レンズ１３から出力された光束２の通過を時間的に制限する。
光検出器１５での光束２の露光時間がコヒーレンス時間よりも長くなると、大気の状態が変わるため、光検出器１５により検出される移動体１の像の広がりが大きくなる。コヒーレンス時間は一般に１〜１０ｍｓ程度である。
移動体１が高速で移動している場合、制御装置４３は、光検出器１５での光束２の露光時間がコヒーレンス時間よりも短くなるように、シャッタ１４における光束２の通過時間を制御する。
制御装置４３が、上記のように、シャッタ１４における光束２の通過時間を制御する場合、光検出器１５により受光される光束２の光量が少なくなってしまうことがある。光束２の光量が少なくなってしまう場合、制御装置４３が、シャッタ１４において、光束２の通過と遮光が複数回繰り返されるように制御することで、光検出器１５が、複数回、移動体１の像を検出できるようにする。

光検出器１５は、シャッタ１４を通過してきた光束２から、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、集光スポット像を示す強度画像を波面推定部２８に出力する。
ここで、図４は、光検出器１５により検出される移動体１の像を示す説明図である。
図４は、地上と上空の間に３つの大気層がある例を示しており、１０１は第１の大気層、１０２は第２の大気層、１０３は第３の大気層である。
図４では、結像光学系１１が、模式的に１枚のレンズとして表記されている。一般的には、結像光学系１１の収差を減らすために、結像光学系１１が、複数枚のレンズによって構成されることが多い。また、結像光学系１１における色収差を低減するために、結像光学系１１が、複数枚の反射鏡によって構成されることもある。

結像光学系１１が、入射された光束２を光検出器１５の受光面に集光することで、光検出器１５の受光面には、移動体１の像１０４が形成される。
光束２が第１の大気層１０１、第２の大気層１０２及び第３の大気層１０３を透過する際に波面が乱されるため、移動体１の像１０４は、仮に移動体１が点とみなせる物体であっても、広がってしまう。
したがって、結像光学系１１の収差を要因とする像１０４の広がり及び光検出器１５の分解能を要因とする像１０４の広がりを除外すれば、像１０４の広がりの要因は、大気ゆらぎである。
なお、移動体１が、広がりを有する物体である場合、結像光学系１１の収差及び光検出器１５の分解能を要因とする広がりを除外すれば、像１０４の広がりは、物体自体の広がりと、大気ゆらぎによる広がりで表される。数学的には物体自体の広がりが、波面が等しいとみなせる角度範囲及びアイソプラナテック角を満たす場合、像１０４の広がりは物体自体の広がりと大気揺らぎによる広がりの畳み込みで表される。

リレー光学系２１は、レンズアレイ２５を結像光学系１１の瞳と光学的に等価とする光学系であり、光束分割部１２から光束２を受けると、光束２をフォーカス調整レンズ２２に出力する。
フォーカス調整レンズ２２は、制御装置４３から出力される制御信号に従ってリレー光学系２１を透過してきた光束２の光路長を調整し、光路長調整後の光束２を空間分割部２３の遮光部２４に出力する。
リレー光学系２１を透過してくる光束２の光路長は、例えば、温度の変化に伴って変化する。制御装置４３は、リレー光学系２１を透過してくる光束２の光路長が、或る基準温度での光路長と一致するように、フォーカス調整レンズ２２における光路長の調整量を制御する。

空間分割部２３は、フォーカス調整レンズ２２から光束２を受けると、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割し、複数の空間領域の光束２ａをシャッタ２６に出力する（図３のステップＳＴ２）。
即ち、遮光部２４は、フォーカス調整レンズ２２から光束２を受けると、光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割する。
遮光部２４は、複数の空間領域の光束２ａをレンズアレイ２５に出力する。
レンズアレイ２５に含まれているそれぞれのレンズ２５ａは、遮光部２４からそれぞれの空間領域の光束２ａを受けると、それぞれの空間領域の光束２ａを光検出器２７の受光面２７ａに集光する。

シャッタ２６は、光検出器２７により受光される光束２ａの光量を調整するために、制御装置４３から出力される制御信号に従ってレンズアレイ２５から出力された光束２ａの通過を時間的に制限する。
移動体１が高速で移動している場合、光検出器２７での光束２ａの露光時間がコヒーレンス時間よりも長くなると、光検出器２７により検出される移動体１の像の広がりが大きくなる。
移動体１が高速で移動している場合、制御装置４３は、光検出器２７での光束２ａの露光時間がコヒーレンス時間よりも短くなるように、シャッタ２６における光束２ａの通過時間を制御する。
制御装置４３が、上記のように、シャッタ２６における光束２ａの通過時間を制御する場合、光検出器２７により受光される光束２ａの光量が少なくなってしまうことがある。光束２ａの光量が少なくなってしまう場合、制御装置４３が、シャッタ２６において、光束２ａの通過と遮光が複数回繰り返されるように制御することで、光検出器２７が、複数回、移動体１の像を検出できるようにする。

光検出器２７は、シャッタ２６を通過してきたそれぞれの光束２ａから、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、複数の集光スポット像を示す強度画像を波面推定部２８に出力する（図３のステップＳＴ３）。
ここで、図５は、光検出器２７により検出される移動体１の像を示す説明図である。図５において、図４と同一符号は同一又は相当部分を示している。
図５では、結像光学系１１及びリレー光学系２１による光束の変化を省略している。
レンズアレイ２５に含まれているそれぞれのレンズ２５ａが、それぞれの空間領域の光束２ａを光検出器２７の受光面２７ａに集光することで、光検出器２７の受光面２７ａには、空間領域の個数分だけ、移動体１の像１０５が形成される。
光検出器２７の受光面２７ａに形成される複数の像１０５は、大気のゆらぎを要因とする広がりを持っており、波面の推定に用いることができる。

移動体１が波面計測装置３と相対的に移動している場合、地上から移動体１を見る方向が異なると、光束２の伝搬経路が等しくなくなり、波面が、伝搬経路によって異なるようになる。
図６は、波面が伝搬経路によって異なる場合の光検出器２７により検出される移動体１の像を示す説明図である。図６において、図４及び図５と同一符号は同一又は相当部分を示している。
光束４、光束５及び光束６のそれぞれは、移動体１に反射された光束又は移動体１から送信された光束である。光束４、光束５及び光束６は、途中の大気層の揺らぎの寄与が互いに異なっており、光束４の伝搬経路、光束５の伝搬経路及び光束６の伝搬経路は、互いに異なっている。
レンズアレイ２５によって、光検出器２７の受光面２７ａに集光される複数の空間領域の光束２ａが、光束４、光束５及び光束６のそれぞれであるとみなすと、受光面２７ａには、光束４、光束５及び光束６のそれぞれによって移動体１の像１０６が形成される。
光検出器２７の受光面２７ａに形成される複数の像１０６は、大気のゆらぎを要因とする広がりを持っており、波面の推定に用いることができる。

図７及び図８は、光検出器２７により検出される移動体１の像と波面の関係を示す説明図である。
図７は、光束２が進行方向に対して広がらずに伝搬されている例を示し、図８は、光束２が進行方向に対して広がりながら伝搬されている例を示している。
図７及び図８において、１０６ａは、光束２が進行方向に対して広がらずに伝搬されている場合の移動体１の像であり、１０６ｂは、光束２が進行方向に対して広がりながら伝搬されている場合の移動体１の像である。
光束２が進行方向に対して広がらずに伝搬されている場合、図７に示すように、レンズアレイ２５のそれぞれのレンズ２５ａにより集光される移動体１の像１０６ａの位置は、遮光部２４により分割された複数の空間領域のそれぞれの位置と一致している。
光束２が進行方向に対して広がりながら伝搬されている場合、図８に示すように、レンズアレイ２５のそれぞれのレンズ２５ａにより集光される移動体１の像１０６ｂの位置は、遮光部２４により分割された複数の空間領域のそれぞれの位置とずれている。
波面１０７ａは、移動体１の複数の像１０６ａの位置から求められ、波面１０７ｂは、移動体１の複数の像１０６ｂの位置から求められる。

図７及び図８では、遮光部２４により分割された複数の空間領域が格子状に配置されている例を示している。しかし、これに限るものではなく、例えば、複数の空間領域の配置がハニカム配置であってもよい。
図７及び図８では、遮光部２４において、光束２が遮光される遮光領域、即ち、光束２を透過する透過領域以外の領域が、黒く塗られている例を示している。しかし、遮光部２４において、遮光領域は、不要な光を透過させなければよく、黒以外の色が塗られていてもよい。
また、遮光部２４において、遮光領域は、不要な光を吸収する着色又は加工が施されていてもよいし、不要な光を散乱する着色又は加工が施されていてもよい。

