JPWO2019220640A1 - Wavefront measuring device, wavefront measuring method, moving body observation device, moving body observation method - Google Patents

Wavefront measuring device, wavefront measuring method, moving body observation device, moving body observation method Download PDF

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Abstract

波面推定部(41)が、第1の光検出器(16)、第2の光検出器(26)及び第3の光検出器(36)により検出されたそれぞれの集光スポット像の位置から、全体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、第1の光検出器(16)、第2の光検出器(26)及び第3の光検出器(36)によりそれぞれ検出された集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と集光スポット像とから、全体開口における光束の波面を推定するように、波面計測装置(3)を構成した。From the positions of the respective focused spot images detected by the first photodetector (16), the second photodetector (26) and the third photodetector (36), the wavefront estimation unit (41) , Calculating an approximate value of the wavefront of the light flux in the whole aperture, and using the approximate value, the first photodetector (16), the second photodetector (26) and the third photodetector (36) The wavefront measuring device (3) is configured so as to calculate the point image intensity distribution of each detected focused spot image and estimate the wavefront of the light flux at the entire aperture from the point image intensity distribution and the focused spot image. ..

Description

この発明は、複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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。   The present invention relates to a wavefront measuring device and a wavefront measuring method for estimating a wavefront of a light flux in an entire aperture including all apertures of a plurality of imaging optical systems, and a moving body observing device for estimating a luminance distribution of a moving body. is there.

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。
A mobile body observing device for observing a mobile body such as a celestial body or a flying body observes the mobile body by receiving the luminous flux transmitted from the mobile body on the ground.
The light flux transmitted from the moving body may spread because the phase of the light is disturbed due to fluctuations in the refractive index distribution of the atmosphere.
Therefore, in order to improve the accuracy of observing the moving body, the moving body observing device needs to acquire the wavefront that is a surface having the same phase of light.
The following Patent Document 1 discloses a wavefront sensor that measures a wavefront.

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。
BACKGROUND ART A wavefront sensor disclosed in Patent Document 1 below uses a telescope to control a tilt and a focus of a wavefront when observing an object moving at high speed, thereby chasing a light beam transmitted from the object. However, I try to take an image of the atmospheric fault.
The wavefront sensor includes a control mechanism that realizes high-speed movement of the high-speed steering mirror, the imaging lens, and the lenslet array, as a mechanism for controlling the tilt and the focus of the wavefront.

特開2016−118547号公報JP, 2016-118547, A

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。
The wavefront measurement accuracy of the conventional wavefront sensor depends on the control accuracy of the control mechanism that realizes high-speed movement of the high-speed steering mirror, the imaging lens, and the lenslet array.
Therefore, the conventional wavefront sensor has a problem that the measurement accuracy of the wavefront may deteriorate depending on the control accuracy of the mounted control mechanism.

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。   The present invention has been made to solve the above problems, and a wavefront measuring device and a wavefront measuring method capable of measuring a wavefront without mounting a control mechanism such as a lenslet array for realizing high-speed movement. And to obtain a moving body observation device.

この発明に係る波面計測装置は、互いに異なる位置に配置されており、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複数の結像光学系と、複数の結像光学系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複数の光検出器と、複数の光検出器により検出された集光スポット像の位置から、複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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、複数の光検出器により検出された集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と集光スポット像とから、全体開口における光束の波面を推定する波面推定部とを備えるようにしたものである。   The wavefront measuring apparatus according to the present invention is arranged at mutually different positions, and has a plurality of image forming optical systems for condensing a light beam reflected by a moving body or a light beam transmitted from the moving body, and a plurality of image forming optical systems. From each of the light fluxes collected by the system, a plurality of photodetectors that detect a focused spot image as an image of the moving body, and from the positions of the focused spot images detected by the multiple photodetectors, Calculate the approximate value of the wavefront of the light flux in the entire aperture including all of the apertures of the imaging optical system, and use the estimated value to calculate the point image intensity distribution of the focused spot images detected by multiple photodetectors. A wavefront estimation unit that estimates the wavefront of the light flux at the entire aperture from the point image intensity distribution and the focused spot image is provided.

この発明によれば、波面推定部が、複数の光検出器により検出された集光スポット像の位置から、複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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、複数の光検出器により検出された集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と集光スポット像とから、全体開口における光束の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。   According to this aspect of the invention, the wavefront estimation unit calculates the approximate value of the wavefront of the light flux in the entire aperture including all the apertures of the plurality of imaging optical systems from the positions of the focused spot images detected by the plurality of photodetectors. Calculate and use the estimated value to calculate the point image intensity distribution of the focused spot image detected by multiple photodetectors, and from the point image intensity distribution and the focused spot image, calculate the wavefront of the light flux at the entire aperture. A wavefront measuring device was constructed to estimate. Therefore, the wavefront measuring apparatus according to the present invention can measure the wavefront without mounting a control mechanism such as a lenslet array that realizes high-speed movement.

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。1 is a configuration diagram showing a moving body observation device including a wavefront measurement device 3 according to a first embodiment. 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。1 is a perspective view showing an appearance of a moving body observation device including a wavefront measurement device 3 according to a first embodiment. 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。3 is a flowchart showing a processing procedure of the moving body observation apparatus shown in FIG. 1. 複数の光検出器により検出される移動体1の像を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the image of the mobile body 1 detected by a some photodetector. 波面が伝搬経路によって異なる場合の複数の光検出器により検出される移動体1の像を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the image of the mobile body 1 detected by a some photodetector when a wavefront changes with propagation paths. 複数の光検出器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。It is explanatory drawing which shows the relationship between the image of the mobile body 1 detected by a some photodetector, and a wavefront. 複数の光検出器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。It is explanatory drawing which shows the relationship between the image of the mobile body 1 detected by a some photodetector, and a wavefront. 波面推定部41及び移動体復元部42の処理手順を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing a processing procedure of a wavefront estimation unit 41 and a mobile body restoration unit 42. 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、全体開口と、複数の結像光学系におけるそれぞれの開口と、移動体1の像105との関係を示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing a relationship between the overall aperture, the apertures in each of the plurality of imaging optical systems, and the image 105 of the moving body 1 when the moving body 1 is moving relative to the wavefront measuring apparatus 3. . 結像光学系の開口よりも、光束2の透過領域が小さい遮光部の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the light-shielding part whose transmission area of the light beam 2 is smaller than the aperture of an imaging optical system. 開口の一部に、光束2が遮光される遮光領域が含まれている遮光部の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the light-shielding part in which the light-shielding area|region which shields the light beam 2 is contained in a part of opening. 複数の遮光部として、光束の透過領域の形状又は大きさが異なる遮光部が混在している例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example in which the light-shielding part from which the shape or size of the transmission area of a light beam differs is mixed as a some light-shielding part. 複数の遮光部として、光束の透過領域の形状又は大きさが異なる遮光部が混在している例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example in which the light-shielding part from which the shape or size of the transmission area of a light beam differs is mixed as a some light-shielding part. 複数の遮光部として、光束の透過領域の形状又は大きさが異なる遮光部が混在している例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example in which the light-shielding part from which the shape or size of the transmission area of a light beam differs is mixed as a some light-shielding part. 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。FIG. 9 is a configuration diagram showing a moving body observation device including a wavefront measurement device 3 according to a third embodiment. 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。FIG. 9 is a configuration diagram showing a moving body observation device including a wavefront measurement device 3 according to a fourth embodiment. 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。FIG. 13 is a configuration diagram showing a moving body observation device including a wavefront measurement device 3 according to a fifth embodiment. 移動体復元部80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。FIG. 8 is an explanatory diagram showing a luminance distribution estimation process of the moving body 1 by the moving body restoration unit 80.

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。   Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

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。
波面計測装置3は、波面センサ10−1、波面センサ10−2及び波面センサ10−3を備えている。
図1では、波面計測装置3が、3つの波面センサを備えているが、少なくとも2つ以上の波面センサを備えていればよい。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a moving body observation apparatus including a wavefront measurement apparatus 3 according to the first embodiment.
In FIG. 1, a moving body 1 is an object existing outside the atmosphere or in the atmosphere.
The light beam reflected by the moving body 1 or the light beam transmitted from the moving body 1 is a light beam 2 that has spread due to fluctuations in the refractive index distribution of the atmosphere, and the light beam 2 is incident on the wavefront measuring device 3. It
The wavefront measuring device 3 is a device that measures the wavefront from the incident light flux 2.
The wavefront measuring device 3 includes a wavefront sensor 10-1, a wavefront sensor 10-2, and a wavefront sensor 10-3.
In FIG. 1, the wavefront measuring device 3 includes three wavefront sensors, but it suffices to include at least two or more wavefront sensors.

波面センサ10−1は、第1の遮光部11、第1の結像光学系12、第1のフォーカス調整レンズ14、第1のシャッタ15及び第1の光検出器16を備えている。
波面センサ10−2は、第2の遮光部21、第2の結像光学系22、第2のフォーカス調整レンズ24、第2のシャッタ25及び第2の光検出器26を備えている。
波面センサ10−3は、第3の遮光部31、第3の結像光学系32、第3のフォーカス調整レンズ34、第3のシャッタ35及び第3の光検出器36を備えている。
波面センサ10−1、波面センサ10−2及び波面センサ10−3は、互いに異なる位置に配置されている。
The wavefront sensor 10-1 includes a first light shielding unit 11, a first imaging optical system 12, a first focus adjustment lens 14, a first shutter 15, and a first photodetector 16.
The wavefront sensor 10-2 includes a second light shield unit 21, a second imaging optical system 22, a second focus adjustment lens 24, a second shutter 25, and a second photodetector 26.
The wavefront sensor 10-3 includes a third light shielding unit 31, a third imaging optical system 32, a third focus adjustment lens 34, a third shutter 35, and a third photodetector 36.
The wavefront sensor 10-1, the wavefront sensor 10-2, and the wavefront sensor 10-3 are arranged at different positions.

第1の遮光部11は、入射された光束2の一部を遮光することで、光束2の透過領域を空間的に制限する。
図1に示す波面計測装置3では、第1の遮光部11が第1の結像光学系12の入力側に配置されている。しかし、これは一例に過ぎず、第1の遮光部11は、第1の結像光学系12の出力側に配置されていてもよい。即ち、第1の遮光部11は、第1の結像光学系12における光学的に共役な瞳位置に配置されてもよいため、第1の結像光学系12と第1の光検出器16との間に配置されていてもよい。
第2の遮光部21及び第3の遮光部31は、第1の遮光部11と同様に、光束2の透過領域を空間的に制限する。
The first light shielding unit 11 spatially limits the transmission area of the light flux 2 by shielding a part of the incident light flux 2.
In the wavefront measuring apparatus 3 shown in FIG. 1, the first light shielding unit 11 is arranged on the input side of the first imaging optical system 12. However, this is merely an example, and the first light shielding unit 11 may be arranged on the output side of the first imaging optical system 12. That is, the first light shielding unit 11 may be arranged at an optically conjugate pupil position in the first image forming optical system 12, so that the first image forming optical system 12 and the first photodetector 16 are arranged. It may be arranged between and.
The second light shielding unit 21 and the third light shielding unit 31 spatially limit the transmissive region of the light flux 2 similarly to the first light shielding unit 11.

第1の結像光学系12は、第1の遮光部11を透過してきた光束2を集光する光学系である。
第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32は、第1の結像光学系12と同様に、光束2を集光する光学系である。
The first imaging optical system 12 is an optical system that collects the light flux 2 that has passed through the first light shielding unit 11.
The second image forming optical system 22 and the third image forming optical system 32 are optical systems that condense the light flux 2 similarly to the first image forming optical system 12.

第1のフォーカス調整レンズ14は、第1の結像光学系12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を第1のシャッタ15に出力する。
第2のフォーカス調整レンズ24は、第2の結像光学系22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を第2のシャッタ25に出力する。
第3のフォーカス調整レンズ34は、第3の結像光学系32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を第3のシャッタ35に出力する。
The first focus adjustment lens 14 adjusts the optical path length of the light flux 2 that has passed through the first imaging optical system 12, and outputs the light flux 2 after the optical path length adjustment to the first shutter 15.
The second focus adjustment lens 24 adjusts the optical path length of the light flux 2 that has passed through the second imaging optical system 22, and outputs the light flux 2 after the optical path length adjustment to the second shutter 25.
The third focus adjustment lens 34 adjusts the optical path length of the light flux 2 that has passed through the third imaging optical system 32, and outputs the light flux 2 after the optical path length adjustment to the third shutter 35.

第1のシャッタ15は、第1の光検出器16により受光される光束2の光量を調整するために、第1のフォーカス調整レンズ14から出力された光束2の通過を時間的に制限する。
第2のシャッタ25は、第2の光検出器26により受光される光束2の光量を調整するために、第2のフォーカス調整レンズ24から出力された光束2の通過を時間的に制限する。
第3のシャッタ35は、第3の光検出器36により受光される光束2の光量を調整するために、第3のフォーカス調整レンズ34から出力された光束2の通過を時間的に制限する。
The first shutter 15 temporally limits passage of the light flux 2 output from the first focus adjustment lens 14 in order to adjust the light amount of the light flux 2 received by the first photodetector 16.
The second shutter 25 temporally limits passage of the light flux 2 output from the second focus adjustment lens 24 in order to adjust the light amount of the light flux 2 received by the second photodetector 26.
The third shutter 35 temporally limits passage of the light flux 2 output from the third focus adjustment lens 34 in order to adjust the light amount of the light flux 2 received by the third photodetector 36.

第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36は、例えば、イメージセンサによって実現される。
第1の光検出器16は、第1のシャッタ15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41に出力する。
第2の光検出器26は、第2のシャッタ25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41に出力する。
第3の光検出器36は、第3のシャッタ35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41に出力する。
The first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36 are realized by, for example, an image sensor.
The first photodetector 16 detects a focused spot image as an image of the moving body 1 from the light flux 2 that has passed through the first shutter 15, and an intensity image indicating the focused spot image is obtained as a wavefront estimation unit 41. Output to.
The second photodetector 26 detects a focused spot image as an image of the moving body 1 from the light flux 2 that has passed through the second shutter 25, and outputs an intensity image indicating the focused spot image to the wavefront estimation unit 41. Output to.
The third photodetector 36 detects a focused spot image as an image of the moving body 1 from the light flux 2 that has passed through the third shutter 35, and obtains an intensity image indicating the focused spot image as a wavefront estimation unit 41. Output to.

波面推定部41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41は、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれに検出された集光スポット像の位置から、波面センサ10−1、波面センサ10−2及び波面センサ10−3の開口の全てを含む全体開口における光束の波面の概算値を算出する。
また、波面推定部41は、概算値を用いて、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれに検出された集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と集光スポット像から、全体開口における光束の波面を推定する。
The wavefront estimation unit 41 is realized by a computer such as a personal computer or a wavefront estimation circuit.
The wavefront estimation unit 41 determines the wavefront sensor 10-1, the wavefront from the position of the focused spot image detected by each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36. An approximate value of the wavefront of the light flux at the entire aperture including all the apertures of the sensor 10-2 and the wavefront sensor 10-3 is calculated.
Further, the wavefront estimation unit 41 uses the estimated value to obtain point images of the focused spot images detected by the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36, respectively. The intensity distribution is calculated, and the wavefront of the light flux at the entire aperture is estimated from the point image intensity distribution and the focused spot image.

移動体復元部42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42は、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれに検出された集光スポット像と、波面推定部41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。
保存装置43は、例えば、記憶処理回路によって実現される。
保存装置43は、波面推定部41により推定された全体開口の波面及び移動体復元部42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。
The mobile body restoration unit 42 is realized by a computer such as a personal computer, or a mobile body restoration circuit.
The moving body restoration unit 42 estimates the focused spot images detected by the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36 and the wavefront estimation unit 41. A process of estimating the luminance distribution of the moving body 1 is performed from the point image intensity distribution.
The storage device 43 is realized by, for example, a storage processing circuit.
The storage device 43 is a device that records the wavefront of the entire aperture estimated by the wavefront estimation unit 41, the brightness distribution of the moving body 1 estimated by the moving body restoration unit 42, and the like.

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。
Here, each of the wavefront estimation circuit and the moving body restoration circuit is, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field-Programmable Gate Array). ), or a combination thereof.
In addition, the storage processing circuit is, for example, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), an EEPROM (Electrically Programmable Memory), or an EEPROM (Electrically Programmable Memory). Compliant semiconductor memory, magnetic disk, flexible disk, optical disk, compact disk, mini disk, or DVD (Digital Versatile Disc).

時刻校正部51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52は、時刻校正部51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。
The time calibrating unit 51 has a built-in clock and calibrates the time of the clock using a GPS signal transmitted from a GPS (Global Positioning System) satellite or an NTP (Network Time Protocol).
The counter 52 measures the elapsed time from a certain time when the time of the clock calibrated by the time calibrating unit 51 reaches a certain time.

制御装置53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53は、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1のフォーカス調整レンズ14、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34のそれぞれを制御する。
また、制御装置53は、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1のシャッタ15、第2のシャッタ25及び第3のシャッタ35のそれぞれを制御する。
また、制御装置53は、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれを制御する。
駆動装置54は、制御装置53から出力される制御信号に従って第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32におけるそれぞれの指向方向を変更する装置である。
The control device 53 is realized by a computer such as a personal computer.
The control device 53 controls each of the first focus adjustment lens 14, the second focus adjustment lens 24, and the third focus adjustment lens 34 based on the elapsed time measured by the counter 52.
In addition, the control device 53 controls each of the first shutter 15, the second shutter 25, and the third shutter 35 based on the elapsed time measured by the counter 52.
Further, the control device 53 controls each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36 based on the elapsed time measured by the counter 52.
The drive device 54 is a device that changes the respective pointing directions in the first imaging optical system 12, the second imaging optical system 22, and the third imaging optical system 32 according to the control signal output from the control device 53. Is.

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61は、波面センサ10−1、波面センサ10−2及び波面センサ10−3を実装している。
筐体62は、波面推定部41、移動体復元部42、保存装置43、時刻校正部51、カウンタ52及び制御装置53を実装している。
図1では、波面計測装置3が、3つの波面センサを備えているが、図2では、波面計測装置3が、7つの波面センサを備えている。
第1の遮光部11における光束2の透過領域、第2の遮光部21における光束2の透過領域及び第3の遮光部31における光束2の透過領域は、形状及び大きさのそれぞれが同じである。光束2の透過領域は、光束2が透過する領域である。
第1の遮光部11における光束2の遮光領域、第2の遮光部21における光束2の遮光領域及び第3の遮光部31における光束2の遮光領域は、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32におけるそれぞれの開口よりも僅かに小さい。遮光領域は、光束2が遮光される領域である。
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a moving body observation apparatus including the wavefront measurement apparatus 3 according to the first embodiment.
In FIG. 2, the housing 61 mounts the wavefront sensor 10-1, the wavefront sensor 10-2, and the wavefront sensor 10-3.
The housing 62 mounts the wavefront estimation unit 41, the moving body restoration unit 42, the storage device 43, the time calibration unit 51, the counter 52, and the control device 53.
In FIG. 1, the wavefront measuring device 3 includes three wavefront sensors, but in FIG. 2, the wavefront measuring device 3 includes seven wavefront sensors.
The transmission region of the light flux 2 in the first light shielding unit 11, the transmission region of the light flux 2 in the second light shielding unit 21, and the transmission region of the light beam 2 in the third light shielding unit 31 have the same shape and size. .. The transmission area of the light flux 2 is an area through which the light flux 2 is transmitted.
The light blocking area of the light flux 2 in the first light blocking portion 11, the light blocking area of the light flux 2 in the second light blocking portion 21, and the light blocking area of the light flux 2 in the third light blocking portion 31 are the first imaging optical system 12, It is slightly smaller than the respective apertures in the second imaging optical system 22 and the third imaging optical system 32. The light shielding area is an area where the light flux 2 is shielded.

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。
Light is transmitted through optical parts such as lenses and the human pupil. Further, an optical component such as a mirror reflects light. When light passes through an optical component or the like, the phase distribution of light changes, and when the light is reflected by the optical component, the phase distribution of light changes.
The atmosphere of the earth is made up of a medium such as oxygen, nitrogen and water vapor, and light is transmitted like the optical parts such as lenses.
Since the refractive index of a medium such as oxygen changes with changes in temperature and atmospheric pressure, the phase distribution of light that passes through the atmosphere of the earth changes with changes in temperature and atmospheric pressure. Since light is an electromagnetic wave, the phase distribution of light can be regarded as a wavefront.

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。
The wavefront measuring apparatus 3 shown in FIG. 1 estimates the wavefront by receiving the light flux 2 reflected by the moving body 1 existing in the atmosphere or in the atmosphere or the light flux 2 transmitted from the moving body. The wavefront estimated by the wavefront measuring device 3 changes as the refractive index of a medium such as oxygen changes.
Although the change in the refractive index of the medium itself is small, when the optical path through which light propagates becomes long, the change in the refractive index becomes large compared to the wavelength of the light and cannot be ignored. Strongly affected by fluctuations.
Further, the atmosphere on the ground is affected by radiation from the sun and heat transport, and is also affected by the rotation of the earth, so that an atmospheric layer is formed between the ground and the sky. The wave front of the light transmitted through the atmospheric layer is complicatedly disturbed.

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54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、第1の結像光学系12が、光束2を集光することができるようにするため、第1の結像光学系12の指向方向を変更する。
駆動装置54は、第1の結像光学系12と同様に、第2の結像光学系22の指向方向及び第3の結像光学系32の指向方向のそれぞれを変更する。
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54が、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32におけるそれぞれの指向方向を秒角精度で制御できる必要がある。
Next, the moving body observation apparatus shown in FIG. 1 will be described.
FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure of the mobile observation device shown in FIG.
The driving device 54 enables the first imaging optical system 12 to focus the light flux 2 even when the moving body 1 is moving relative to the wavefront measuring device 3. The direction of the imaging optical system 12 is changed.
The driving device 54 changes the directivity direction of the second imaging optical system 22 and the directivity direction of the third imaging optical system 32, similarly to the first imaging optical system 12.
For example, when the moving body 1 is a star, the moving body 1 moves about 15 arcseconds (=15/3600 degrees) per second due to diurnal movement. Therefore, in order to enable tracking of the moving body 1, the driving device 54 causes the driving device 54 to direct the respective directions in the first imaging optical system 12, the second imaging optical system 22, and the third imaging optical system 32. Must be controllable with arc-second accuracy.

時刻校正部51は、駆動装置54が、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52は、時刻校正部51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53は、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1のフォーカス調整レンズ14、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34のそれぞれを制御する。
また、制御装置53は、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1のシャッタ15、第2のシャッタ25及び第3のシャッタ35のそれぞれを制御する。
さらに、制御装置53は、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれを制御する。
駆動装置54は、制御装置53から出力される制御信号に従って第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32におけるそれぞれの指向方向を変更する。
The time calibration unit 51 calibrates the time of a built-in clock using a GPS signal or NTP transmitted from a GPS satellite so that the driving device 54 can control the pointing direction with arc-second accuracy.
The counter 52 measures the elapsed time from a certain time when the time of the clock calibrated by the time calibrating unit 51 reaches a certain time.
The control device 53 controls each of the first focus adjustment lens 14, the second focus adjustment lens 24, and the third focus adjustment lens 34 based on the elapsed time measured by the counter 52.
In addition, the control device 53 controls each of the first shutter 15, the second shutter 25, and the third shutter 35 based on the elapsed time measured by the counter 52.
Further, the control device 53 controls each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36 based on the elapsed time measured by the counter 52.
The driving device 54 changes the respective directing directions in the first imaging optical system 12, the second imaging optical system 22, and the third imaging optical system 32 according to the control signal output from the control device 53.

第1の遮光部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、光束2の一部を遮光することで、光束2の透過領域を空間的に制限する。
第1の結像光学系12は、第1の遮光部11を透過してきた光束2を集光する(図3のステップST1)。
When the light beam 2 reflected by the moving body 1 or the light beam 2 transmitted from the moving body 1 is incident on the first light blocking unit 11, the first light blocking unit 11 blocks a part of the light beam 2 so that the transmission region of the light beam 2 is blocked. Limit spatially.
The first imaging optical system 12 condenses the light flux 2 that has passed through the first light shielding unit 11 (step ST1 in FIG. 3).

第2の遮光部21及び第3の遮光部31についても、第1の遮光部11と同様に、光束2が入射されると、光束2の一部を遮光することで、光束2の透過領域を空間的に制限する。
第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32についても、第1の結像光学系12と同様に、第2の遮光部21及び第3の遮光部31のそれぞれを透過してきた光束2を集光する(図3のステップST1)。
Similarly to the first light blocking unit 11, the second light blocking unit 21 and the third light blocking unit 31 block a part of the light beam 2 when the light beam 2 is incident, thereby transmitting the light beam 2. Is spatially restricted.
Similarly to the first image forming optical system 12, the second image forming optical system 22 and the third image forming optical system 32 also pass through the second light shielding unit 21 and the third light shielding unit 31, respectively. The condensed light beam 2 is condensed (step ST1 in FIG. 3).

第1のフォーカス調整レンズ14は、第1の結像光学系12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を第1のシャッタ15に出力する。
第2のフォーカス調整レンズ24は、第2の結像光学系22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を第2のシャッタ25に出力する。
第3のフォーカス調整レンズ34は、第3の結像光学系32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を第3のシャッタ35に出力する。
第1のフォーカス調整レンズ14、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34におけるそれぞれの光路長の調整量は、制御装置53によって制御されている。
光路長の調整量が制御装置53によって制御されることで、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36におけるそれぞれの受光面16a,26a,36aにおいて、光束2の焦点が合う。
The first focus adjustment lens 14 adjusts the optical path length of the light flux 2 that has passed through the first imaging optical system 12, and outputs the light flux 2 after the optical path length adjustment to the first shutter 15.
The second focus adjustment lens 24 adjusts the optical path length of the light flux 2 that has passed through the second imaging optical system 22, and outputs the light flux 2 after the optical path length adjustment to the second shutter 25.
The third focus adjustment lens 34 adjusts the optical path length of the light flux 2 that has passed through the third imaging optical system 32, and outputs the light flux 2 after the optical path length adjustment to the third shutter 35.
The adjustment amounts of the optical path lengths of the first focus adjustment lens 14, the second focus adjustment lens 24, and the third focus adjustment lens 34 are controlled by the control device 53.
The adjustment amount of the optical path length is controlled by the control device 53, so that the light receiving surfaces 16a, 26a, 36a of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36 respectively. , The light flux 2 is in focus.