波面推定部２８は、光検出器２７から複数の集光スポット像を示す強度画像を受けると、強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定する（図３のステップＳＴ４）。
図９は、波面推定部２８及び移動体復元部２９の処理手順を示すフローチャートである。
以下、図９を参照しながら、波面推定部２８の処理内容を具体的に説明する。

まず、波面推定部２８は、光検出器２７から複数の集光スポット像を示す強度画像を受けると、強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面の概算値を算出する（図９のステップＳＴ１１）。
複数の集光スポット像の位置から、波面の概算値を算出する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
複数の集光スポット像の位置から波面を推定する方法は、例えば、以下の非特許文献１に開示されている。
［非特許文献１］国立天文台報 vol.2 No.2

ここでは、制御装置４３が、シャッタ２６において、光束２ａの通過と遮光が複数回繰り返されるように制御することで、光検出器２７からＮ枚の強度画像が波面推定部２８に出力されているものとする。
そして、波面推定部２８は、Ｎ枚の強度画像のうち、ｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）枚目の強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から、波面の概算値を算出しているものとする。
なお、移動体１が点像である場合、あるいは、移動体１が点像と近似できる場合、集光スポット像の位置として、点像の重心の位置を求める態様が考えられる。
また、移動体１が広がりのある物体である場合、波面は、複数の集光スポット像の間隔又は複数の集光スポット像の相対位置から求めることができる。したがって、集光スポット像の位置として、複数の集光スポット像の相互相関又は複数の集光スポット像の特徴的な位置の間隔を求める態様が考えられる。

波面推定部２８は、ｎ枚目の強度画像が示す複数の集光スポット像の位置から算出した概算値である波面の位相をΦ_０，ｎとする。
波面推定部２８は、以下の式（１）に示すように、結像光学系１１の開口における光束２の波面の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）の初期値として、位相Φ_０，ｎを用いることで、概算値よりも高精度な波面を推定する。（ｕ，ｖ）は、瞳空間の座標である。

以下、高精度な波面の推定処理を説明する前に、高精度な波面の推定処理の原理及び移動体１の輝度分布推定処理の原理を説明する。

図１０は、移動体１が波面計測装置３と相対的に移動している場合において、結像光学系１１の開口と、複数の空間領域におけるそれぞれの開口と、移動体１の像１０６との関係を示す説明図である。
Ｍ_０（ｕ，ｖ）は、結像光学系１１の開口である。
Ｍ_１（ｕ，ｖ）、Ｍ_２（ｕ，ｖ）、・・・、Ｍ_Ｍ（ｕ，ｖ）のそれぞれは、複数の空間領域におけるそれぞれの開口である。Ｍ_Ｍ（ｕ，ｖ）における添え字のＭは、２以上の整数であり、例えば、ｍ＝１，２，・・・，Ｍである。
波面収差と瞳上の振幅分布で表される瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、以下の式（２）に示すように、ｎ枚目の強度画像に対応する、結像光学系１１の開口における光束２の波面の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）と、開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）とで表される。

開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）は、既知であり、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）の初期値は、概算値である波面の位相Φ_０，ｎであるため、瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）と開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）から算出される。

また、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）と、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）との関係は、以下の式（３）で表される。

式（３）において、λは、波長である。

振幅広がり関数ａ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、以下の式（４）に示すように、瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）が逆フーリエ変換されることで得られる。

式（４）において、Ｆ^−１は、逆フーリエ変換を表す記号である。
点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、以下の式（５）に示すように、振幅広がり関数ａ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）と、振幅広がり関数ａ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）の複素共役との積で表される。（ｘ，ｙ）は、実空間の座標である。

移動体１の輝度分布がｏ（ｐ，ｑ）、光検出器２７で生じるノイズがｅ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）で表されるとすると、ｍ番目の空間領域の開口Ｍ_ｍ（ｕ，ｖ）に対応する移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、以下の式（６）で表される。（ｐ，ｑ）は、移動体１が存在している位置を示す実空間の座標である。
移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、移動体１に反射される光束２の強度又は移動体１から送信される光束２の強度である。

式（６）における畳み込み積分を“＊”の記号で表記すると、式（６）は、以下の式（７）で表される。

一般的には、移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）との畳み込み積分で得られるが、式（６）及び式（７）には、光検出器２７で生じるノイズｅ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）が付加されている。

以下の式（８）は、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）と点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とから得られる移動体１の像であるｏ（ｐ，ｑ）＊ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、移動体１の実測の像であるｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）との差分の二乗和ｅを示している。

式（８）において、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、式（２）、式（４）及び式（５）から得られる。したがって、式（８）において、未知の値は、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）のみである。
移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、差分の二乗和ｅが最小になるｏ（ｐ，ｑ）を探索することで求まる。

移動体１は、波面計測装置３に対して相対的に運動しており、駆動装置４４が結像光学系１１の指向方向を変更しても、移動体１と波面計測装置３の相対運動は、完全にはキャンセルできないものとする。
したがって、時刻ｔが変わることで、移動体１の相対位置が変わる。
時刻ｔが変わる回数と、波面推定部２８が得る強度画像の枚数であるフレーム数とは、同じである必要はないが、フレーム数が例えば１０であれば、１０点の時刻の強度画像が得られることになるため、フレームの番号は、時刻の番号と対応する。
ここでは、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、フレームに依存しておらず、変化していないものとする。ただし、波面は、フレーム毎に、変化しているものとする。

移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を探索する際、差分の二乗和は、位相空間で考えることができる。
以下の式（９）は、式（８）がフーリエ変換されたものであり、式（８）に示す差分の二乗和ｅが、位相空間での差分の二乗和Ｅになっている。

式（９）において、Ｉ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のスペクトルであり、以下の式（１０）のように表される。

式（１０）において、Ｆは、フーリエ変換を表す記号である。
式（９）において、Ｏ（ｕ，ｖ）は、ｏ（ｐ，ｑ）のスペクトルであり、以下の式（１１）のように表される。

光検出器２７で生じるノイズｅ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）があるために、Ｏ（ｕ，ｖ）＝ｉ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）／Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）のように表現することができないので、式（１１）のように、表されている。
式（１１）において、γは、解の安定化のために導入している係数である。
Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、瞳関数Ｇ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）の自己相関であり、以下の式（１２）で表される。Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）は、規格化されていないが、光学伝達関数である。

式（１１）を式（９）に代入すると、以下の式（１３）が得られる。

式（１３）に示す差分の二乗和Ｅは、開口Ｍ_ｍ（ｐ，ｑ）と、位相Φ_ｎ（ｐ，ｑ）と、移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のスペクトルＩ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）とで表されており、未知である移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）のスペクトルＯ（ｕ，ｖ）に依存していない。
波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）は、以下の式（１４）に示す差分の二乗和Ｅｒｒが最小になる位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を求めれば、式（２）よって推定することができる。

差分の二乗和Ｅｒｒが最小になる位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を求めることで、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定する場合でも、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を求めることが可能であるが、式（１４）は、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）に依存していない。したがって、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）が実空間で０よりも大きい実数であるという、計算上の強い制約を与えられない。
移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）が実空間で０よりも大きい実数であるという制約を与えるには、実空間における差分の二乗和ｅを示す式（８）に対して、さらに制約を与えればよい。
以下の式（１５）は、実空間における差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を示している。

光検出器２７が、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などのイメージセンサである場合、主なノイズは、ショットノイズと読み出しノイズである。
読み出しノイズは、正規分布に従い、中央値が０で、標準偏差がσであるとする。ショットノイズは、取得したフレームの輝度分布に比例する。
したがって、式（１５）をノイズで規格化すると、式（１６）のようになる。

ノイズに対する実空間における差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）の比が、１よりも大きければ、ずれが大きく、１であれば、ずれがなく、１よりも小さければ、ずれが小さいことを意味する。

式（８）の代わりに、以下の式（１７）に示す尤度関数を導入する。

式（１７）において、ｄ_ｍ（ｘ，ｙ）は、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に与える重みであり、例えば、ずれが大きいフレームは、信頼度が低いので、小さい重みが与えられる。
また、実空間上において、計算する領域の重みを１、計算を省略する領域の重みを０として、計算量を減らすことが可能である。
以上が、波面の推定処理の原理及び移動体１の輝度分布推定処理の原理である。

波面推定部２８は、概算値である波面の位相をΦ_０，ｎとすると、Φ_０，ｎを、式（２）に示すΦ_ｎ（ｕ，ｖ）の初期値に設定する。
波面推定部２８は、式（２）、式（４）及び式（５）を算出することで、点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する（図９のステップＳＴ１２）。
波面推定部２８は、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）及び移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のそれぞれをフーリエ変換することで、光学伝達関数Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）及び移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）のスペクトルＩ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）を得る（図９のステップＳＴ１３）。

波面推定部２８は、光学伝達関数Ｋ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）及びスペクトルＩ_ｍ，ｎ（ｕ，ｖ）を式（１４）に代入し、差分の二乗和Ｅｒｒを算出する（図９のステップＳＴ１４）。
波面推定部２８は、差分の二乗和Ｅｒｒを算出すると、位相の探索処理が収束しているか否かを判定する（図９のステップＳＴ１５）。
位相の探索処理の収束判定として、例えば、算出した差分の二乗和Ｅｒｒが事前に設定されている第１の許容誤差以下であれば、収束していると判定する方法がある。収束していると判定したときの算出した差分の二乗和Ｅｒｒは、最小の二乗和Ｅｒｒである。第１の許容誤差は、例えば、波面推定部２８の内部メモリ又は保存装置３０に格納されているものとする。
また、位相の探索処理の収束判定として、例えば、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を変更しながら、事前に設定された回数だけ差分の二乗和Ｅｒｒを算出し、算出した二乗和Ｅｒｒの中で、最小の二乗和Ｅｒｒを特定したら、収束していると判定する方法がある。

波面推定部２８は、位相の探索処理が収束していなければ（図９のステップＳＴ１５：ＮＯの場合）、式（２）に示す位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を変更し（図９のステップＳＴ１６）、変更後の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を式（２）に設定する。
波面推定部２８は、ステップＳＴ１２〜ＳＴ１５の処理を再度実施する。
変更後の位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）は、未だ式（２）に設定していない位相であれば、どのような位相でもよいが、差分の二乗和Ｅｒｒが小さくなるような位相であることが望ましい。
波面推定部２８は、位相の探索処理が収束していれば（図９のステップＳＴ１５：ＹＥＳの場合）、位相の探索処理を終了する。

波面推定部２８は、位相の探索処理が終了すると、最小の二乗和Ｅｒｒが算出された位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）を式（３）に代入することで、結像光学系１１の開口における光束２の波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定する（図９のステップＳＴ１７）。
推定された波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）は、ステップＳＴ１１で算出された概算値としての波面よりも高精度な波面である。
波面推定部２８は、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を保存装置３０に出力する。
また、波面推定部２８は、最小の二乗和Ｅｒｒが算出された位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）に対応する点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を移動体復元部２９に出力する。

移動体復元部２９は、波面推定部２８から出力された点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、光検出器２７から出力された強度画像が示す移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とから、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を推定する（図３のステップＳＴ５）。
以下、移動体復元部２９による移動体１の輝度分布推定処理を具体的に説明する。

まず、移動体復元部２９は、波面推定部２８から出力された点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と光検出器２７から出力された強度画像が示す移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とを式（１６）に代入して、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する。
また、移動体復元部２９は、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を式（１７）に代入して、差分の二乗和ｅを算出する（図９のステップＳＴ１８）。
ここでは、式（１７）に示す重みｄ_ｍ（ｘ，ｙ）は、事前に設定された値に固定されていることを想定しているが、移動体復元部２９によって変更されるようにしてもよい。

移動体復元部２９は、差分の二乗和ｅを算出すると、移動体１の輝度分布推定処理が収束しているか否かを判定する（図９のステップＳＴ１９）。
移動体１の輝度分布推定処理の収束判定として、例えば、算出した差分の二乗和ｅが事前に設定されている第２の許容誤差以下であれば、収束していると判定する方法がある。収束していると判定したときの算出した差分の二乗和ｅは、最小の二乗和ｅである。第２の許容誤差は、例えば、移動体復元部２９の内部メモリ又は保存装置３０に格納されているものとする。
また、移動体１の輝度分布推定処理の収束判定として、例えば、移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を変更しながら、事前に設定された回数だけ差分の二乗和ｅを算出し、算出した二乗和ｅの中で、最小の二乗和ｅを特定したら、収束していると判定する方法がある。

移動体復元部２９は、移動体１の輝度分布推定処理が収束していなければ（図９のステップＳＴ１９：ＮＯの場合）、式（１６）に示す移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を変更し（図９のステップＳＴ２０）、ステップＳＴ１８〜ＳＴ１９の処理を再度実施する。
変更後の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）は、未だ式（１６）に設定していない輝度分布であれば、どのような輝度分布でもよいが、差分の二乗和ｅが小さくなるような輝度分布であることが望ましい。
移動体復元部２９は、移動体１の輝度分布推定処理が収束していれば（図９のステップＳＴ１９：ＹＥＳの場合）、移動体１の輝度分布推定処理結果として、最小の二乗和ｅが算出された移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を保存装置３０に出力する（図９のステップＳＴ２１）。

以上の実施の形態１は、波面推定部２８が、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束の波面の概算値を算出し、概算値を用いて、複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と複数の集光スポット像とから波面を推定するように、波面計測装置３を構成した。したがって、波面計測装置３は、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、波面を計測することができる。

以上の実施の形態１は、移動体復元部２９が、光検出器２７により検出された集光スポット像と、波面推定部２８により算出された点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定するように、移動体観測装置を構成した。したがって、移動体観測装置は、移動体１の輝度分布を推定することができる。

実施の形態１の波面計測装置３では、波面推定部２８が、点像強度分布と光検出器２７により検出された複数の集光スポット像とから、結像光学系１１の開口における光束２の波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定している。
しかし、これは一例に過ぎず、波面推定部２８は、式（２）、式（４）及び式（５）によって点像強度分布を算出した後、点像強度分布と光検出器１５により検出された集光スポット像とから、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定するようにしてもよい。

実施の形態１の波面計測装置３では、遮光部２４により光束２が遮光されない複数の透過領域と、レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口とが空間的に一致している。
図１１は、レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口と、光束２を透過する透過領域が等しい遮光部２４の一例を示す説明図である。

また、遮光部２４の複数の透過領域が、レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口よりも小さくてもよい。即ち、開口の一部（部分開口）が透過領域であってもよい。
複数の透過領域が、複数のレンズの開口よりも小さい場合、複数の空間領域は、複数の透過領域と一致するが、複数のレンズの開口とは一致しない。
図１２及び図１３は、レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口よりも、光束２を透過する透過領域が小さい遮光部２４の一例を示す説明図である。
図１２及び図１３には、レンズアレイ２５に含まれている複数のレンズの開口が図示されていないが、図１２及び図１３に図示されている複数の透過領域は、複数のレンズの開口よりも小さい。

また、図１４に示すように、複数の透過領域の中に、光束２が遮光される領域が含まれていてもよい。
複数の透過領域の中に、光束２が遮光される領域が含まれている場合、複数の空間領域の形状は、リング形状となる。
図１４は、複数の透過領域の中に、光束２が遮光される領域が含まれている遮光部２４の一例を示す説明図である。

また、図１５及び図１６に示すように、形状又は大きさが異なる透過領域が混在していてもよい。
図１５及び図１６は、形状又は大きさが異なる透過領域が混在している遮光部２４の一例を示す説明図である。
形状又は大きさが異なる透過領域が混在している場合、レンズの開口よりも小さい部分開口の透過領域においては、空間領域が、当該透過領域と一致するが、レンズの開口とは一致しない。

実施の形態２．
実施の形態１の波面計測装置３は、空間分割部２３が１つの遮光部２４を備えている。
実施の形態２では、空間分割部６１が、２つの遮光部として、第１の遮光部２４ａ及び第２の遮光部２４ｂを備えている波面計測装置３について説明する。

図１７は、実施の形態２による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。図１７において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
空間分割部６１は、光スイッチ６２、第１の遮光部２４ａ、第２の遮光部２４ｂ及びレンズアレイ２５を備えている。
空間分割部６１は、図１に示す空間分割部２３と同様に、フォーカス調整レンズ２２から出力された光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割し、複数の空間領域の光束２ａをシャッタ２６に出力する。

光スイッチ６２は、入力側がフォーカス調整レンズ２２の出力側と接続され、第１の出力側が第１の遮光部２４ａの入力側と接続され、第２の出力側が第２の遮光部２４ｂの入力側と接続されている。
光スイッチ６２は、制御装置６３によって、フォーカス調整レンズ２２から出力された光束２の出力先が切り替えられ、光束２を第１の遮光部２４ａ又は第２の遮光部２４ｂに出力する。