第1のシャッタ15は、第1の光検出器16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53から出力される制御信号に従って第1のフォーカス調整レンズ14から出力された光束2の通過を時間的に制限する。
第1の光検出器16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、第1の光検出器16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53は、第1の光検出器16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、第1のシャッタ15における光束2の通過時間を制御する。
第2のシャッタ25及び第3のシャッタ35についても、第1のシャッタ15と同様に、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34から出力されたそれぞれの光束2の通過を時間的に制限する。
制御装置53は、第1のシャッタ15と同様に、第2のシャッタ25及び第3のシャッタ35におけるそれぞれの光束2の通過時間を制御する。
The first shutter 15 adjusts the light amount of the light flux 2 received by the first photodetector 16, and according to the control signal output from the control device 53, the first focus adjustment lens 14 outputs the light flux. Limit the passage of 2 in time.
When the exposure time of the light flux 2 in the first photodetector 16 becomes longer than the coherence time, the atmospheric state changes, and the spread of the image of the moving body 1 detected by the first photodetector 16 increases. .. The coherence time is generally about 1 to 10 ms.
When the moving body 1 is moving at high speed, the control device 53 controls the light flux 2 of the first shutter 15 so that the exposure time of the light flux 2 at the first photodetector 16 is shorter than the coherence time. Control transit time.
As with the first shutter 15, the second shutter 25 and the third shutter 35 also pass the respective light fluxes 2 output from the second focus adjustment lens 24 and the third focus adjustment lens 34 for a time. Limit it.
Like the first shutter 15, the control device 53 controls the passage time of each light flux 2 through the second shutter 25 and the third shutter 35.

制御装置53が、上記のように、光束2の通過時間を制御する場合、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36により受光されるそれぞれの光束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53が、第1のシャッタ15、第2のシャッタ25及び第3のシャッタ35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。光束2の通過と遮光が複数回繰り返されることで、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれが、複数回、移動体1の像を検出できるようになる。
When the control device 53 controls the transit time of the light flux 2 as described above, the respective light fluxes received by the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36. The light intensity of 2 may decrease.
When the light amount of the light flux 2 becomes small, the control device 53 controls the first shutter 15, the second shutter 25, and the third shutter 35 so that the light flux 2 is repeatedly passed and blocked a plurality of times. .. By repeating passing and blocking of the light flux 2 multiple times, each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36 images the image of the moving body 1 multiple times. You will be able to detect.

第1の光検出器16は、第1のシャッタ15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41に出力する(図3のステップST2)。
第2の光検出器26は、第2のシャッタ25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41に出力する(図3のステップST2)。
第3の光検出器36は、第3のシャッタ35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41に出力する(図3のステップST2)。
The first photodetector 16 detects a focused spot image as an image of the moving body 1 from the light flux 2 that has passed through the first shutter 15, and an intensity image indicating the focused spot image is obtained as a wavefront estimation unit 41. Is output (step ST2 in FIG. 3).
The second photodetector 26 detects a focused spot image as an image of the moving body 1 from the light flux 2 that has passed through the second shutter 25, and outputs an intensity image indicating the focused spot image to the wavefront estimation unit 41. Is output (step ST2 in FIG. 3).
The third photodetector 36 detects a focused spot image as an image of the moving body 1 from the light flux 2 that has passed through the third shutter 35, and obtains an intensity image indicating the focused spot image as a wavefront estimation unit 41. Is output (step ST2 in FIG. 3).

ここで、図4は、複数の光検出器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では、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32だけでなく、全部で10個の結像光学系が波面計測装置3に実装されている例を示している。
したがって、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36だけでなく、全部で10個の光検出器が波面計測装置3に実装されている。
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。
Here, FIG. 4 is an explanatory view showing an image of the moving body 1 detected by the plurality of photodetectors.
In FIG. 4, not only the first image forming optical system 12, the second image forming optical system 22 and the third image forming optical system 32 but also a total of ten image forming optical systems are mounted on the wavefront measuring apparatus 3. An example is shown.
Therefore, not only the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36, but a total of 10 photodetectors are mounted on the wavefront measuring apparatus 3.
FIG. 4 shows an example in which there are three atmospheric layers between the ground and the sky, 101 is a first atmospheric layer, 102 is a second atmospheric layer, and 103 is a third atmospheric layer.

図4では、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32のそれぞれが、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、結像光学系での収差を減らすために、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32のそれぞれは、複数枚のレンズによって構成されることが多い。また、結像光学系における色収差を低減するために、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32のそれぞれは、複数枚の反射鏡によって構成されることもある。   In FIG. 4, each of the first image forming optical system 12, the second image forming optical system 22, and the third image forming optical system 32 is schematically represented as one lens. Generally, in order to reduce aberrations in the image forming optical system, each of the first image forming optical system 12, the second image forming optical system 22, and the third image forming optical system 32 includes a plurality of sheets. Often composed of a lens. Further, in order to reduce the chromatic aberration in the image forming optical system, each of the first image forming optical system 12, the second image forming optical system 22, and the third image forming optical system 32 is formed by a plurality of reflecting mirrors. It may be composed.

第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32のそれぞれが、光束2を第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36におけるそれぞれの受光面16a,26a,36aに集光することで、受光面16a,26a,36a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、結像光学系の収差を要因とする像104の広がり及び光検出器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、結像光学系の収差及び光検出器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。
The first image forming optical system 12, the second image forming optical system 22, and the third image forming optical system 32 respectively transmit the light flux 2 to the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the second photodetector 26. An image 104 of the moving body 1 is formed on the light receiving surfaces 16a, 26a, and 36a by collecting the light on the light receiving surfaces 16a, 26a, and 36a of the third photodetector 36.
Since the wavefront is disturbed when the light flux 2 passes through the first atmosphere layer 101, the second atmosphere layer 102, and the third atmosphere layer 103, the image 104 of the moving body 1 shows that the moving body 1 is a point. Even an object that can be regarded spreads.
Therefore, excluding the spread of the image 104 caused by the aberration of the imaging optical system and the spread of the image 104 caused by the resolution of the photodetector, the cause of the spread of the image 104 is atmospheric fluctuation.
When the moving body 1 is an object having a spread, the spread of the image 104 is the same as the spread of the object itself, excluding the spread caused by the aberration of the imaging optical system and the resolution of the photodetector. It is represented by the spread due to fluctuations. Mathematically, when the spread of the object itself satisfies the angular range and the isoplanatic angle at which the wavefronts can be considered equal, the spread of the image 104 is expressed by the convolution of the spread of the object itself and the spread due to atmospheric fluctuation.

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5は、波面が伝搬経路によって異なる場合の複数の光検出器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。
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2又は移動体1から送信された光束2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。
それぞれの結像光学系によって、それぞれの光検出器の受光面に集光される光束2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、それぞれの受光面には、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105が形成される。
それぞれの光検出器の受光面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。
If the moving body 1 is moving relative to the wavefront measuring device 3 and the direction in which the moving body 1 is viewed from the ground is different, the propagation paths of the light flux 2 are not equal, and the wavefronts are different depending on the propagation paths.
FIG. 5: is explanatory drawing which shows the image of the mobile body 1 detected by a some photodetector when a wavefront changes with propagation paths. 5, the same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding portions.
Each of the light flux 4, the light flux 5, and the light flux 6 is the light flux 2 reflected by the moving body 1 or the light flux 2 transmitted from the moving body 1. The light flux 4, the light flux 5, and the light flux 6 are different from each other in the contribution of fluctuations in the atmosphere layer, and the propagation path of the light flux 4, the propagation path of the light flux 5, and the propagation path of the light flux 6 are different from each other.
When the light flux 2 focused on the light receiving surface of each photodetector by each imaging optical system is considered to be each of the light flux 4, the light flux 5, and the light flux 6, the light flux 4 is applied to each light receiving surface. , The light beam 5 and the light beam 6 form an image 105 of the moving body 1.
The plurality of images 105 formed on the light receiving surfaces of the respective photodetectors have a spread due to atmospheric fluctuations and can be used for estimating the wavefront.

図6及び図7は、複数の光検出器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6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7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6及び図7では、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32だけでなく、全部で64(=8×8)個の結像光学系が波面計測装置3に実装されている例を示している。
また、図6及び図7では、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36だけでなく、全部で64個の光検出器が波面計測装置3に実装されている例を示している。
6 and 7 are explanatory diagrams showing the relationship between the image of the moving body 1 and the wavefront detected by the plurality of photodetectors.
FIG. 6 shows an example in which the light flux 2 propagates without spreading in the traveling direction, and FIG. 7 shows an example in which the light flux 2 propagates while spreading in the traveling direction.
In FIG. 6 and FIG. 7, not only the first imaging optical system 12, the second imaging optical system 22 and the third imaging optical system 32 but also a total of 64 (=8×8) images are formed. An example in which an optical system is mounted on the wavefront measuring apparatus 3 is shown.
In addition, in FIG. 6 and FIG. 7, not only the first photodetector 16, the second photodetector 26 and the third photodetector 36 but also a total of 64 photodetectors are provided in the wavefront measuring device 3. Shows an example implemented.

図6及び図7において、105a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、105b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6に示すように、64個の結像光学系により集光されるそれぞれの移動体1の像105aの位置は、64個の結像光学系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7に示すように、64個の結像光学系により集光されるそれぞれの移動体1の像105bの位置は、64個の結像光学系のそれぞれの位置とずれている。
波面106aは、移動体1の64個の像105aの位置から求められ、波面106bは、移動体1の64個の像105bの位置から求められる。
6 and 7, 105a is an image of the moving body 1 when the light flux 2 is propagated without spreading in the traveling direction, and 105b is propagated while the light flux 2 is spreading in the traveling direction. It is an image of the moving body 1 when it is.
When the light beam 2 propagates without spreading in the traveling direction, as shown in FIG. 6, the positions of the images 105a of the respective moving bodies 1 condensed by the 64 imaging optical systems are 64 positions. Of the image forming optical system.
When the light flux 2 is propagated while spreading in the traveling direction, as shown in FIG. 7, the positions of the images 105b of the respective moving bodies 1 focused by the 64 imaging optical systems are 64. It is displaced from each position of the imaging optical system.
The wavefront 106a is obtained from the positions of the 64 images 105a of the moving body 1, and the wavefront 106b is obtained from the positions of the 64 images 105b of the moving body 1.

図6及び図7では、64個の結像光学系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、64個の結像光学系の配置がハニカム配置であってもよい。
図6及び図7では、第1の遮光部11、第2の遮光部21及び第3の遮光部31を含む64個の遮光部において、光束2が遮光される遮光領域が、黒く塗られている例を示している。しかし、遮光部において、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。
6 and 7 show an example in which 64 image forming optical systems are arranged in a grid pattern. However, the arrangement is not limited to this, and for example, the arrangement of 64 imaging optical systems may be a honeycomb arrangement.
In FIG. 6 and FIG. 7, in the 64 light-shielding portions including the first light-shielding portion 11, the second light-shielding portion 21, and the third light-shielding portion 31, the light-shielding regions where the light flux 2 is shielded are painted black. The following shows an example. However, in the light-shielding portion, the light-shielding region does not have to transmit unnecessary light and may be coated with a color other than black.
Further, in the light shielding portion, the light shielding region may be colored or processed so as to absorb unnecessary light, or may be colored or processed so as to scatter unnecessary light.

波面推定部41は、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれから集光スポット像を示す強度画像を取得する。
波面推定部41は、それぞれの強度画像が示す集光スポット像の位置から、波面センサ10−1、波面センサ10−2及び波面センサ10−3の開口の全てを含む全体開口における光束2の波面を推定する(図3のステップST3)。
図8は、波面推定部41及び移動体復元部42の処理手順を示すフローチャートである。
以下、図8を参照しながら、波面推定部41の処理内容を具体的に説明する。
The wavefront estimation unit 41 acquires the intensity images showing the focused spot images from each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36.
The wavefront estimation unit 41 determines the wavefront of the light flux 2 in the entire aperture including all the apertures of the wavefront sensor 10-1, the wavefront sensor 10-2, and the wavefront sensor 10-3 from the position of the focused spot image indicated by each intensity image. Is estimated (step ST3 in FIG. 3).
FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure of the wavefront estimation unit 41 and the moving body restoration unit 42.
Hereinafter, the processing content of the wavefront estimation unit 41 will be specifically described with reference to FIG. 8.

まず、波面推定部41は、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれから強度画像を受けると、複数の強度画像が示す集光スポット像の位置から、全体開口における光束2の波面の概算値を算出する(図8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
First, when the wavefront estimation unit 41 receives the intensity images from each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36, the focused spot images indicated by the plurality of intensity images. An approximate value of the wavefront of the light beam 2 at the entire aperture is calculated from the position (1) (step ST11 in FIG. 8).
Since the process itself for calculating the approximate value of the wavefront from the positions of the plurality of focused spot images is a known technique, detailed description thereof will be omitted.
A method of estimating the wavefront from the positions of a plurality of focused spot images is disclosed in Non-Patent Document 1 below, for example.
[Non-patent document 1] National Astronomical Observatory of Japan vol.2 No.2

ここでは、制御装置53が、第1のシャッタ15、第2のシャッタ25及び第3のシャッタ35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。
制御装置53の制御によって、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれからN枚の強度画像が波面推定部41に出力されているものとする。
そして、波面推定部41は、それぞれのN枚の強度画像のうち、それぞれのn(n=1,2,・・・,N)枚目の強度画像が示す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。
Here, the control device 53 controls the first shutter 15, the second shutter 25, and the third shutter 35 so that the passage and the light blocking of the light flux 2 are repeated a plurality of times.
Under control of the control device 53, N intensity images are output to the wavefront estimation unit 41 from each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36. To do.
Then, the wavefront estimation unit 41 determines the wavefront from the position of the focused spot image indicated by each n (n=1, 2,..., N)-th intensity image among the N intensity images. It is assumed that the approximate value of is calculated.
When the moving body 1 is a point image, or when the moving body 1 can be approximated to a point image, a mode in which the position of the center of gravity of the point image is obtained as the position of the focused spot image can be considered.
When the moving body 1 is an object with a spread, the wavefront can be obtained from the intervals between the plurality of focused spot images or the relative positions of the focused spot images. Therefore, as the position of the focused spot image, a mode in which the cross-correlation between the focused spot images or the interval between the characteristic positions of the focused spot images can be considered.

波面推定部41は、それぞれのn枚目の強度画像が示す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Φ0,nとする。
波面推定部41は、以下の式(1)に示すように、全体開口における光束2の波面の位相Φ(u,v)の初期値として、位相Φ0,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。

Figure 2019220640
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。The wavefront estimation unit 41 sets the phase of the wavefront, which is an approximate value calculated from the position of the focused spot image indicated by each n-th intensity image, to Φ 0,n .
The wavefront estimation unit 41 uses the phase Φ 0,n as an initial value of the phase Φ n (u,v) of the wavefront of the light flux 2 at the entire aperture, as shown in the following expression (1), and thereby the estimated value is obtained. Estimate more accurate wavefront than. (U,v) are the coordinates of the pupil space.
Figure 2019220640
Before describing the highly accurate wavefront estimation process, the principle of the highly accurate wavefront estimation process and the principle of the luminance distribution estimation process of the moving body 1 will be described below.

図9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、全体開口と、複数の結像光学系におけるそれぞれの開口と、移動体1の像105との関係を示す説明図である。
図9では、M個の結像光学系が波面計測装置3に実装されている例を示している。
(u,v)は、全体開口である。
(u,v)、M(u,v)、・・・、M(u,v)のそれぞれは、M個の結像光学系におけるそれぞれの開口である。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Gm,n(u,v)は、以下の式(2)に示すように、それぞれのn枚目の強度画像に対応する、全体開口における光束2の波面の位相Φ(u,v)と、開口M(u,v)とで表される。

Figure 2019220640
開口M(u,v)は、既知であり、位相Φ(u,v)の初期値は、概算値である波面の位相Φ0,nであるため、瞳関数Gm,n(u,v)は、位相Φ(u,v)と開口M(u,v)から算出される。FIG. 9 shows the relationship between the overall aperture, each aperture in the plurality of imaging optical systems, and the image 105 of the moving body 1 when the moving body 1 is moving relative to the wavefront measuring apparatus 3. FIG.
FIG. 9 shows an example in which M imaging optical systems are mounted on the wavefront measuring apparatus 3.
M 0 (u,v) is the total aperture.
Each of M 1 (u,v), M 2 (u,v),..., M M (u,v) is an aperture in each of the M imaging optical systems. The subscript M in M M (u,v) is an integer of 2 or more, for example, m=1, 2,..., M.
The pupil function G m,n (u,v) represented by the wavefront aberration and the amplitude distribution on the pupil is represented by the following expression (2), and the entire aperture corresponding to each n-th intensity image is obtained. It is represented by the phase Φ n (u,v) of the wavefront of the light flux 2 at and the aperture M m (u,v).
Figure 2019220640
Since the aperture M m (u,v) is known and the initial value of the phase Φ n (u,v) is the approximate phase of the wavefront Φ 0,n , the pupil function G m,n (u , V) is calculated from the phase Φ n (u, v) and the aperture M m (u, v).

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

Figure 2019220640
式(3)において、λは、波長である。Further, the relationship between the phase Φ n (u,v) and the wavefront W n (u,v) is expressed by the following equation (3).
Figure 2019220640
In Expression (3), λ is a wavelength.

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

Figure 2019220640
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km,n(x,y)は、以下の式(5)に示すように、振幅広がり関数am,n(u,v)と、振幅広がり関数am,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。
Figure 2019220640
The amplitude spread function a m,n (u,v) is obtained by performing an inverse Fourier transform on the pupil function G m,n (u,v) as shown in the following expression (4).
Figure 2019220640
In Expression (4), F −1 is a symbol representing the inverse Fourier transform.
Point spread function k m point spread shows a, n (x, y), as shown in the following equation (5), the amplitude spread function a m, and n (u, v), the amplitude spread function a m , N (u, v) with the complex conjugate. (X, y) are coordinates in the real space.
Figure 2019220640

移動体1の輝度分布がo(p,q)、それぞれの光検出器で生じるノイズがem,n(x,y)で表されるとすると、m番目の開口M(u,v)に対応する移動体1の像im,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。

Figure 2019220640
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。
Figure 2019220640
一般的には、移動体1の像im,n(x,y)は、点広がり関数km,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、それぞれの光検出器で生じるノイズem,n(x,y)が付加されている。Assuming that the luminance distribution of the moving body 1 is o(p,q) and the noise generated in each photodetector is represented by em ,n (x,y), the m-th opening Mm (u,v). The image im ,n (x,y) of the moving body 1 corresponding to is expressed by the following equation (6). (P, q) are coordinates in the real space indicating the position where the moving body 1 exists.
The brightness distribution o(p,q) of the moving body 1 is the intensity of the light beam 2 reflected by the moving body 1 or the intensity of the light beam 2 transmitted from the moving body 1.
Figure 2019220640
When the convolution integral in Expression (6) is represented by the symbol “*”, Expression (6) is expressed by Expression (7) below.
Figure 2019220640
In general, the image i m of the moving body 1, n (x, y) is the point spread function k m, and n (x, y), the convolution of the intensity distribution of the moving body 1 o (p, q) Although obtained by integration, the noises em ,n (x,y) generated in the respective photodetectors are added to the equations (6) and (7).

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km,n(x,y)とから得られる移動体1の像であるo(p,q)*km,n(x,y)と、移動体1の実測の像であるim,n(x,y)との差分の二乗和eを示している。

Figure 2019220640
式(8)において、点広がり関数km,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。The following expression (8) is an image of the moving body 1 obtained from the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 and the point spread function km ,n (x,y) indicating the point image intensity distribution. The sum of squares e of the difference between o(p,q)*km ,n (x,y) and the measured image of the moving body 1, i ,n (x,y), is shown.
Figure 2019220640
In Expression (8), the point spread function km ,n (x,y) is obtained from Expression (2), Expression (4), and Expression (5). Therefore, in Expression (8), the only unknown value is the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1.
The brightness distribution o(p,q) of the moving body 1 can be obtained by searching o(p,q) that minimizes the sum of squared differences e.

移動体1は、波面計測装置3に対して相対的に運動している。駆動装置54が第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32におけるそれぞれ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41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。
The moving body 1 is moving relative to the wavefront measuring device 3. Even if the driving device 54 changes the respective directing directions in the first image forming optical system 12, the second image forming optical system 22, and the third image forming optical system 32, the moving body 1 and the wavefront measuring device 3 are Relative movements cannot be completely canceled.
Therefore, when the time t changes, the relative position of the moving body 1 changes.
The number of times the time t changes and the number of frames, which is the number of intensity images obtained by the wavefront estimation unit 41, do not need to be the same, but if the number of frames is 10, intensity images at 10 points of time are obtained. Therefore, the frame number corresponds to the time number.
Here, it is assumed that the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 does not depend on the frame and does not change. However, the wavefront is assumed to change from frame to frame.

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。

Figure 2019220640
式(9)において、Im,n(u,v)は、im,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。
Figure 2019220640
When searching the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1, the sum of squares of the difference can be considered in the phase space.
The following equation (9) is obtained by subjecting the equation (8) to the Fourier transform, and the sum of squares e of the differences shown in the equation (8) is the sum of squares E of the differences in the phase space.
Figure 2019220640
In Expression (9), I m,n (u,v) is a spectrum of im ,n (x,y), and is represented by the following Expression (10).
Figure 2019220640

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。

Figure 2019220640
それぞれの光検出器で生じるノイズem,n(x,y)があるために、O(u,v)=im,n(u,v)/Km,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。
m,n(u,v)は、瞳関数Gm,n(u,v)の自己相関であり、以下の式(12)で表される。Km,n(u,v)は、規格化されていないが、光学伝達関数である。
Figure 2019220640
In Expression (10), F is a symbol representing the Fourier transform.
In the equation (9), O(u,v) is a spectrum of o(p,q), and is represented by the following equation (11).
Figure 2019220640
Since there is noise e m,n (x,y) generated in each photodetector, O(u,v)=i m,n (u,v)/K m,n (u,v) Since it cannot be expressed in Equation (11), it is expressed as in Equation (11).
In the equation (11), γ is a coefficient introduced for stabilizing the solution.
K m,n (u,v) is the autocorrelation of the pupil function G m,n (u,v) and is represented by the following equation (12). K m,n (u,v) is an optical transfer function although it is not standardized.
Figure 2019220640

式(11)を式(9)に代入すると、以下の式(13)が得られる。

Figure 2019220640
式(13)に示す差分の二乗和Eは、開口M(p,q)と、位相Φ(p,q)と、移動体1の像im,n(x,y)のスペクトルIm,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(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(u,v)を求めれば、式(2)よって推定することができる。
Figure 2019220640
By substituting the equation (11) into the equation (9), the following equation (13) is obtained.
Figure 2019220640
The sum of squares E of the difference shown in Expression (13) is the aperture M m (p, q), the phase Φ n (p, q), and the spectrum I of the image i m, n (x, y) of the moving body 1. m, n (u, v) and does not depend on the unknown spectrum O(u, v) of the luminance distribution o(p, q) of the moving body 1.
The wavefront W n (u,v) can be estimated by the equation (2) if the phase Φ n (u,v) that minimizes the sum of squared differences Err shown in the following equation (14) is obtained.
Figure 2019220640

差分の二乗和Errが最小になる位相Φ(u,v)を求めることで、波面W(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rm,n(x,y)を示している。

Figure 2019220640
Even when the wavefront W n (u,v) is estimated by obtaining the phase Φ n (u,v) at which the sum of squared differences Err is minimized, the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 is obtained. However, the equation (14) does not depend on the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1. Therefore, a strong calculation constraint that the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 is a real number larger than 0 in the real space cannot be given.
In order to give a constraint that the luminance distribution o(p, q) of the moving body 1 is a real number larger than 0 in the real space, the constraint is further added to the equation (8) indicating the sum of squares of the difference in the real space. Should be given.
The following Expression (15) shows the difference r m,n (x, y) in the real space.
Figure 2019220640

第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれが、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。

Figure 2019220640
ノイズに対する実空間における差分rm,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。When each of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36 is an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), Such noise is shot noise and read noise.
The read noise has a median value of 0 and a standard deviation of σ according to a normal distribution. Shot noise is proportional to the brightness distribution of the acquired frame.
Therefore, when the equation (15) is normalized by noise, the equation (16) is obtained.
Figure 2019220640
If the ratio of the difference r m,n (x, y) in the real space to the noise is greater than 1, the deviation is large, and if 1, the deviation does not exist, and if it is smaller than 1, the deviation is small. To do.

式(8)の代わりに、以下の式(17)に示す尤度関数を導入する。

Figure 2019220640
式(17)において、d(x,y)は、差分rm,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。Instead of the equation (8), the likelihood function shown in the following equation (17) is introduced.
Figure 2019220640
In Expression (17), d m (x, y) is a weight given to the difference r m, n (x, y). For example, a frame with a large deviation has low reliability, and thus a small weight is given. ..
Further, in the real space, it is possible to reduce the calculation amount by setting the weight of the area to be calculated to 1 and the weight of the area to omit the calculation to be 0.
The above is the principle of the wavefront estimation processing and the principle of the luminance distribution estimation processing of the moving body 1.

波面推定部41は、概算値である波面の位相をΦ0,nとすると、Φ0,nを、式(2)に示すΦ(u,v)の初期値に設定する。
波面推定部41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km,n(x,y)を算出する(図8のステップST12)。
波面推定部41は、点広がり関数km,n(x,y)及び移動体1の像im,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Km,n(u,v)及び移動体1の像im,n(x,y)のスペクトルIm,n(u,v)を得る(図8のステップST13)。
Wavefront estimation unit 41, when the wavefront phase approximations and [Phi 0, n, the [Phi 0, n, is set to an initial value of the formula [Phi n (u, v) shown in (2).
The wavefront estimation unit 41 calculates the point spread function km ,n (x, y) indicating the point image intensity distribution by calculating the equations (2), (4), and (5) (FIG. 8). Step ST12).
Wavefront estimation unit 41, the point spread function k m, n (x, y ) and the image i m of the moving body 1, n (x, y) respectively by Fourier transform, the optical transfer function K m, n ( u,v) and the spectrum I m,n (u,v) of the image i m,n (x,y) of the moving body 1 are obtained (step ST13 in FIG. 8).