第１の遮光部２４ａは、光スイッチ６２から出力された光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の第１の空間領域の光束２ａに分割する。
第２の遮光部２４ｂは、光スイッチ６２から出力された光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の第２の空間領域の光束２ａに分割する。
第１の遮光部２４ａにより光束２が遮光されない複数の透過領域における形状又は大きさと、第２の遮光部２４ｂにより光束２が遮光されない複数の透過領域における形状又は大きさとは、異なっている。
例えば、第１の遮光部２４ａが図１２に示す遮光部であり、第２の遮光部２４ｂが図１３に示す遮光部である態様が考えられる。
第１の遮光部２４ａと第２の遮光部２４ｂとにおいて、複数の透過領域における形状又は大きさが異なる場合、複数の第１の空間領域における形状又は大きさと、複数の第２の空間領域における形状又は大きさとは、異なる。

制御装置６３は、パーソナルコンピュータなどの計算機によって実現される。
制御装置６３は、図１に示す制御装置４３と同様に、カウンタ４２により計測された経過時間に基づいて、フォーカス調整レンズ１３，２２、シャッタ１４，２６、光検出器１５，２７及び駆動装置４４を制御する装置である。
また、制御装置６３は、光スイッチ６２における光束２の出力先を制御する。

次に、図１７に示す移動体観測装置の動作について説明する。
ただし、空間分割部６１及び制御装置６３以外は、実施の形態１の移動体観測装置と同様であるため、空間分割部６１及び制御装置６３の動作のみを説明する。

光束２が透過する空間領域は、大きさが小さい場合、大きい場合と比べて、透過する光束２の光量が少なくなってしまうが、透過する光束２が細くなるため、光検出器２７により検出される複数の集光スポット像と波面の相関が大きくなる。
したがって、波面推定部２８で実施される波面の推定処理は、空間領域の大きさが小さい場合、空間領域の大きさが大きい場合よりも、早く終了する。
ここでは、説明の便宜上、第１の遮光部２４ａの透過領域に対応する第１の空間領域の大きさが、第２の遮光部２４ｂの透過領域に対応する第２の空間領域の大きさよりも小さいものとする。

制御装置６３は、波面の推定処理の処理時間を短縮することを優先する場合、推定処理の最初の段階では、光スイッチ６２から光束２が第１の遮光部２４ａに出力されるように、光スイッチ６２における光束２の出力先を制御する。制御装置６３によって、光束２の出力先が制御されることで、第１の遮光部２４ａから出力された光束２ａが、レンズアレイ２５に与えられる。
制御装置６３は、波面の推定処理が進んで、収束に近づいてきたら、光スイッチ６２から光束２が第２の遮光部２４ｂに出力されるように、光スイッチ６２における光束２の出力先を制御する。制御装置６３によって、光束２の出力先が制御されることで、第２の遮光部２４ｂから出力された光束２ａが、レンズアレイ２５に与えられる。
例えば、式（１４）に示す差分の二乗和Ｅｒｒが、閾値よりも小さければ、制御装置６３は、収束に近づいてきていると判断することができる。閾値は、例えば、制御装置６３の内部メモリ又は保存装置３０に格納されているものとする。閾値＞第１の許容誤差である。

ここでは、制御装置６３が、推定処理の最初の段階では、光スイッチ６２から光束２が第１の遮光部２４ａに出力されるように制御し、収束に近づいてきたら、光スイッチ６２から光束２が第２の遮光部２４ｂに出力されるように制御する例を示している。しかし、これは一例に過ぎない。
制御装置６３は、例えば、複数のフレームのうち、奇数フレームでは、光スイッチ６２から光束２が第１の遮光部２４ａに出力されるように制御し、偶数フレームでは、光スイッチ６２から光束２が第２の遮光部２４ｂに出力されるように制御してもよい。

以上の実施の形態２は、空間分割部６１が、光スイッチ６２、第１の遮光部２４ａ、第２の遮光部２４ｂ及びレンズアレイ２５を備えるように、波面計測装置３を構成した。したがって、実施の形態２の波面計測装置３は、実施の形態１の波面計測装置３よりも、例えば、波面の推定結果が得られるまでの時間を短くすることが可能となる。

図１７に示す波面計測装置３では、空間分割部６１が、２つの遮光部として、第１の遮光部２４ａ及び第２の遮光部２４ｂを備えている。しかし、これは一例に過ぎず、空間分割部６１が、３つ以上の遮光部を備えるようにしてもよい。空間分割部６１が、３つ以上の遮光部を備える場合、３つ以上の遮光部の透過領域に対応する空間領域の大きさは、互いに異なっている。
制御装置６３は、フォーカス調整レンズ２２から出力された光束２の出力先が、３つ以上の遮光部のいずれかとなるように、光スイッチ６２における光束２の出力先を制御する。

実施の形態３．
実施の形態３では、空間分割部６４が、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃを備えている波面計測装置３について説明する。
図１８は、実施の形態３による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。図１８において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
空間分割部６４は、遮光部２４、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃ及びレンズアレイ２５を備えている。
空間分割部６４は、図１に示す空間分割部２３と同様に、フォーカス調整レンズ２２から出力された光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割し、複数の空間領域の光束２ａをシャッタ２６に出力する。
空間分割部６４が備える遮光部２４は、形状又は大きさが異なる透過領域が混在している。
遮光部２４が、例えば、図１６に示す遮光部であれば、３種類の透過領域が混在している。
実施の形態３では、説明の便宜上、遮光部２４が、図１６に示す遮光部であるものとする。

シャッタ６５ａは、遮光部２４における第１の透過領域群と対向するように設置されている。
シャッタ６５ａは、第１の透過領域群に含まれている複数の透過領域を透過してきた光束２ａの光量を調整し、光量調整後の光束２ａをレンズアレイ２５に出力する。
シャッタ６５ｂは、遮光部２４における第２の透過領域群と対向するように設置されている。
シャッタ６５ｂは、第２の透過領域群に含まれている複数の透過領域を透過してきた光束２ａの光量を調整し、光量調整後の光束２ａをレンズアレイ２５に出力する。
シャッタ６５ｃは、遮光部２４における第３の透過領域群と対向するように設置されている。
シャッタ６５ｂは、第３の透過領域群に含まれている複数の透過領域を透過してきた光束２ａの光量を調整し、光量調整後の光束２ａをレンズアレイ２５に出力する。
空間分割部６４は、３つのシャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃを備えている。しかし、これは一例に過ぎず、遮光部２４が、例えば、４つの透過領域群を備えていれば、空間分割部６４が、４つのシャッタを備えている。

制御装置６６は、パーソナルコンピュータなどの計算機によって実現される。
制御装置６６は、図１に示す制御装置４３と同様に、カウンタ４２により計測された経過時間に基づいて、フォーカス調整レンズ１３，２２、シャッタ１４，２６、光検出器１５，２７及び駆動装置４４を制御する装置である。
また、制御装置６６は、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御する。

次に、図１８に示す移動体観測装置の動作について説明する。
ただし、空間分割部６４及び制御装置６６以外は、実施の形態１の移動体観測装置と同様であるため、空間分割部６４及び制御装置６６の動作のみを説明する。

制御装置６６は、波面の推定処理の処理時間を短縮することを優先する場合、推定処理の最初の段階では、第２の透過領域群の重みが、第１及び第３の透過領域群の重みよりも大きくなるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御する。
具体的には、制御装置６６は、シャッタ６５ｂを通過する光量が、シャッタ６５ａ，６５ｃを通過する光量よりも多くなるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御する。
制御装置６６は、波面の推定処理が進んで、収束に近づいてきたら、第２の透過領域群の重みと、第１及び第３の透過領域群の重みとが同じになるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御する。
具体的には、制御装置６６は、シャッタ６５ｂを通過する光量が、シャッタ６５ａ，６５ｃを通過する光量と同じになるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御する。

ここでは、制御装置６６が、推定処理の最初の段階では、第２の透過領域群の重みが、第１及び第３の透過領域群の重みよりも大きくなるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御する。そして、収束に近づいてきたら、制御装置６６が、第２の透過領域群の重みと、第１及び第３の透過領域群の重みとが同じになるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御している。
しかし、これは一例に過ぎない。
制御装置６６は、複数のフレームのうち、奇数フレームでは、第２の透過領域群の重みが、第１及び第３の透過領域群の重みよりも大きくなるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御する。
一方、制御装置６６は、偶数フレームでは、第１及び第３の透過領域群の重みが、第２の透過領域群の重みよりも大きくなるように、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける光量の調整を制御するものであってもよい。