波面推定部41は、光学伝達関数Km,n(u,v)及びスペクトルIm,n(u,v)を式(14)に代入し、差分の二乗和Errを算出する(図8のステップST14)。
波面推定部41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8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41の内部メモリ又は保存装置43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(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。
The wavefront estimation unit 41 substitutes the optical transfer function K m,n (u,v) and the spectrum I m,n (u,v) into the equation (14) to calculate the sum of squared differences Err (FIG. 8). Step ST14).
After calculating the sum of squared differences Err, the wavefront estimation unit 41 determines whether the phase search processing has converged (step ST15 in FIG. 8 ).
As the convergence determination of the phase search process, for example, there is a method of determining that the calculated sum of squared differences Err is equal to or smaller than a preset first allowable error. The calculated sum of squares Err of the differences when it is determined that they are converged is the minimum sum of squares Err. The first tolerance is assumed to be stored in the internal memory of the wavefront estimation unit 41 or the storage device 43, for example.
Further, as the convergence determination of the phase search process, for example, while changing the phase Φ n (u,v), the sum of squared differences Err is calculated a preset number of times, and the sum of squared Err is calculated. , If the minimum sum of squares Err is specified, there is a method of determining that it has converged.

波面推定部41は、位相の探索処理が収束していなければ(図8のステップST15:NOの場合)、式(2)に示す位相Φ(u,v)を変更し(図8のステップST16)、変更後の位相Φ(u,v)を式(2)に設定する。
波面推定部26は、ステップST12〜ST15の処理を再度実施する。
変更後の位相Φ(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41は、位相の探索処理が収束していれば(図8のステップST15:YESの場合)、位相の探索処理を終了する。
If the phase search processing has not converged (step ST15 in FIG. 8: NO), the wavefront estimation unit 41 changes the phase Φ n (u,v) shown in Expression (2) (step in FIG. 8). ST16), the changed phase Φ n (u,v) is set in the equation (2).
The wavefront estimation unit 26 re-executes the processing of steps ST12 to ST15.
The changed phase Φ n (u,v) may be any phase as long as it is not set in the equation (2), but the phase should be such that the sum of squared differences Err becomes small. Is desirable.
If the phase search process has converged (step ST15: YES in FIG. 8), the wavefront estimation unit 41 ends the phase search process.

波面推定部41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(u,v)を式(3)に代入することで、全体開口における光束2の波面W(u,v)を推定する(図8のステップST17)。
推定された波面W(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41は、波面W(u,v)を保存装置43に出力する。
また、波面推定部41は、最小の二乗和Errが算出された位相Φ(u,v)に対応する点広がり関数km,n(x,y)を移動体復元部42に出力する。
When the phase search process is completed, the wavefront estimation unit 41 substitutes the phase Φ n (u,v) for which the minimum sum of squares Err has been calculated into the equation (3), so that the wavefront W of the light flux 2 at the entire aperture is obtained. Estimate n (u,v) (step ST17 in FIG. 8).
The estimated wavefront W n (u,v) is a wavefront with higher accuracy than the wavefront as the approximate value calculated in step ST11.
The wavefront estimation unit 41 outputs the wavefront W n (u,v) to the storage device 43.
Further, the wavefront estimation unit 41 outputs the minimum square sum Err is calculated phase Φ n (u, v) point spread corresponding to the function k m, n (x, y ) of the mobile recovery unit 42.

移動体復元部42は、波面推定部41から出力された点広がり関数km,n(x,y)と、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36から出力されたそれぞれ強度画像が示す移動体1の像im,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ST4)。
以下、移動体復元部42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。
The moving body restoration unit 42 includes the point spread function km ,n (x,y) output from the wavefront estimation unit 41, the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector. The luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 is estimated from the image im ,n (x,y) of the moving body 1 shown by each intensity image output from the device 36 (step ST4 in FIG. 3). ..
Hereinafter, the brightness distribution estimation processing of the moving body 1 by the moving body restoring unit 42 will be specifically described.

まず、移動体復元部42は、波面推定部41から出力された点広がり関数km,n(x,y)と、それぞれの強度画像が示す移動体1の像im,n(x,y)とを式(16)に代入して、差分rm,n(x,y)を算出する。
また、移動体復元部42は、差分rm,n(x,y)を式(17)に代入して、差分の二乗和eを算出する(図8のステップST18)。
ここでは、式(17)に示す重みd(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42によって変更されるようにしてもよい。
First, the moving body restoration unit 42 and the point spread functions km ,n (x,y) output from the wavefront estimation unit 41 and the images i m,n (x,y) of the moving body 1 indicated by the respective intensity images. ) And are substituted into the equation (16) to calculate the difference r m,n (x, y).
Further, the moving body restoration unit 42 substitutes the difference r m,n (x, y) into the equation (17) to calculate the sum of squares of the difference e (step ST18 in FIG. 8).
Here, it is assumed that the weight d m (x, y) shown in Expression (17) is fixed to a preset value, but it is changed by the moving body restoration unit 42. Good.

移動体復元部42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8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42の内部メモリ又は保存装置43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。
After calculating the square sum e of the differences, the moving body restoring unit 42 determines whether or not the brightness distribution estimation processing of the moving body 1 has converged (step ST19 in FIG. 8).
As the convergence determination of the brightness distribution estimation process of the moving body 1, for example, there is a method of determining that the sum is squared if the calculated sum of squares e of the differences is equal to or less than a preset second allowable error. The sum of squares e of the calculated differences when it is determined that they have converged is the minimum sum of squares e. The second allowable error is assumed to be stored in the internal memory of the mobile body restoring unit 42 or the storage device 43, for example.
Further, as the convergence determination of the brightness distribution estimation process of the moving body 1, for example, while changing the brightness distribution o(p, q) of the moving body 1, the sum of squared differences e is calculated a preset number of times, There is a method of determining that the minimum sum of squares e among the calculated sums of squares e has converged.

移動体復元部42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8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8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42は、移動体1の輝度分布推定処理が収束していれば(図8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43に出力する(図8のステップST21)。
If the luminance distribution estimation processing of the moving body 1 has not converged (step ST19: NO in FIG. 8), the moving body restoration unit 42 determines the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 shown in Expression (16). ) Is changed (step ST20 of FIG. 8), and the processes of steps ST18 to ST19 are performed again.
The changed luminance distribution o(p, q) may be any luminance distribution as long as it is not set in the equation (16), but the luminance distribution such that the sum of squared differences e becomes small. Is desirable.
If the luminance distribution estimation processing of the moving body 1 has converged (in the case of step ST19: YES in FIG. 8), the moving body restoration unit 42 determines that the minimum sum of squares e is the result of the luminance distribution estimation processing of the moving body 1. The calculated luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 is output to the storage device 43 (step ST21 in FIG. 8).

以上の実施の形態1は、波面推定部41が、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36により検出されたそれぞれの集光スポット像の位置から、全体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、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36によりそれぞれ検出された集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と集光スポット像とから、全体開口における光束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、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。   In the first embodiment described above, the wavefront estimation unit 41 determines from the positions of the respective focused spot images detected by the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36. , The approximate value of the wavefront of the light flux in the entire aperture is calculated, and the approximate values are used to collect the light detected by the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36, respectively. The wavefront measuring device 3 is configured to calculate the point image intensity distribution of the spot image and estimate the wavefront of the light flux at the entire aperture from the point image intensity distribution and the focused spot image. Therefore, the wavefront measuring device 3 can measure the wavefront without mounting a control mechanism such as a lenslet array that realizes high-speed movement.

以上の実施の形態1は、移動体復元部42が、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36によりそれぞれ検出された集光スポット像と、波面推定部41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。   In the above-described first embodiment, the moving body restoration unit 42 detects the focused spot images respectively detected by the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36, and the wavefront. The moving body observing device is configured to estimate the luminance distribution of the moving body 1 from the point image intensity distribution calculated by the estimating unit 41. Therefore, the moving body observation apparatus can estimate the luminance distribution of the moving body 1.

実施の形態2.
実施の形態1の波面計測装置3では、第1の遮光部11、第2の遮光部21及び第3の遮光部31におけるそれぞれの透過領域が、第1の結像光学系12、第2の結像光学系22及び第3の結像光学系32におけるそれぞれの開口よりも僅かに小さい。
しかし、これは一例に過ぎず、例えば、図10に示すように、透過領域が、図2に示す透過領域よりも狭くてもよい。即ち、開口の一部(部分開口)が透過領域であってもよい。
図10は、結像光学系の開口よりも、光束2の透過領域が小さい遮光部の一例を示す説明図である。
Embodiment 2.
In the wavefront measuring apparatus 3 according to the first embodiment, the respective transmission regions of the first light shielding unit 11, the second light shielding unit 21, and the third light shielding unit 31 have the first imaging optical system 12 and the second imaging region. It is slightly smaller than the respective openings in the imaging optical system 22 and the third imaging optical system 32.
However, this is merely an example, and the transmissive region may be narrower than the transmissive region shown in FIG. 2 as shown in FIG. 10, for example. That is, a part of the opening (partial opening) may be the transmissive region.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a light-shielding portion in which the light-transmitting region of the light flux 2 is smaller than the aperture of the imaging optical system.

また、図11に示すように、開口の一部に、光束2が遮光される遮光領域が含まれていてもよい。
図11は、開口の一部に、光束2が遮光される遮光領域が含まれている遮光部の一例を示す説明図である。
また、図12、図13及び図14に示すように、透過領域の形状又は大きさが異なる遮光部が混在していてもよい。
図12、図13及び図14は、複数の遮光部として、光束の透過領域の形状又は大きさが異なる遮光部が混在している例を示す説明図である。
Further, as shown in FIG. 11, a part of the opening may include a light blocking region that blocks the light flux 2.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a light-shielding portion in which a light-shielding region that shields the light flux 2 is included in a part of the opening.
In addition, as shown in FIGS. 12, 13, and 14, light-shielding portions having different shapes or sizes of the transmissive regions may be mixed.
12, FIG. 13 and FIG. 14 are explanatory diagrams showing an example in which, as the plurality of light-shielding portions, light-shielding portions having different shapes or sizes of light-beam transmissive regions are mixed.

透過領域は、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、光検出器により検出される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41で実施される波面の推定処理は、透過領域の大きさが小さい場合、透過領域の大きさが大きい場合よりも、早く終了する。
When the size of the transmissive region is small, the light amount of the light beam 2 that is transmitted is smaller than that when the size is large, but the light beam 2 that is transmitted becomes thin, so that a light spot image that is detected by the photodetector is formed. Correlation of wavefront becomes large.
Therefore, the wavefront estimation process performed by the wavefront estimation unit 41 ends earlier when the size of the transmission region is smaller than when the size of the transmission region is large.

以下、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の処理内容を説明する。
ここでは、透過領域の形状又は大きさが異なる遮光部が混在しているものとする。
波面推定部41は、推定処理の最初の段階では、複数の光検出器の中で、透過領域の大きさが小さい遮光部と接続されている光検出器ほど、検出された集光スポット像の重みを大きくする。
波面推定部41が差分の二乗和Errを算出する際に用いるスペクトルIm,n(u,v)についても、対応する集光スポット像の重みが大きくなれば、大きくなる。
波面推定部41は、波面の推定処理が進んで、収束に近づいてきたら、例えば、全ての光検出器により検出された集光スポット像の重みを均一にする。
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、波面推定部41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、波面推定部41の内部メモリ又は保存装置43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。
The processing contents in the case where priority is given to shortening the processing time of the wavefront estimation processing will be described below.
Here, it is assumed that light-shielding portions having different shapes or sizes of the transmissive regions are mixed.
In the first stage of the estimation process, the wavefront estimation unit 41 determines that the detected photodetection spot image of the plurality of photodetectors is connected to the light shielding unit having a small transmission region size. Increase the weight.
The spectrum I m,n (u,v) used when the wavefront estimation unit 41 calculates the sum of squared differences Err also increases as the weight of the corresponding focused spot image increases.
When the wavefront estimation process progresses toward the convergence as the wavefront estimation process proceeds, for example, the weights of the focused spot images detected by all the photodetectors are made uniform.
For example, if the sum of squared differences Err shown in Expression (14) is smaller than the threshold value, the wavefront estimation unit 41 can determine that the convergence is approaching. The threshold is assumed to be stored in the internal memory of the wavefront estimation unit 41 or the storage device 43, for example. Threshold>first tolerance.

ここでは、波面推定部41が、推定処理の最初の段階では、複数の光検出器の中で、透過領域の大きさが小さい遮光部と接続されている光検出器ほど、検出された集光スポット像の重みを大きくしている。そして、波面の推定処理が進んで、収束に近づいてきたら、波面推定部41が、全ての光検出器により検出された集光スポット像の重みを均一にしている。
しかし、これは一例に過ぎない。
波面推定部41は、複数のフレームのうち、奇数フレームでは、透過領域の大きさが小さい遮光部と接続されている光検出器ほど、検出された集光スポット像の重みを大きくする。また、波面推定部41は、偶数フレームでは、全ての光検出器により検出された集光スポット像の重みを均一にするようにしてもよい。
Here, in the first stage of the estimation process, the wavefront estimation unit 41 detects the collected light in the plurality of photodetectors that are connected to the light shield unit having the smaller transmission region size. The weight of the spot image is increased. Then, when the wavefront estimation process progresses and approaches the convergence, the wavefront estimation unit 41 makes the weights of the focused spot images detected by all the photodetectors uniform.
But this is just one example.
In the odd-numbered frame of the plurality of frames, the wavefront estimation unit 41 increases the weight of the detected focused spot image for the photodetector connected to the light-shielding unit having a small transmission region size. Further, the wavefront estimation unit 41 may make the weights of the focused spot images detected by all the photodetectors uniform in even frames.

実施の形態3.
実施の形態3では、第1の光束選択部13、第2の光束選択部23及び第3の光束選択部33を備えている移動体観測装置について説明する。
図15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15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。
第1の光束選択部13は、第1の結像光学系12により集光された光束2から、第1の波長の光束2aを抽出し、光束2aを第1のフォーカス調整レンズ14に出力する。
第2の光束選択部23は、第2の結像光学系22により集光された光束2から、第2の波長の光束2bを抽出し、光束2bを第2のフォーカス調整レンズ24に出力する。
第3の光束選択部33は、第3の結像光学系32により集光された光束2から、第3の波長の光束2cを抽出し、光束2cを第3のフォーカス調整レンズ34に出力する。
第1の波長と第2の波長と第3の波長とは、互いに異なる波長である。
Embodiment 3.
In the third embodiment, a moving object observing device including a first light flux selecting unit 13, a second light flux selecting unit 23, and a third light flux selecting unit 33 will be described.
FIG. 15 is a configuration diagram showing a moving body observation apparatus including the wavefront measurement apparatus 3 according to the third embodiment. In FIG. 15, the same reference numerals as those in FIG.
The first light flux selecting unit 13 extracts a light flux 2 a having a first wavelength from the light flux 2 condensed by the first imaging optical system 12, and outputs the light flux 2 a to the first focus adjustment lens 14. ..
The second light flux selecting unit 23 extracts the light flux 2b having the second wavelength from the light flux 2 condensed by the second imaging optical system 22, and outputs the light flux 2b to the second focus adjustment lens 24. ..
The third light flux selection unit 33 extracts the light flux 2c having the third wavelength from the light flux 2 condensed by the third imaging optical system 32, and outputs the light flux 2c to the third focus adjustment lens 34. ..
The first wavelength, the second wavelength, and the third wavelength are different wavelengths.

次に、図15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。
第1の光束選択部13は、第1の結像光学系12を透過してきた光束2を受けると、光束2から、第1の波長の光束2aを抽出し、光束2aを第1のフォーカス調整レンズ14に出力する。
波面計測装置3が第1の光束選択部13を備えることで、第1の光検出器16の受光面16aには、第1の波長の光束2aが集光される。
Next, the moving body observation apparatus shown in FIG. 15 will be described. However, here, only the part different from the moving body observation apparatus shown in FIG. 1 will be described.
Upon receiving the light flux 2 transmitted through the first imaging optical system 12, the first light flux selecting unit 13 extracts the light flux 2a having the first wavelength from the light flux 2 and adjusts the light flux 2a to the first focus adjustment. Output to the lens 14.
Since the wavefront measuring device 3 includes the first light flux selecting unit 13, the light flux 2a having the first wavelength is condensed on the light receiving surface 16a of the first photodetector 16.

第2の光束選択部23は、第2の結像光学系22を透過してきた光束2を受けると、光束2から、第2の波長の光束2bを抽出し、光束2bを第2のフォーカス調整レンズ24に出力する。
波面計測装置3が第2の光束選択部23を備えることで、第2の光検出器26の受光面26aには、第2の波長の光束2bが集光される。
第3の光束選択部33は、第3の結像光学系32を透過してきた光束2を受けると、光束2から、第3の波長の光束2cを抽出し、光束2cを第3のフォーカス調整レンズ34に出力する。
波面計測装置3が第3の光束選択部33を備えることで、第3の光検出器36の受光面36aには、第3の波長の光束2cが集光される。
Upon receiving the light flux 2 transmitted through the second imaging optical system 22, the second light flux selecting unit 23 extracts the light flux 2b having the second wavelength from the light flux 2 and adjusts the light flux 2b to the second focus adjustment. Output to the lens 24.
Since the wavefront measuring device 3 includes the second light flux selecting unit 23, the light flux 2b of the second wavelength is condensed on the light receiving surface 26a of the second photodetector 26.
Upon receiving the light flux 2 that has passed through the third imaging optical system 32, the third light flux selection unit 33 extracts the light flux 2c having the third wavelength from the light flux 2 and adjusts the light flux 2c to the third focus adjustment. Output to the lens 34.
Since the wavefront measuring device 3 includes the third light flux selecting unit 33, the light flux 2c of the third wavelength is condensed on the light receiving surface 36a of the third photodetector 36.

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。
The wavefront measuring device 3 estimates the wavefront based on the light flux 2 from the moving body 1, and the light flux 2 spreads due to fluctuations in the refractive index distribution of the atmosphere.
The scattering of the light flux 2 by the atmosphere depends on the wavelength. For example, blue light is easily scattered, and red light having a longer wavelength than blue light is less likely to be scattered. The resolution of the image is higher in blue light than in red light.
Therefore, of the light flux 2 from the moving body 1, the blue light flux 2 has a larger spread than the red light flux 2.

第1の光検出器16が、第1の波長の光束2aから集光スポット像を検出し、第2の光検出器26が、第2の波長の光束2bから集光スポット像を検出し、第3の光検出器36が、第3の波長の光束2c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。

Figure 2019220640
式(18)において、λ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は、第1の波長であり、j=2の場合のλは、第2の波長、j=3の場合のλは、第3の波長である。
式(18)は、式(3)と同様に、位相Φ(u,v)と、波面W(u,v)との関係を示している。The first photodetector 16 detects a focused spot image from the light flux 2a of the first wavelength, the second photodetector 26 detects a focused spot image from the light flux 2b of the second wavelength, When the third photodetector 36 detects the focused spot image from the light flux 2c of the third wavelength, the equation (3) is expressed by the following equation (18).
Figure 2019220640
In Expression (18), the subscript j of λ j is a symbol for identifying the wavelength. λ 1 when j=1 is the first wavelength, λ 2 when j= 2 is the second wavelength, and λ 3 when j= 3 is the third wavelength.
The formula (18) shows the relationship between the phase Φ n (u,v) and the wavefront W n (u,v), like the formula (3).

波面推定部41は、第1の波長の光束2aから検出された集光スポット像と、第2の波長の光束2bから検出された集光スポット像と、第3の波長の光束2cから検出された集光スポット像との点像強度分布を示す点広がり関数km,n(x,y)を算出する。
波面推定部41により算出される点広がり関数km,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、光束2a,2b,2cの波長の相関も考慮されて算出されている。
以下、波面推定部41は、実施の形態1と同様に、点広がり関数km,n(x,y)を用いて、全体開口における光束2の波面W(u,v)を推定する。
The wavefront estimation unit 41 is detected from the focused spot image detected from the light flux 2a of the first wavelength, the focused spot image detected from the light flux 2b of the second wavelength, and the light flux 2c of the third wavelength. A point spread function km ,n (x,y) indicating a point image intensity distribution with the focused spot image is calculated.
The point spread function km ,n (x,y) calculated by the wavefront estimation unit 41 takes into consideration not only the correlation of the positions of the plurality of focused spot images but also the correlation of the wavelengths of the light beams 2a, 2b, 2c. It has been calculated.
Hereinafter, the wavefront estimation unit 41 estimates the wavefront W n (u,v) of the light flux 2 at the entire aperture using the point spread function km ,n (x,y), as in the first embodiment.

以上の実施の形態3は、第1の光束選択部13、第2の光束選択部23及び第3の光束選択部33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、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。   In the third embodiment described above, the wavefront measuring apparatus 3 is configured so as to include the first light flux selecting unit 13, the second light flux selecting unit 23, and the third light flux selecting unit 33. Therefore, the wavefront measuring apparatus 3 of the third embodiment also uses the wavelength information as the information used for estimating the wavefront, which improves the accuracy of estimating the wavefront in the wavefront measuring apparatus 3 of the first embodiment.

実施の形態4.
実施の形態1の波面計測装置3では、制御装置53が、第1のフォーカス調整レンズ14、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34におけるそれぞれの光路長の調整量を制御している。
具体的には、制御装置53は、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36におけるそれぞれの受光面16a,26a,36aにおいて、光束2の焦点が合うように、光路長の調整量を制御している。
Fourth Embodiment
In the wavefront measuring device 3 of the first embodiment, the control device 53 controls the adjustment amounts of the respective optical path lengths of the first focus adjusting lens 14, the second focus adjusting lens 24, and the third focus adjusting lens 34. ing.
Specifically, the control device 53 causes the light beam 2 to be focused on the light-receiving surfaces 16a, 26a, 36a of the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36, respectively. The adjustment amount of the optical path length is controlled so as to match.

実施の形態4では、第1のフォーカス調整レンズ14、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34に対する制御が、図1に示す制御装置53と異なる制御装置70を備える波面計測装置3について説明する。
図16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16において、図1及び図15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。
In the fourth embodiment, the wavefront measuring apparatus is provided with a control device 70 for controlling the first focus adjusting lens 14, the second focus adjusting lens 24, and the third focus adjusting lens 34, which is different from the control device 53 shown in FIG. 3 will be described.
FIG. 16 is a configuration diagram showing a mobile body observation device including the wavefront measurement device 3 according to the fourth embodiment. In FIG. 16, the same symbols as those in FIGS. 1 and 15 indicate the same or corresponding portions, and thus the description thereof is omitted.

制御装置70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70は、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1のフォーカス調整レンズ14、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34のそれぞれを制御する。
このとき、制御装置70は、第1の光検出器16の受光面16aにおいて、光束2aの焦点が合うように、第1のフォーカス調整レンズ14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70は、第2の光検出器26の受光面26aにおいて、光束2bの焦点がずれるように、第2のフォーカス調整レンズ24を制御する。以下、焦点がずれている光束2bを「デフォーカス状態の光束2b」と称する。
また、制御装置70は、第3の光検出器36の受光面36aにおいて、光束2cの焦点がずれるように、第3のフォーカス調整レンズ34を制御する。以下、焦点がずれている光束2cを「デフォーカス状態の光束2c」と称する。なお、光束2cの焦点ずれは、光束2bの焦点ずれよりも大きいものとする。
制御装置70は、図1に示す制御装置53と同様に、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1のシャッタ15、第2のシャッタ25及び第3のシャッタ35のそれぞれを制御する。
また、制御装置70は、図1に示す制御装置53と同様に、カウンタ52により計測された経過時間に基づいて、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のそれぞれを制御する。
図16は、制御装置70が図15に示す移動体観測装置に適用されているが、図1に示す移動体観測装置に適用されているものであってもよい。
The control device 70 is realized by a computer such as a personal computer.
The control device 70 controls each of the first focus adjustment lens 14, the second focus adjustment lens 24, and the third focus adjustment lens 34 based on the elapsed time measured by the counter 52.
At this time, the control device 70 controls the first focus adjustment lens 14 so that the light beam 2a is focused on the light receiving surface 16a of the first photodetector 16. Hereinafter, the focused light beam 2a is referred to as "focused light beam 2a".
Further, the control device 70 controls the second focus adjustment lens 24 so that the light beam 2b on the light receiving surface 26a of the second photodetector 26 is out of focus. Hereinafter, the light beam 2b that is out of focus will be referred to as a "defocused light beam 2b".
Further, the control device 70 controls the third focus adjustment lens 34 so that the light beam 2c is defocused on the light receiving surface 36a of the third photodetector 36. Hereinafter, the light beam 2c that is out of focus will be referred to as a "defocused light beam 2c". The defocus of the light beam 2c is larger than the defocus of the light beam 2b.
Like the control device 53 shown in FIG. 1, the control device 70 controls each of the first shutter 15, the second shutter 25, and the third shutter 35 based on the elapsed time measured by the counter 52. ..
Further, the control device 70, like the control device 53 shown in FIG. 1, based on the elapsed time measured by the counter 52, the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 26. Control each of the detectors 36.
16 is applied to the moving body observation apparatus shown in FIG. 15 by the control device 70, but may be applied to the moving body observation apparatus shown in FIG.

次に、図16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15に示す移動体観測装置と相違する部分だけを説明する。
制御装置70は、第1の光検出器16の受光面16aにおいて、光束2aの焦点が合うように、第1のフォーカス調整レンズ14を制御する。
また、制御装置70は、第2の光検出器26の受光面26a及び第3の光検出器36の受光面36aのそれぞれにおいて、光束2b,2cの焦点がずれるように、第2のフォーカス調整レンズ24及び第3のフォーカス調整レンズ34のそれぞれを制御する。
Next, the moving body observation apparatus shown in FIG. 16 will be described. However, here, only parts different from the moving object observation apparatus shown in FIGS. 1 and 15 will be described.
The control device 70 controls the first focus adjustment lens 14 so that the light beam 2a is focused on the light receiving surface 16a of the first photodetector 16.
The controller 70 also performs the second focus adjustment so that the light beams 2b and 2c are out of focus on the light receiving surface 26a of the second photodetector 26 and the light receiving surface 36a of the third photodetector 36, respectively. Each of the lens 24 and the third focus adjustment lens 34 is controlled.