以上の実施の形態３は、空間分割部６４が、遮光部２４、シャッタ６５ａ，６５ｂ，６５ｃ及びレンズアレイ２５を備えるように、波面計測装置３を構成した。したがって、実施の形態３の波面計測装置３は、実施の形態１の波面計測装置３よりも、例えば、波面の推定結果が得られるまでの時間を短くすることが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態４では、光検出器１５，２７の他に、光検出器７７を備える波面計測装置３について説明する。
図１９は、実施の形態４による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。図１９において、図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

光束分割部７０は、例えば、ビームスプリッタによって実現される。
光束分割部７０は、結像光学系１１により集光された光束２の光量を３つに分割することで、光束２を３つに分割する。
光束分割部７０は、分割後のそれぞれの光束２をフォーカス調整レンズ１３、リレー光学系２１及びリレー光学系７１に出力する。
リレー光学系７１は、レンズアレイ７５において、光束分割部７０から出力された光束２のピントが合うように、レンズアレイ７５を結像光学系１１の瞳と光学的に等価とする光学系である。
フォーカス調整レンズ７２は、リレー光学系７１を透過してきた光束２の光路長を調整して、光路長調整後の光束２を空間分割部７３に出力する。

空間分割部７３は、遮光部７４及びレンズアレイ７５を備えている。
空間分割部７３は、フォーカス調整レンズ７２から出力された光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割し、複数の空間領域の光束２ａをシャッタ７６に出力する。
実施の形態４の波面計測装置３では、空間分割部２３が第１の空間分割部であり、空間分割部７３が第２の空間分割部である。

遮光部７４は、フォーカス調整レンズ７２から出力された光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割する。
レンズアレイ７５は、複数のレンズを含んでおり、複数の空間領域の光束２ａを光検出器７７の受光面に集光する。
遮光部２４により光束２が遮光されない複数の透過領域における形状又は大きさと、遮光部７４により光束２が遮光されない複数の透過領域における形状又は大きさとは、異なっている。
したがって、空間分割部２３により光束が分割される複数の空間領域の形状又は大きさと、空間分割部７３により光束が分割される複数の空間領域の形状又は大きさとが異なっている。
実施の形態４では、説明の便宜上、遮光部７４の透過領域に対応する空間領域の大きさが、遮光部２４の透過領域に対応する空間領域の大きさよりも小さいものとする。

シャッタ７６は、光検出器７７により受光される光束２ａの光量を調整するために、レンズアレイ７５から出力された光束２ａの通過を時間的に制限する。
光検出器７７は、例えば、イメージセンサによって実現される。
光検出器７７は、シャッタ７６を通過してきた複数の空間領域の光束２ａのそれぞれを受光する受光面を有している。
光検出器７７は、受光面で受光されるそれぞれの光束２ａから、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、それぞれの集光スポット像を示す強度画像を波面推定部７８に出力する。
実施の形態４の波面計測装置３では、光検出器２７が第１の光検出器であり、光検出器７７が第２の光検出器である。

波面推定部７８は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、波面推定回路などによって実現される。
波面推定部７８は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像の位置又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面の概算値を算出する処理を実施する。
波面推定部７８は、波面の概算値を用いて、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像を算出し、又は、光検出器７７により検出された複数の集光スポット像の点像強度分布を算出する処理を実施する。
波面推定部７８は、算出した点像強度分布と、光検出器２７により検出された集光スポット像又は光検出器７７により検出された集光スポット像とから、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定する処理を実施する。

移動体復元部７９は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、移動体復元回路などによって実現される。
移動体復元部７９は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像と、波面推定部７８により推定された点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定する処理を実施する。

制御装置８０は、パーソナルコンピュータなどの計算機によって実現される。
制御装置８０は、カウンタ４２により計測された経過時間に基づいて、フォーカス調整レンズ１３，２２，７２、シャッタ１４，２６，７６、光検出器１５，２７，７７及び駆動装置４４を制御する装置である。

次に、図１９に示す移動体観測装置について説明する。ただし、ここでは、図１に示す移動体観測装置と相違する部分だけを説明する。
光束分割部７０は、結像光学系１１により集光された光束２の光量を３つに分割することで、光束２を３つに分割する。
光束分割部７０は、分割後のそれぞれの光束２をフォーカス調整レンズ１３、リレー光学系２１及びリレー光学系７１に出力する。

リレー光学系７１は、光束分割部７０から光束２を受けると、光束２をフォーカス調整レンズ７２に出力する。
フォーカス調整レンズ７２は、制御装置８０から出力される制御信号に従ってリレー光学系７１を透過してきた光束２の光路長を調整し、光路長調整後の光束２を空間分割部７３の遮光部７４に出力する。
リレー光学系７１を透過してくる光束２の光路長は、例えば、温度の変化に伴って変化する。制御装置８０は、リレー光学系７１を透過してくる光束２の光路長が、或る基準温度での光路長と一致するように、フォーカス調整レンズ７２における光路長の調整量を制御する。

遮光部７４は、フォーカス調整レンズ７２から光束２を受けると、光束２を部分的に遮光することで、光束２を複数の空間領域の光束２ａに分割する。
遮光部７４は、複数の空間領域の光束２ａをレンズアレイ７５に出力する。
レンズアレイ７５は、遮光部７４から複数の空間領域の光束２ａを受けると、複数の空間領域の光束２ａが光検出器７７の受光面に集光されるように、複数の空間領域の光束２ａをシャッタ７６に出力する。

シャッタ７６は、光検出器７７により受光される光束２ａの光量を調整するために、制御装置８０から出力される制御信号に従ってレンズアレイ７５から出力された光束２ａの通過を時間的に制限する。
移動体１が高速で移動している場合、光検出器７７での光束２ａの露光時間がコヒーレンス時間よりも長くなると、光検出器７７により検出される移動体１の像の広がりが大きくなる。
移動体１が高速で移動している場合、制御装置８０は、光検出器７７での光束２ａの露光時間がコヒーレンス時間よりも短くなるように、シャッタ７６における光束２ａの通過時間を制御する。
制御装置８０が、上記のように、シャッタ７６における光束２ａの通過時間を制御する場合、光検出器７７により受光される光束２ａの光量が少なくなってしまうことがある。光束２ａの光量が少なくなってしまう場合、制御装置８０が、シャッタ７６において、光束２ａの通過と遮光が複数回繰り返されるように制御することで、光検出器７７が、複数回、移動体１の像を検出できるようにする。

光検出器７７は、シャッタ７６を通過してきたそれぞれの光束２から、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、それぞれの集光スポット像を示す強度画像を波面推定部７８に出力する。

波面推定部７８は、図１に示す波面推定部２８と同様の波面推定処理を実施することで、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定する。
ただし、波面推定部７８は、波面推定処理の実施に用いる集光スポット像が、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像に切り替わる点で、図１に示す波面推定部２８と相違している。

制御装置８０は、例えば、波面の推定処理の最初の段階では、空間分割部７３から出力された光束２が光検出器７７の受光面に集光されて、空間分割部２３から出力された光束２が光検出器２７の受光面２７ａに集光されないようにシャッタ２６，７６を制御する。
制御装置８０によって、空間分割部７３から出力された光束２が光検出器７７の受光面に集光されるように、シャッタ２６，７６が制御されることで、光検出器７７により検出された複数の集光スポット像を示す強度画像が、波面推定部７８に与えられる。
制御装置８０は、収束に近づいてきたら、空間分割部２３から出力された光束２が光検出器２７の受光面２７ａに集光されて、空間分割部７３から出力された光束２が光検出器７７の受光面に集光されないように、シャッタ２６，７６を制御する。
制御装置８０によって、空間分割部２３から出力された光束２が光検出器２７の受光面２７ａに集光されるように、シャッタ２６，７６が制御されることで、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像を示す強度画像が、波面推定部７８に与えられる。

移動体復元部７９は、図１に示す移動体復元部２９と同様の移動体１の輝度分布推定処理を実施する。
ただし、移動体復元部７９は、輝度分布推定処理の実施に用いる集光スポット像として、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像を用いる点で、図１に示す移動体復元部２９と相違している。

以上の実施の形態４は、波面推定部７８が、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像の位置又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面の概算値を算出する。また、波面推定部７８が、波面の概算値を用いて、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像の点像強度分布を算出する。さらに、波面推定部７８が、点像強度分布と、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像とから、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定するように、波面計測装置３を構成した。したがって、実施の形態４の波面計測装置３は、実施の形態１の波面計測装置３よりも、例えば、波面の推定結果が得られるまでの時間を短くすることが可能となる。