制御装置70の制御によって、第1の光検出器16は、フォーカス状態の光束2aから集光スポット像を検出し、第2の光検出器26は、デフォーカス状態の光束2bから集光スポット像を検出する。
また、第3の光検出器36は、デフォーカス状態の光束2cから集光スポット像を検出する。
波面推定部41は、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と、デフォーカス状態の光束2b,2cから検出されたそれぞれ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km,n(x,y)を算出する。
波面推定部41により算出される点広がり関数km,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。
以下、波面推定部41は、実施の形態1と同様に、点広がり関数km,n(x,y)を用いて、全体開口における光束2の波面W(u,v)を推定する。
Under the control of the control device 70, the first photodetector 16 detects the focused spot image from the focused light beam 2a, and the second photodetector 26 detects the focused spot image from the defocused light beam 2b. To detect.
Further, the third photodetector 36 detects a focused spot image from the light beam 2c in the defocused state.
The wavefront estimating unit 41 is a point spread function indicating a point spread intensity distribution of a focused spot image detected from the focused light beam 2a and respective focused spot images detected from the defocused light beams 2b and 2c. Calculate km ,n (x,y).
The point spread function km ,n (x,y) calculated by the wavefront estimation unit 41 is calculated in consideration of not only the correlation of the positions of the plurality of focused spot images but also the aberration corresponding to the focus shift. There is.
Hereinafter, the wavefront estimation unit 41 estimates the wavefront W n (u,v) of the light flux 2 at the entire aperture using the point spread function km ,n (x,y), as in the first embodiment.

実施の形態4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。   Since the wavefront measuring apparatus 3 of the fourth embodiment also uses the information of the aberration as the information used for estimating the wavefront, the accuracy of the wavefront estimation in the wavefront measuring apparatus 3 of the first embodiment is improved.

実施の形態5.
実施の形態5では、移動体復元部80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17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17において、図1、図15及び図16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80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80は、第1の光検出器16、第2の光検出器26及び第3の光検出器36のうち、基準波長より長い波長の光束を抽出する光束選択部が接続されている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する。
移動体復元部80は、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。
基準波長は、例えば、橙色の波長であり、基準波長の情報は、移動体復元部80の内部又は保存装置43に格納されている。
図17は、移動体復元部80が図16に示す移動体観測装置に適用されているが、図15に示す移動体観測装置に適用されているものであってもよい。
Embodiment 5.
In the fifth embodiment, a moving body observing device in which the moving body restoration unit 80 estimates the luminance distribution of the moving body 1 from the focused spot image and the point image intensity distribution in the region where the moving body 1 exists explain.
FIG. 17 is a configuration diagram showing a moving body observation apparatus including the wavefront measurement apparatus 3 according to the fifth embodiment. In FIG. 17, the same reference numerals as those in FIGS. 1, 15 and 16 indicate the same or corresponding portions, and thus the description thereof will be omitted.
The moving body restoration unit 80 is realized by a computer such as a personal computer or a wavefront estimation circuit.
The moving body restoration unit 80 is connected to a light beam selection unit that extracts a light beam having a wavelength longer than the reference wavelength from the first photodetector 16, the second photodetector 26, and the third photodetector 36. The area where the moving body is present is detected from the plurality of focused spot images detected by the existing photodetector.
The moving body restoration unit 80 performs a process of estimating the luminance distribution of the moving body 1 from the focused spot image and the point image intensity distribution in the area where the moving body 1 is present.
The reference wavelength is, for example, an orange wavelength, and information on the reference wavelength is stored inside the mobile body restoration unit 80 or in the storage device 43.
17 is applied to the moving body observation apparatus shown in FIG. 16 by the moving body restoration unit 80, but it may be applied to the moving body observation apparatus shown in FIG.

次に、図17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15及び図16に示す移動体観測装置と相違する部分だけを説明する。
第1の光検出器16は、第1の波長の光束2aから集光スポット像を検出しており、第2の光検出器26は、第2の波長の光束2bから集光スポット像を検出している。また、第3の光検出器36は、第3の波長の光束2cから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2b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2bは、第3の波長の光束2cよりも広がりが小さい光束であり、例えば、黄色の光束であるとする。
第3の波長の光束2cは、例えば、青色の光束であるとする。第1の波長>第2の波長>第3の波長である。
赤色の光束は、黄色又は青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。
図17に示す移動体観測装置は、3つの波面センサを備えている。実施の形態5では、移動体観測装置が、波面センサ10−1、波面センサ10−2及び波面センサ10−3だけでなく、例えば、数百個の波面センサを備えているものとして説明する。
Next, the moving body observation apparatus shown in FIG. 17 will be described. However, here, only the part different from the moving body observation apparatus shown in FIGS. 15 and 16 will be described.
The first photodetector 16 detects the focused spot image from the light beam 2a of the first wavelength, and the second photodetector 26 detects the focused spot image from the light beam 2b of the second wavelength. is doing. Further, the third photodetector 36 detects a focused spot image from the light flux 2c having the third wavelength.
The light flux 2a having the first wavelength is a light flux having a smaller spread than the light flux 2b having the second wavelength, and is, for example, a red light flux.
The light flux 2b having the second wavelength is a light flux having a smaller spread than the light flux 2c having the third wavelength, and is, for example, a yellow light flux.
The light flux 2c of the third wavelength is, for example, a blue light flux. First wavelength>second wavelength>third wavelength.
A red light flux is less susceptible to scattering than a yellow or blue light flux, but the resolution of the intensity image is low.
The moving body observation apparatus shown in FIG. 17 includes three wavefront sensors. In the fifth embodiment, the moving body observation apparatus will be described as including not only the wavefront sensor 10-1, the wavefront sensor 10-2, and the wavefront sensor 10-3, but also several hundreds of wavefront sensors, for example.

移動体復元部80は、数百個の波面センサに含まれている光検出器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。
以下、移動体復元部80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18は、移動体復元部80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18において、強度画像111は、基準波長より長い波長の光束を抽出する光束選択部が接続されている光検出器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である。
強度画像112は、基準波長以下の波長の光束を抽出する光束選択部が接続されている光検出器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。
The moving body restoration unit 80 includes a focused spot image and a point image in a region where the moving body 1 exists among the focused spot images detected by the photodetectors included in several hundreds of wavefront sensors. The luminance distribution of the moving body 1 is estimated from the intensity distribution.
Hereinafter, the brightness distribution estimation process of the moving body 1 by the moving body restoration unit 80 will be specifically described.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a luminance distribution estimation process of the moving body 1 by the moving body restoring unit 80.
In FIG. 18, an intensity image 111 is an intensity image showing a plurality of focused spot images detected by a photodetector to which a light flux selecting unit for extracting a light flux having a wavelength longer than the reference wavelength is connected.
The intensity image 112 is an intensity image showing a plurality of focused spot images detected by a photodetector to which a light flux selecting unit for extracting a light flux having a wavelength equal to or shorter than the reference wavelength is connected.
Since the intensity image 112 is easily affected by scattering, the image of the moving body 1 shown in the intensity image 112 is wider than the image of the moving body 1 shown in the intensity image 111. However, the intensity image 112 is an image having a higher resolution than the intensity image 111.

まず、移動体復元部80は、数百個の波面センサに含まれている光検出器により検出された集光スポット像の中から、基準波長より長い波長の光束を抽出する光束選択部が接続されている光検出器により検出された複数の集光スポット像を選択する。
移動体復元部80は、選択し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80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。
First, the moving body restoration unit 80 is connected to a light beam selection unit that extracts a light beam having a wavelength longer than the reference wavelength from the focused spot images detected by the photodetectors included in hundreds of wavefront sensors. A plurality of focused spot images detected by the photodetector being selected are selected.
The moving body restoration unit 80 performs a contour extraction process for extracting the contour of the moving body 1 from the intensity image 111 indicated by the selected plurality of focused spot images. The contour extraction process itself is a known technique, and thus detailed description thereof will be omitted.
The moving body restoration unit 80 sets the area inside the extracted contour as the area where the moving body 1 exists, and sets the area outside the contour as the area where the moving body 1 does not exist.

次に、移動体復元部80は、図18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。
Next, as shown in FIG. 18, the moving body restoring unit 80 confirms that only the area including the area in which the moving body 1 is present is the processing target area used for the brightness distribution estimation processing of the moving body 1. The mask image 113 shown is generated.
The processing target area is an area including the area in which the moving body 1 exists, and the processing target area may be an area that matches the area in which the moving body 1 exists, or The existing area may be a large area. As an area in which the moving body 1 is present is also large, it is conceivable that only the margin corresponding to the shadow of the moving body 1 is larger than the extracted contour of the moving body 1. As the margin, for example, the size of about 10% of the area where the moving body 1 is present can be considered.

移動体復元部80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im,n(x,y)を抽出する。図18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im,n(x,y)を示す強度画像である。
移動体復元部80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im,n(x,y)の中から、1つの移動体1の像im,n(x,y)を選択する。
移動体復元部80は、選択した移動体1の像im,n(x,y)と、選択した移動体1の像im,n(x,y)に対応する点広がり関数km,n(x,y)とを式(16)に代入して、差分rm,n(x,y)を算出する。
移動体復元部80は、処理対象領域に含まれている1以上の移動体1の像im,n(x,y)をすべて選択して、差分rm,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80は、算出した全ての差分rm,n(x,y)を式(17)に代入して、差分の二乗和eを算出する(図8のステップST18)。
式(17)において、処理対象領域内の差分rm,n(x,y)に対応する重みd(x,y)を1とし、処理対象領域外の差分rm,n(x,y)に対応する重みd(x,y)を0とする。
The moving body restoration unit 80 extracts an image im ,n (x,y) of the moving body 1 in the processing target region in the mask image 113 from the intensity image 112. The intensity image 114 shown in FIG. 18 is an intensity image showing the image i m,n (x, y) of the moving body 1 in the processing target region extracted from the intensity image 112.
Mobile restoration unit 80, an image i m of one or more mobile 1 contained in the processing target area, n (x, y) from the one image i m of the moving body 1, n (x , Y).
Mobile restoration unit 80, an image i m of the moving body 1 selected, n (x, y) and the image i m of the moving body 1 selected, n (x, y) point spread corresponding to the function k m, Substituting n (x, y) into equation (16), the difference r m,n (x, y) is calculated.
The moving body restoration unit 80 selects all the images i m,n (x, y) of the one or more moving bodies 1 included in the processing target area, and calculates the difference r m,n (x, y). The above-mentioned processing is repeatedly performed until the end.
The moving body restoration unit 80 substitutes all the calculated differences r m,n (x, y) into the equation (17) to calculate the square sum e of the differences (step ST18 in FIG. 8).
In the formula (17), the difference r m of the processing target area, n (x, y) weighted d m (x, y) corresponding to the set to 1, the difference r m outside the processing target area, n (x, y ), the weight d m (x, y) is set to 0.

移動体復元部80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42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80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。
When the moving body restoration unit 80 calculates the sum of squared differences e, the moving body restoration unit 80 repeatedly performs the luminance distribution estimation process until the luminance distribution estimation process of the moving body 1 converges, similarly to the moving body restoration unit 42 illustrated in FIG. 1. ..
When the luminance distribution estimation process of the moving body 1 converges, the moving body restoration unit 80 outputs the luminance distribution o(p,q) of the moving body 1 for which the minimum sum of squares e has been calculated to the storage device 30.

以上の実施の形態5は、移動体復元部80が、複数の光検出器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80が、複数の光検出器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15及び図16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。   In the above-described fifth embodiment, the moving body restoration unit 80 detects the area in which the moving body exists from the focused spot images detected by the plurality of photodetectors. Then, the moving body restoration unit 80 determines the moving body from the focused spot images and the point image intensity distribution in the region where the moving body 1 is present among the focused spot images detected by the plurality of photodetectors. The moving body observation apparatus was configured so as to estimate the luminance distribution of 1. Therefore, when estimating the luminance distribution of the moving body 1, the moving body observing apparatus can exclude the focused spot image of the region where the moving body does not exist from the processing target, and therefore, FIG. It is possible to reduce the load of the luminance distribution estimation processing of the moving body 1 as compared with the moving body observation apparatus shown.

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。   It should be noted that, within the scope of the invention, the invention of the present application is capable of freely combining the embodiments, modifying any constituent element of each embodiment, or omitting any constituent element in each embodiment. ..

この発明は、複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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。
The present invention is suitable for a wavefront measuring device and a wavefront measuring method for estimating the wavefront of a light beam at an entire aperture including all apertures of a plurality of imaging optical systems.
Further, the present invention is suitable for a moving body observation device that estimates the luminance distribution of a moving body.

1 移動体、2,2a,2b,2c 光束、3 波面計測装置、4,5,6 光束、10−1 波面センサ、10−2 波面センサ、10−3 波面センサ、11 第1の遮光部、12 第1の結像光学系、13 第1の光束選択部、14 第1のフォーカス調整レンズ、15 第1のシャッタ、16 第1の光検出器、16a 第1の光検出器の受光面、21 第2の遮光部、22 第2の結像光学系、23 第2の光束選択部、24 第2のフォーカス調整レンズ、25 第2のシャッタ、26 第2の光検出器、26a 第2の光検出器の受光面、31 第3の遮光部、32 第3の結像光学系、33 第3の光束選択部、34 第3のフォーカス調整レンズ、35 第3のシャッタ、36 第3の光検出器、36a 第3の光検出器の受光面、41 波面推定部、42 移動体復元部、43 保存装置、51 時刻校正部、52 カウンタ、53 制御装置、54 駆動装置、61,62 筐体、70 制御装置、80 移動体復元部、101 第1の大気層、102 第2の大気層、103 第3の大気層、104,105,105a,105b 移動体1の像、106a,106b 波面、111,112,114 強度画像、113 マスク画像。   1 moving body, 2, 2a, 2b, 2c light flux, 3 wavefront measuring device, 4, 5, 6 light flux, 10-1 wavefront sensor, 10-2 wavefront sensor, 10-3 wavefront sensor, 11 first light-shielding section, 12 1st imaging optical system, 13 1st light flux selection part, 14 1st focus adjustment lens, 15 1st shutter, 16 1st photodetector, 16a Light-receiving surface of 1st photodetector, 21 second light shielding unit, 22 second image forming optical system, 23 second light flux selecting unit, 24 second focus adjusting lens, 25 second shutter, 26 second photodetector, 26a second Light-receiving surface of photodetector, 31 Third light-shielding portion, 32 Third image-forming optical system, 33 Third light-beam selecting portion, 34 Third focus adjusting lens, 35 Third shutter, 36 Third light Detector, 36a Light receiving surface of third photodetector, 41 Wavefront estimation unit, 42 Moving body restoration unit, 43 Storage device, 51 Time calibration unit, 52 Counter, 53 Control device, 54 Driving device, 61, 62 Housing , 70 control device, 80 moving body restoration unit, 101 first atmospheric layer, 102 second atmospheric layer, 103 third atmospheric layer, 104, 105, 105a, 105b image of moving body 1, 106a, 106b wavefront, 111, 112, 114 intensity image, 113 mask image.

この発明に係る移動体観測装置は、互いに異なる位置に配置されており、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複数の結像光学系と、複数の結像光学系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複数の光検出器と、複数の光検出器により検出された集光スポット像の位置から、複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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、複数の光検出器により検出された集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と集光スポット像とから、全体開口における光束の波面を推定する波面推定部と、複数の光検出器により検出された集光スポット像と、波面推定部により推定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、複数の結像光学系により集光されたそれぞれの光束から、互いに異なる波長の光束を抽出し、互いに異なる波長のそれぞれの光束をそれぞれの光検出器に出力する複数の光束選択部とを備え、移動体復元部は、複数の光検出器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し、複数の光検出器により検出された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。 The moving object observation apparatus according to the present invention is arranged at mutually different positions, and has a plurality of image forming optical systems for condensing a light beam reflected by the moving object or a light beam transmitted from the moving object, and a plurality of image forming devices. From each of the light beams condensed by the optical system, a plurality of photodetectors that detect a condensed spot image as an image of the moving body, and from the positions of the condensed spot images detected by the plural photodetectors, The approximate value of the wavefront of the light flux at the entire aperture including all of the apertures of the imaging optical system is calculated, and the point image intensity distribution of the focused spot images detected by multiple photodetectors is calculated using the approximate value. Then, from the point image intensity distribution and the focused spot image, a wavefront estimation unit that estimates the wavefront of the light flux at the entire aperture, a focused spot image detected by a plurality of photodetectors, and a wavefront estimation unit From the point image intensity distribution, the moving body restoration unit that estimates the luminance distribution of the moving body, and the light fluxes of different wavelengths are extracted from the respective light fluxes collected by the plurality of imaging optical systems. A plurality of light flux selection units that output the respective light fluxes to the respective photodetectors, and the moving body restoration unit is a region where the moving body exists from the focused spot images detected by the plurality of photodetectors. Of the focused spot image detected by a plurality of photodetectors, from the focused spot image in the region where the moving body is present, and the point image intensity distribution calculated by the wavefront estimation unit, The luminance distribution of the moving body is estimated .

この発明に係る移動体観測装置は、互いに異なる位置に配置されており、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複数の結像光学系と、複数の結像光学系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複数の光検出器と、複数の光検出器により検出された集光スポット像の位置から、複数の結像光学系の開口の全てを含んでいる1つの開口である全体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、複数の光検出器により検出された集光スポット像の点像強度分布を算出し、点像強度分布と集光スポット像とから、全体開口における光束の波面を推定する波面推定部と、複数の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、複数の結像光学系により集光されたそれぞれの光束から、互いに異なる波長の光束を抽出し、抽出した光束を、複数の光検出器の中で、互いに異なる1つの光検出器に出力する複数の光束選択部とを備え、移動体復元部は、複数の光検出器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し、複数の光検出器により検出された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。 The moving object observation apparatus according to the present invention is arranged at mutually different positions, and has a plurality of image forming optical systems for condensing a light beam reflected by the moving object or a light beam transmitted from the moving object, and a plurality of image forming devices. From each of the light beams condensed by the optical system, a plurality of photodetectors that detect a condensed spot image as an image of the moving body, and from the positions of the condensed spot images detected by the plural photodetectors, The approximated value of the wavefront of the light flux at the whole aperture, which is one aperture including all the apertures of the imaging optical system , is calculated, and the converged spot image detected by the plurality of photodetectors is used by using the approximated value. Of the point image intensity distribution, and from the point image intensity distribution and the focused spot image, a wavefront estimation unit that estimates the wavefront of the light flux at the entire aperture, and a focused spot image detected by a plurality of photodetectors, From the point image intensity distribution calculated by the wavefront estimation unit, the moving body restoration unit that estimates the luminance distribution of the moving body, and the respective light fluxes condensed by the plurality of imaging optical systems are used to generate light fluxes of different wavelengths. A plurality of light flux selectors for outputting the extracted light fluxes to one photodetector different from each other among the plurality of photodetectors, and the moving body restoration unit is detected by the plurality of photodetectors. The area where the moving body is present is detected from the focused spot image and the focused spot image in the area where the moving body is present among the focused spot images detected by the multiple photodetectors is detected. The luminance distribution of the moving body is estimated from the point image intensity distribution calculated by the wavefront estimation unit.

Claims (9)

互いに異なる位置に配置されており、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複数の結像光学系と、
前記複数の結像光学系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複数の光検出器と、
前記複数の光検出器により検出された集光スポット像の位置から、前記複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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、前記複数の光検出器により検出された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集光スポット像とから、前記全体開口における光束の波面を推定する波面推定部と
を備えた波面計測装置。
A plurality of imaging optical systems, which are arranged at mutually different positions, and which collect the light beam reflected by the moving body or the light beam transmitted from the moving body,
From each of the light fluxes condensed by the plurality of imaging optical systems, a plurality of photodetectors for detecting a focused spot image as an image of the moving body,
From the positions of the focused spot images detected by the plurality of photodetectors, an approximate value of the wavefront of the light flux in the overall aperture including all of the apertures of the plurality of imaging optical systems is calculated, and the approximate value is used. , A wavefront estimation for estimating a point image intensity distribution of a focused spot image detected by the plurality of photodetectors, and estimating a wavefront of a light flux at the entire aperture from the point image intensity distribution and the focused spot image And a wavefront measuring device.
前記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の一部を遮光する複数の遮光部を備え、
前記複数の遮光部のそれぞれは、それぞれの結像光学系の入力側又は出力側に配置されていることを特徴とする請求項1記載の波面計測装置。
A plurality of light blocking portions for blocking a part of the light flux reflected by the moving body or the light flux transmitted from the moving body,
The wavefront measuring apparatus according to claim 1, wherein each of the plurality of light shielding units is arranged on an input side or an output side of each imaging optical system.
前記複数の遮光部おける光束の透過領域は、形状及び大きさのそれぞれが同じであることを特徴とする請求項2記載の波面計測装置。   The wavefront measuring apparatus according to claim 2, wherein the light-transmitting regions of the plurality of light-shielding portions have the same shape and the same size. 前記複数の遮光部として、光束の透過領域の形状又は大きさが異なる遮光部が混在していることを特徴とする請求項2記載の波面計測装置。   The wavefront measuring apparatus according to claim 2, wherein, as the plurality of light-shielding portions, light-shielding portions having different shapes or sizes of light-transmitting regions are mixed. 前記複数の結像光学系により集光されたそれぞれの光束から、互いに異なる波長の光束を抽出し、互いに異なる波長のそれぞれの光束をそれぞれの光検出器に出力する複数の光束選択部を備えたことを特徴とする請求項1記載の波面計測装置。   A plurality of light flux selectors for extracting light fluxes having different wavelengths from the respective light fluxes condensed by the plurality of imaging optical systems and outputting the respective light fluxes having different wavelengths to respective photodetectors are provided. The wavefront measuring apparatus according to claim 1, wherein 前記複数の結像光学系により集光されたそれぞれの光束の光路長を、互いに異なる光路長に調整し、光路長調整後のそれぞれの光束をそれぞれの光検出器に出力する複数のフォーカス調整レンズを備えたことを特徴とする請求項1記載の波面計測装置。   A plurality of focus adjustment lenses that adjust the optical path lengths of the light fluxes condensed by the plurality of imaging optical systems to mutually different optical path lengths and output the respective light fluxes after the optical path length adjustment to the respective photodetectors. The wavefront measuring device according to claim 1, further comprising: 互いに異なる位置に配置されている複数の結像光学系が、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、
複数の光検出器が、前記複数の結像光学系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、前記複数の光検出器により検出された集光スポット像の位置から、前記複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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、前記複数の光検出器により検出された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集光スポット像とから、前記全体開口における光束の波面を推定する
波面計測方法。
A plurality of image forming optical systems arranged at mutually different positions collect the light flux reflected by the moving body or the light flux transmitted from the moving body,
A plurality of photodetectors detect a focused spot image as an image of the moving body from each of the light beams focused by the plurality of imaging optical systems,
The wavefront estimation unit calculates, from the positions of the focused spot images detected by the plurality of photodetectors, an approximate value of the wavefront of the light flux in the entire aperture including all the apertures of the plurality of imaging optical systems, An approximate value is used to calculate the point image intensity distribution of the focused spot image detected by the plurality of photodetectors, and from the point image intensity distribution and the focused spot image, the wavefront of the light flux at the entire aperture is calculated. A wavefront measurement method for estimating.
互いに異なる位置に配置されており、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複数の結像光学系と、
前記複数の結像光学系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複数の光検出器と、
前記複数の光検出器により検出された集光スポット像の位置から、前記複数の結像光学系の開口の全てを含む全体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、前記複数の光検出器により検出された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集光スポット像とから、前記全体開口における光束の波面を推定する波面推定部と、
前記複数の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推定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
を備えた移動体観測装置。
A plurality of imaging optical systems, which are arranged at mutually different positions, and which collect the light flux reflected by the moving body or the light flux transmitted from the moving body,
From each of the light fluxes condensed by the plurality of imaging optical systems, a plurality of photodetectors that detect a focused spot image as an image of the moving body,
From the positions of the focused spot images detected by the plurality of photodetectors, an approximate value of the wavefront of the light flux in the entire aperture including all of the apertures of the plurality of imaging optical systems is calculated, and the approximate value is used. , Wavefront estimation for calculating a point image intensity distribution of a focused spot image detected by the plurality of photodetectors, and estimating a wavefront of a light flux at the entire aperture from the point image intensity distribution and the focused spot image Department,
A moving body restoration section that estimates the luminance distribution of the moving body from the focused spot images detected by the plurality of photodetectors and the point image intensity distribution estimated by the wavefront estimation section. Observation device.
前記複数の結像光学系により集光されたそれぞれの光束から、互いに異なる波長の光束を抽出し、互いに異なる波長のそれぞれの光束をそれぞれの光検出器に出力する複数の光束選択部を備え、
前記移動体復元部は、
前記複数の光検出器により検出された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、前記複数の光検出器により検出された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請求項8記載の移動体観測装置。
From each of the light fluxes condensed by the plurality of imaging optical systems, a plurality of light flux selectors for extracting light fluxes of different wavelengths and outputting respective light fluxes of different wavelengths to respective photodetectors are provided.
The moving body restoration unit,
From the focused spot images detected by the plurality of photodetectors, the region where the moving body is present is detected, and among the focused spot images detected by the plurality of photodetectors, the moving body is 9. The moving body observation according to claim 8, wherein the luminance distribution of the moving body is estimated from the focused spot image in the existing region and the point image intensity distribution calculated by the wavefront estimation unit. apparatus.
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JP6896150B1 (en) * 2019-09-13 2021-06-30 三菱電機株式会社 Wavefront measuring device and wavefront measuring method
WO2021049006A1 (en) * 2019-09-13 2021-03-18 三菱電機株式会社 Wavefront measurement device and wavefront measurement method
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0915057A (en) * 1995-06-26 1997-01-17 Mitsubishi Electric Corp Wave front sensor and wave front measuring method
JP4344849B2 (en) * 2004-05-21 2009-10-14 国立大学法人東京工業大学 Optical phase distribution measurement method
US7475989B2 (en) * 2006-03-14 2009-01-13 Amo Manufacturing Usa, Llc Shack-Hartmann based integrated autorefraction and wavefront measurements of the eye
JP4895409B2 (en) * 2010-05-25 2012-03-14 キヤノン株式会社 Refractive index distribution measuring method and refractive index distribution measuring apparatus
WO2013165689A1 (en) * 2012-04-30 2013-11-07 Clarity Medical Systems, Inc. Ophthalmic wavefront sensor operating in parallel sampling and lock-in detection mode
JP2015055544A (en) * 2013-09-11 2015-03-23 キヤノン株式会社 Wavefront measurement instrument, wavefront measurement method, method of manufacturing optical element, and assembly adjustment device of optical system

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