実施の形態５．
実施の形態４の波面計測装置３では、光束分割部７０が、結像光学系１１により集光された光束２の光量を３つに分割している。
実施の形態５では、光束分割部８１が、結像光学系１１により集光された光束２を波長別に分割している波面計測装置３について説明する。

図２０は、実施の形態５による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。図２０において、図１及び図１９と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
光束分割部８１は、例えば、ビームスプリッタによって実現される。
光束分割部８１は、結像光学系１１により集光された光束２を波長別に３つに分割する。
光束分割部８１は、分割後のそれぞれの光束２をフォーカス調整レンズ１３、リレー光学系２１及びリレー光学系７１に出力する。
実施の形態５では、光束分割部８１からリレー光学系２１に出力される光束２が第１の波長の光束であり、光束分割部８１からリレー光学系７１に出力される光束２が第２の波長の光束であるとする。
したがって、第１の空間分割部である空間分割部２３は、第１の波長の光束を複数の空間領域の光束２ａに分割し、第２の空間分割部である空間分割部７３は、第２の波長の光束を複数の空間領域の光束２ａに分割する。

波面推定部８２は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、波面推定回路などによって実現される。
波面推定部８２は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像の位置及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像の位置から、結像光学系１１の開口における光束２の波面の概算値を算出する処理を実施する。
波面推定部８２は、波面の概算値を用いて、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像と、光検出器７７により検出された複数の集光スポット像との点像強度分布を算出する処理を実施する。
波面推定部８２は、点像強度分布と、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像とから、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定する処理を実施する。

移動体復元部８３は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、移動体復元回路などによって実現される。
移動体復元部８３は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像と、波面推定部８２により推定された点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定する処理を実施する。
ここでは、移動体復元部８３が、移動体１の輝度分布を推定する際、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像と、光検出器７７により検出された複数の集光スポット像とを用いるものとする。しかし、これは一例に過ぎず、移動体復元部８３は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像又は光検出器７７により検出された複数の集光スポット像を用いるようにしてもよい。

次に、図２０に示す移動体観測装置について説明する。ただし、ここでは、図１及び図１９に示す移動体観測装置と相違する部分だけを説明する。
光束分割部８１は、結像光学系１１により集光された光束２を波長別に３つに分割する。
光束分割部８１は、分割後のそれぞれの光束２をフォーカス調整レンズ１３、リレー光学系２１及びリレー光学系７１に出力する。
分割後のそれぞれの光束２のうち、第１の波長の光束２は、光束分割部８１によって、リレー光学系２１に出力され、第２の波長の光束２は、光束分割部８１によって、リレー光学系７１に出力される。

したがって、第１の空間分割部である空間分割部２３は、第１の波長の光束を複数の空間領域の光束２ａに分割し、第２の空間分割部である空間分割部７３は、第２の波長の光束を複数の空間領域の光束２ａに分割する。
第１の光検出器である光検出器２７の受光面２７ａには、空間分割部２３から出力された第１の波長の光束２ａが集光され、第２の光検出器である光検出器７７の受光面には、空間分割部７３から出力された第２の波長の光束２ａが集光される。
したがって、光検出器２７は、第１の波長のそれぞれの光束２ａから、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、それぞれの集光スポット像を示す強度画像を波面推定部８２に出力する。
光検出器７７は、第２の波長のそれぞれの光束２ａから、移動体１の像として、集光スポット像を検出し、それぞれの集光スポット像を示す強度画像を波面推定部８２に出力する。

波面推定部８２は、図１に示す波面推定部２８と同様の波面推定処理を実施することで、結像光学系１１の開口における光束２の波面を推定する。
ただし、波面推定部８２は、波面推定処理に用いる集光スポット像が、第１の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像と、第２の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像との双方である点で、図１に示す波面推定部２８と相違している。

波面計測装置３は、移動体１からの光束２に基づいて、波面を推定するものであり、光束２は、大気の屈折率分布のゆらぎが原因で広がる。
大気による光束２の散乱は、波長に依存する。例えば、青い光は、散乱しやすく、青い光よりも波長が長い赤い光は、散乱され難いという特徴がある。なお、画像の分解能は、赤い光よりも青い光の方が高い。
したがって、移動体１からの光束２のうち、青色の光束２は、赤色の光束２よりも、広がりが大きくなる。

光検出器２７が、第１の波長のそれぞれの光束２ａから集光スポット像を検出し、光検出器７７が、第２の波長のそれぞれの光束２ａから集光スポット像を検出する場合、式（３）は、以下の式（１８）のように表される。

式（１８）において、λ_ｊの添え字ｊは、波長を識別する記号である。ｊ＝１の場合のλ_１は、第１の波長であり、ｊ＝２の場合のλ_２は、第２の波長である。
式（１８）は、式（３）と同様に、位相Φ_ｎ（ｕ，ｖ）と、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）との関係を示している。
したがって、光検出器２７によって第１の波長のそれぞれの光束２ａから検出された集光スポット像の点像強度分布は、光検出器７７によって第２の波長のそれぞれの光束２ａから検出された集光スポット像の点像強度分布と異なる。

波面推定部８２は、図１に示す波面推定部２８と異なり、第１の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像と、第２の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像との全ての集光スポット像を用いて、波面の推定処理を実施する。
即ち、波面推定部８２は、第１の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像と、第２の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像との全ての集光スポット像の点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する。
波面推定部８２により算出される点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、複数の集光スポット像の位置の相関だけでなく、波長の相関も考慮されて算出されている。
波面推定部８２は、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出すると、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像とから、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定する。

移動体復元部８３は、図１に示す移動体復元部２９と同様の移動体１の輝度分布推定処理を実施する。
ただし、移動体復元部８３は、移動体１の輝度分布推定処理に用いる集光スポット像として、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像と、光検出器７７により検出された複数の集光スポット像とを用いる点で、図１に示す移動体復元部２９と相違している。

以上の実施の形態５は、波面推定部８２が、第１の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像の位置及び第２の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像の位置から、波面の概算値を算出する。また、波面推定部８２が、波面の概算値を用いて、第１の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像と、第２の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像との点像強度分布を算出する。そして、波面推定部８２が、点像強度分布と、第１の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像及び第２の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像とから、波面を推定するように、波面計測装置３を構成した。したがって、波面計測装置３は、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、波面を計測することができる。
また、実施の形態５の波面計測装置３は、波面の推定に用いる情報として、波長の情報も利用するため、実施の形態１の波面計測装置３での波面の推定精度よりも向上する。

実施の形態６．
実施の形態６では、リレー光学系２１から出力された光束２の光路長を調整するフォーカス調整レンズ２２と、リレー光学系７１から出力された光束２の光路長を調整するフォーカス調整レンズ７２とを備えている波面計測装置３について説明する。

図２１は、実施の形態６による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。図２１において、図１及び図１９と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
実施の形態６の波面計測装置３では、フォーカス調整レンズ２２が第１のフォーカス調整レンズであり、フォーカス調整レンズ７２が第２のフォーカス調整レンズである。

波面推定部８４は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、波面推定回路などによって実現される。
波面推定部８４は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像の位置及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像の位置から、波面の概算値を算出する処理を実施する。
波面推定部８４は、波面の概算値を用いて、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像と、光検出器７７により検出された複数の集光スポット像との点像強度分布を算出する処理を実施する。
波面推定部８４は、点像強度分布と、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像とから、波面を推定する処理を実施する。

次に、図２１に示す移動体観測装置の動作について説明する。
制御装置８０は、リレー光学系２１から出力された光束２の光路長と、リレー光学系７１から出力された光束２の光路長とが異なるように、フォーカス調整レンズ２２及びフォーカス調整レンズ７２のそれぞれを制御する。
具体的には、制御装置８０は、光検出器２７の受光面２７ａにおいて、光束２ａの焦点が合うように、フォーカス調整レンズ２２を制御する。以下、焦点が合っている光束２ａを「フォーカス状態の光束２ａ」と称する。
また、制御装置８０は、光検出器７７の受光面において、光束２ａの焦点がずれるように、フォーカス調整レンズ７２を制御する。以下、焦点がずれている光束２ａを「デフォーカス状態の光束２ａ」と称する。

光検出器７７により検出された複数の集光スポット像に基づいて、波面推定部８４により推定された波面には、大気による光束２の位相の揺らぎのほかに、光束２ａの焦点のずれに対応する収差が付加される。
光検出器２７により検出された複数の集光スポット像に基づいて、波面推定部８４により推定された波面には、大気による光束２の位相の揺らぎが付加されても、光束２ａの焦点のずれに対応する収差は付加されない。
したがって、光検出器２７によって検出された複数の集光スポット像の点像強度分布は、光検出器７７によって検出された複数の集光スポット像の点像強度分布と異なる。

波面推定部８４は、図１に示す波面推定部２８と異なり、フォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像と、デフォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像とを用いて、波面の推定処理を実施する。
即ち、波面推定部８４は、フォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像と、デフォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像との点像強度分布を示す点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する。
波面推定部８４により算出される点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）は、複数の集光スポット像の位置の相関だけでなく、焦点のずれに対応する収差も考慮されて算出されている。
波面推定部８４は、点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、フォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像及びデフォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像とから、波面Ｗ_ｎ（ｕ，ｖ）を推定する。

以上の実施の形態６は、波面推定部８４が、フォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像の位置及びデフォーカス状態の光束２ａから検出された集光スポット像の位置から、波面の概算値を算出する。また、波面推定部８４が、波面の概算値を用いて、フォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像と、デフォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像との点像強度分布を算出する。そして、波面推定部８４が、点像強度分布と、フォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像及びデフォーカス状態の光束２ａから検出された複数の集光スポット像とから、波面を推定するように、波面計測装置３を構成した。したがって、波面計測装置３は、レンズレットアレイなどの高速移動を実現する制御機構を実装することなく、波面を計測することができる。
また、実施の形態６の波面計測装置３は、波面の推定に用いる情報として、収差の情報も利用するため、実施の形態１の波面計測装置３での波面の推定精度よりも向上する。

実施の形態７．
実施の形態５の移動体観測装置では、移動体復元部８３が、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像と、波面推定部８２により推定された点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定している。
実施の形態７では、移動体復元部８６が、移動体１が存在している領域内の集光スポット像と点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定する移動体観測装置について説明する。

図２２は、実施の形態７による波面計測装置３を含む移動体観測装置を示す構成図である。図２２において、図１及び図２０と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
移動体復元部８６は、パーソナルコンピュータなどの計算機、あるいは、波面推定回路などによって実現される。
移動体復元部８６は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像から、移動体が存在している領域を検出する。
移動体復元部８６は、光検出器７７により検出された複数の集光スポット像のうち、移動体１が存在している領域内の集光スポット像と点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定する処理を実施する。

次に、図２２に示す移動体観測装置について説明する。ただし、ここでは、図１及び図２０に示す移動体観測装置と相違する部分だけを説明する。
光検出器２７は、第１の波長の光束２ａから複数の集光スポット像を検出しており、光検出器７７は、第２の波長の光束２ａから複数の集光スポット像を検出している。
第１の波長の光束２ａは、第２の波長の光束２ａよりも広がりが小さい光束であり、例えば、赤色の光束であるとする。第２の波長の光束２ａは、青色又は緑色などの光束であるとする。第１の波長＞第２の波長である。
赤色の光束は、青色又は緑色などの光束よりも、散乱の影響を受け難いが、強度画像の分解能が低い。

移動体復元部８６は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像及び光検出器７７により検出された複数の集光スポット像のうち、移動体１が存在している領域内の集光スポット像と点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定する。
以下、移動体復元部８６による移動体１の輝度分布推定処理を具体的に説明する。
図２３は、移動体復元部８６による移動体１の輝度分布推定処理を示す説明図である。
図２３において、強度画像１１１は、光検出器２７によって第１の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像を示す強度画像である。
強度画像１１２は、光検出器７７によって第２の波長の光束２ａから検出された複数の集光スポット像を示す強度画像である。
強度画像１１２は、散乱の影響を受け易いため、強度画像１１２に映っている移動体１の像は、強度画像１１１に映っている移動体１の像よりも広がりが大きくなっている。ただし、強度画像１１２は、強度画像１１１よりも分解能が高い画像である。

まず、移動体復元部８６は、光検出器２７により検出された複数の集光スポット像が示す強度画像１１１から、移動体１の輪郭を抽出する輪郭抽出処理を実施する。輪郭抽出処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
移動体復元部８６は、抽出した輪郭の内側の領域を移動体１が存在している領域とし、輪郭の外側の領域を移動体１が存在していない領域とする。
次に、移動体復元部８６は、図２３に示すように、移動体１が存在している領域を包含する領域のみが、移動体１の輝度分布推定処理に用いる処理対象領域である旨を示すマスク画像１１３を生成する。
処理対象領域は、移動体１が存在している領域を包含する領域であり、処理対象領域は、移動体１が存在している領域と一致する領域であってもよいし、移動体１が存在している領域も大きい領域であってもよい。移動体１が存在している領域も大きい領域としては、移動体１の影に対応するマージンだけ、抽出した移動体１の輪郭よりも大きい領域などが考えられる。マージンとしては、例えば、移動体１が存在している領域の約１０％の大きさが考えられる。

移動体復元部８６は、強度画像１１２から、マスク画像１１３における処理対象領域内の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を抽出する。図２３に示す強度画像１１４は、強度画像１１２から抽出された処理対象領域内の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を示す強度画像である。
移動体復元部８６は、処理対象領域に含まれている１つ以上の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）の中から、１つの移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を選択する。
移動体復元部８６は、選択した移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）と、選択した移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に対応する点広がり関数ｋ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）とを式（１６）に代入して、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を算出する。
移動体復元部８６は、処理対象領域に含まれている１以上の移動体１の像ｉ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）をすべて選択して、差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）の算出が終了するまで、上記の処理を繰り返し実施する。
移動体復元部８６は、算出した全ての差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）を式（１７）に代入して、差分の二乗和ｅを算出する（図９のステップＳＴ１８）。
式（１７）において、処理対象領域内の差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に対応する重みｄ_ｍ（ｘ，ｙ）を１とし、処理対象領域外の差分ｒ_ｍ，ｎ（ｘ，ｙ）に対応する重みｄ_ｍ（ｘ，ｙ）を０とする。

移動体復元部８６は、差分の二乗和ｅを算出すると、図１に示す移動体復元部２９と同様に、移動体１の輝度分布推定処理が収束するまで、輝度分布推定処理を繰り返し実施する。
移動体復元部８６は、移動体１の輝度分布推定処理が収束すると、最小の二乗和ｅが算出された移動体１の輝度分布ｏ（ｐ，ｑ）を保存装置３０に出力する。

以上の実施の形態７は、移動体復元部８６が、光検出器２７により検出された集光スポット像から、移動体が存在している領域を検出する。そして、移動体復元部８６が、光検出器７７により検出された集光スポット像のうち、移動体１が存在している領域内の集光スポット像と点像強度分布とから、移動体１の輝度分布を推定するように、移動体観測装置を構成した。したがって、移動体観測装置は、移動体１の輝度分布を推定する際に、移動体が存在していない領域内の集光スポット像を処理対象から除外することができるため、図２０に示す移動体観測装置よりも、移動体１の輝度分布推定処理の負荷を軽減することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、結像光学系の開口における光束の波面を推定する波面計測装置及び波面計測方法に適している。
また、この発明は、移動体の輝度分布を推定する移動体観測装置に適している。

１ 移動体、２，２ａ 光束、３ 波面計測装置、４，５，６ 光束、１１ 結像光学系、１２ 光束分割部、１３ フォーカス調整レンズ、１４ シャッタ、１５ 光検出器、２１ リレー光学系、２２ フォーカス調整レンズ、２３ 空間分割部（第１の空間分割部）、２４ 遮光部（第１の光検出器）、２４ａ，２４ｂ 遮光部、２５ レンズアレイ、２５ａ レンズ、２６ シャッタ、２７ 光検出器、２７ａ 光検出器の受光面、２８ 波面推定部、２９ 移動体復元部、３０ 保存装置、４１ 時刻校正部、４２ カウンタ、４３，６３，６６ 制御装置、４４ 駆動装置、５１，５２ 筐体、６１，６４ 空間分割部、６２ 光スイッチ、６５ａ，６５ｂ，６５ｃ シャッタ、７０，８１ 光束分割部、７１ リレー光学系、７２ フォーカス調整レンズ、７３ 空間分割部（第２の空間分割部）、７４ 遮光部、７５ レンズアレイ、７６ シャッタ、７７ 光検出器（第２の光検出器）、７８，８２，８４ 波面推定部、７９，８３，８５，８６ 移動体復元部、８０ 制御装置、１０１ 第１の大気層、１０２ 第２の大気層、１０３ 第３の大気層、１０４，１０５，１０６，１０６ａ，１０６ｂ 移動体１の像、１０７ａ，１０７ｂ 波面、１１１，１１２，１１４ 強度画像、１１３ マスク画像。

Claims (10)

1. 移動体に反射された光束又は前記移動体から送信された光束を集光する結像光学系と、
   前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する空間分割部と、
   前記空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する光検出器と、
   前記光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、前記概算値を用いて、前記複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、前記点像強度分布と前記複数の集光スポット像とから、前記波面を推定する波面推定部と、
   前記光検出器により検出された集光スポット像と、前記波面推定部により算出された点像強度分布とから、前記移動体の輝度分布を推定する移動体復元部と、
   前記結像光学系により集光された光束を第１の波長の光束と第２の波長の光束とに分割する光束分割部とを備え、
   前記空間分割部として、
   前記光束分割部により分割された第１の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第１の空間分割部と、
   前記光束分割部により分割された第２の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第２の空間分割部とを備えており、
   前記光検出器として、
   前記第１の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第１の光検出器と、
   前記第２の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第２の光検出器とを備えており、
   前記移動体復元部は、
   前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像から、前記移動体が存在している領域を検出し、前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像のうち、前記移動体が存在している領域内の集光スポット像と、前記波面推定部により算出された点像強度分布とから、前記移動体の輝度分布を推定することを特徴とする移動体観測装置。
2. 結像光学系が、移動体に反射された光束又は前記移動体から送信された光束を集光し、
   空間分割部が、前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光し、
   光検出器が、前記空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出し、
   波面推定部が、前記光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、前記概算値を用いて、前記複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、前記点像強度分布と前記複数の集光スポット像とから、前記波面を推定し、
   移動体復元部が、前記光検出器により検出された集光スポット像と、前記波面推定部により算出された点像強度分布とから、前記移動体の輝度分布を推定し、
   光束分割部が、前記結像光学系により集光された光束を第１の波長の光束と第２の波長の光束とに分割し、
   前記空間分割部として、
   第１の空間分割部が、前記光束分割部により分割された第１の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光し、
   第２の空間分割部が、前記光束分割部により分割された第２の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光し、
   前記光検出器として、
   第１の光検出器が、前記第１の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出し、
   第２の光検出器が、前記第２の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出し、
   前記移動体復元部が、
   前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像から、前記移動体が存在している領域を検出し、前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像のうち、前記移動体が存在している領域内の集光スポット像と、前記波面推定部により算出された点像強度分布とから、前記移動体の輝度分布を推定することを特徴とする移動体観測方法。
3. 移動体に反射された光束又は前記移動体から送信された光束を集光する結像光学系と、
   前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する空間分割部と、
   前記空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する光検出器と、
   前記光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、前記概算値を用いて、前記複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、前記点像強度分布と前記複数の集光スポット像とから、前記波面を推定する波面推定部と、
   を備え、
   前記空間分割部は、
   前記結像光学系により集光された光束を部分的に遮光することで、前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割する遮光部と、
   前記遮光部により分割された複数の空間領域の光束のそれぞれを前記光検出器の受光面に集光するレンズアレイとを備え、
   前記遮光部により分割された複数の空間領域の形状がリング形状となっている波面計測装置。
4. 前記複数の空間領域には、形状又は大きさが異なる領域が混在していることを特徴とする請求項３記載の波面計測装置。
5. 前記空間分割部は、
   前記結像光学系により集光された光束の出力先を切り替える光スイッチと、
   前記光スイッチから出力された光束を部分的に遮光することで、前記光スイッチから出力された光束を複数の第１の空間領域の光束に分割する第１の遮光部と、
   前記光スイッチから出力された光束を部分的に遮光することで、前記光スイッチから出力された光束を前記複数の第１の空間領域と形状又は大きさが異なる複数の第２の空間領域の光束に分割する第２の遮光部と、
   前記第１の遮光部により分割された複数の第１の空間領域の光束又は前記第２の遮光部により分割された複数の第２の空間領域の光束のそれぞれを前記光検出器の受光面に集光するレンズアレイとを備えており、
   前記光スイッチにおける光束の出力先を制御して、前記結像光学系により集光された光束を前記第１の遮光部又は前記第２の遮光部に出力させる制御装置を備えたことを特徴とする請求項３記載の波面計測装置。
6. 前記空間分割部は、
   前記遮光部により分割された複数の空間領域の光束のそれぞれの光量を調整する複数のシャッタを備えており、
   前記複数のシャッタにおける光量の調整を制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項４記載の波面計測装置。
7. 前記結像光学系により集光された光束を複数の光束に分割し、前記複数の光束を出力する光束分割部を備え、
   前記空間分割部として、
   前記光束分割部から出力された複数の光束のうち、いずれか１つの光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第１の空間分割部と、
   前記光束分割部から出力された複数の光束のうち、前記いずれか１つの光束と異なるいずれか１つの光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第２の空間分割部とを備えており、
   前記光検出器として、
   前記第１の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第１の光検出器と、
   前記第２の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第２の光検出器とを備えており、
   前記第１の空間分割部により光束が分割される複数の空間領域の形状又は大きさと、前記第２の空間分割部により光束が分割される複数の空間領域の形状又は大きさとが異なり、
   前記波面推定部は、
   前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を第１の概算値として算出し、前記第１の概算値を用いて、前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像の点像強度分布を第１の点像強度分布として算出し、又は、前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を第２の概算値として算出し、前記第２の概算値を用いて、前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像の点像強度分布を第２の点像強度分布として算出し、
   前記第１の点像強度分布と前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像とから、前記波面を推定し、又は、前記第２の点像強度分布と前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像とから、前記波面を推定することを特徴とする請求項３記載の波面計測装置。
8. 前記結像光学系により集光された光束を第１の波長の光束と第２の波長の光束とに分割する光束分割部を備え、
   前記空間分割部として、
   前記光束分割部により分割された第１の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第１の空間分割部と、
   前記光束分割部により分割された第２の波長の光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第２の空間分割部とを備えており、
   前記光検出器として、
   前記第１の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第１の光検出器と、
   前記第２の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第２の光検出器とを備えており、
   前記波面推定部は、
   前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置及び前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、前記概算値を用いて、前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像と前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像との点像強度分布を算出し、
   前記点像強度分布と前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像及び前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像とから、前記波面を推定することを特徴とする請求項３記載の波面計測装置。
9. 前記結像光学系により集光された光束を複数の光束に分割し、前記複数の光束を出力する光束分割部を備え、
   前記光束分割部から出力された複数の光束のうち、いずれか１つの光束の光路長を調整する第１のフォーカス調整レンズと、
   前記光束分割部から出力された複数の光束のうち、前記いずれか１つの光束と異なるいずれか１つの光束の光路長を調整する第２のフォーカス調整レンズと備え、
   前記空間分割部として、
   前記第１のフォーカス調整レンズにより光路長が調整された光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第１の空間分割部と、
   前記第２のフォーカス調整レンズにより光路長が調整された光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光する第２の空間分割部とを備えており、
   前記光検出器として、
   前記第１の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第１の光検出器と、
   前記第２の空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出する第２の光検出器とを備えており、
   前記波面推定部は、
   前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置及び前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、前記概算値を用いて、前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像と前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像との点像強度分布を算出し、
   前記点像強度分布と前記第１の光検出器により検出された複数の集光スポット像及び前記第２の光検出器により検出された複数の集光スポット像とから、前記波面を推定することを特徴とする請求項３記載の波面計測装置。
10. 結像光学系が、移動体に反射された光束又は前記移動体から送信された光束を集光し、 空間分割部が、前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、前記複数の空間領域の光束のそれぞれを集光し、
    光検出器が、前記空間分割部により集光されたそれぞれの光束から、前記移動体の像として、集光スポット像を検出し、
    波面推定部が、前記光検出器により検出された複数の集光スポット像の位置から、前記結像光学系の開口における光束の波面の概算値を算出し、前記概算値を用いて、前記複数の集光スポット像の点像強度分布を算出し、前記点像強度分布と前記複数の集光スポット像とから、前記波面を推定し、
    前記空間分割部において、
    遮光部が、前記結像光学系により集光された光束を部分的に遮光することで、前記結像光学系により集光された光束を複数の空間領域の光束に分割し、
    レンズアレイが、前記遮光部により分割された複数の空間領域の光束のそれぞれを前記光検出器の受光面に集光し、
    前記遮光部により分割された複数の空間領域の形状がリング形状となっている波面計測方法。

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