CN105264429B - 自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统及存储自适应光学系统用程序的记录介质 - Google Patents

自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统及存储自适应光学系统用程序的记录介质 Download PDF

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Abstract

一种自适应光学系统中，包括：空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个区域的调制面的光学像的相位进行空间调制；和从上述空间光调制器接收调制后的上述光学像的波前传感器，其具有与上述N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个会聚光斑的光强度分布的光检测元件，在该自适应光学系统中，确定上述空间光调制器的上述区域与形成于上述波前传感器的上述会聚光斑的对应关系。

Description

自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自 适应光学系统及存储自适应光学系统用程序的记录介质
技术领域
本发明的一方面涉及自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统及存储自适应光学系统用程序的记录介质。
背景技术
专利文献1中记载有一种关于测量光波的波前的波前传感器的技术。该波前传感器中，对通过多个透镜的光分别附加特征(例如，光强度)，并从接收了这些光的CCD等的受光元件得到图像数据。并且，根据该图像数据计算测量点位置，并且检测会聚光斑的特征，将与具有该特征的会聚光斑对应的基准点位置和测量点位置相对应，并根据相对应的基准点位置和测量点位置计算波前。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开平9－15057号公报
发明内容
发明所要解决的课题
补偿光学技术是如下技术，即：使用波前传感器，对光学的像差(波前畸变)进行测量，基于其结果控制波前调制元件(空间光调制器)，由此动态地除去像差。通过该补偿光学技术，可以提高成像特性、聚光度、图像的SN比、测量精度。现有技术中，补偿光学技术主要用于天体望远镜、大型激光装置。近年来，补偿光学技术也被应用于眼底照相机、扫描型激光检眼镜、光干涉断层扫描装置、激光显微镜等。使用这种补偿光学技术的成像，能够以比现有高的分辨率进行观察。例如，在观察眼的里面(眼底)的眼底成像装置适用补偿光学技术，由此，除去由眼球导致的像差，可以鲜明地描绘出例如视细胞、神经纤维、毛细血管这样的眼底的微细结构。不只眼疾病，也可以期待循环器官类疾病的早期诊断。
用于实现上述那样的补偿光学技术的自适应光学系统主要由空间光调制器、波前传感器及控制它们的控制装置构成。而且，作为波前传感器，可使用如下方式的传感器，例如具备排列成二维状的多个透镜，基于由各透镜形成的会聚光斑从基准位置的位置偏离，测量波前(所谓的夏克-哈特曼(Shack Hartmann)型波前传感器)。
这种自适应光学系统中，精确地了解波前传感器的多个透镜与所检测的多个会聚光斑的对应关系是非常重要的。图31是用于说明具有某个波前W的光学像入射至波前传感器时的多个透镜101与多个会聚光斑P的对应关系的图。如图31(a)所示，在波前W的像差较小的情况下，各会聚光斑P的位置偏离量较小，因此，由对应的透镜101形成的会聚光斑P位于与多个透镜101对向的检测面103上的多个区域104的内部。在该情况下，基于波前W的像差为零时应形成的会聚光斑的位置即基准位置和形成在与该基准位置相同的区域104内的会聚光斑P的位置的距离(位置偏离量)，算出该区域的像差。
但是，如图31(b)所示，在波前W的像差较大的情况下，产生以下问题。即，在这种情况下，会聚光斑P的位置偏离量变大，因此，有时该会聚光斑P位于与形成该会聚光斑P的透镜101对向的区域104以外。因此，产生在某个区域104中不存在会聚光斑P，而在其它区域104中存在多个会聚光斑P的状况。另外，如图31(c)所示，在波前W大幅倾斜的情况下，有时由各透镜101形成的会聚光斑P位于与各透镜101对向的区域104所相邻的区域104内。
在图31(b)和图31(c)中示例那样的状况下，会聚光斑P和透镜101的对应关系不明确，因此，确定基于该会聚光斑P的位置要控制的空间光调制器的调制面上的区域较为困难。因此，波前畸变补偿的精度降低，或者能够补偿的波前畸变的大小被限制。例如在眼底成像装置中应用自适应光学系统的情况下，有时由眼球产生的像差在每个测定对象中的差异较大，另外，根据眼球的位置或用于修正近视或远视的光学系统的位置不同，有时像差变大。在这些情况下，上述问题变得显著。
此外，专利文献1所记载的方式中存在以下问题。专利文献1中，作为对通过波前传感器的多个透镜的光分别附加特征的方式，公开有在与各透镜对应的每个区域中将厚度不同的光学板配置于透镜前方的方式、在与各透镜对应的每个区域中将透射率不同的光学板配置于透镜前方的方式以及将液晶快门配置于透镜前方的方式。但是，这些方式中，在被测量光的光路上重新配置光学板等，零件数量增加。另外，由于在通过光学板等时被测量光中产生损耗，因此，波前检测精度可能降低。另外，假设即使设置了能够根据需要将光学板插拔等的机构，也不易调整与透镜的相对位置，装置也大型化。
本发明是鉴于这种问题点而完成的，本发明一方面的目的在于，提供一种自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统和存储自适应光学系统用程序的记录介质，能够抑制被测量光的损耗的增加，并且即使结构简单，也准确地确定波前传感器的会聚光斑与基于其位置要控制的空间光调制器的调制面上的区域的对应关系，并能够高精度地补偿更大的波前畸变。
用于解决课题的方案
为了解决所述课题，本发明一方面提供一种自适应光学系统的对应关系确定方法，所述自适应光学系统包括：空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面的光学像的相位进行空间调制，和从空间光调制器接收调制后的光学像的波前传感器，其具有与N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个(K为自然数，K≦N)会聚光斑的光强度分布的光检测元件，所述方法是在所述自适应光学系统中，确定空间光调制器的区域与形成于波前传感器的会聚光斑的对应关系的方法，在该方法中包括光强度分布取得步骤，将空间光调制器的N个区域中的至少1个区域设定为对象区域，在使对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围对象区域的多个区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，利用光检测元件取得光强度分布。
上述方法中，在具有空间光调制器和波前传感器的自适应光学系统中，作为光强度分布取得步骤，在使空间光调制器的对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围该对象区域(与该对象区域相邻)的多个区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，利用波前传感器的光检测元件取得光强度分布。该光强度分布取得步骤中，与对象区域对应的会聚光斑形成于光检测元件上。另一方面，在包围对象区域的多个区域中，光通过非线性的相位图案进行扩散，因此，不能形成与该多个区域对应的会聚光斑，或该光强度变得微弱。因此，在与对象区域对应的会聚光斑的周围，不存在会聚光斑，或会聚光斑的清晰度比与对象区域对应的会聚光斑的清晰度显著地劣化。因此，可以容易地确定与对象区域对应的会聚光斑。
这样，根据上述的对应关系确定方法，可以准确地确定波前传感器的会聚光斑与基于根据该会聚光斑的位置计算出的像差要控制的空间光调制器的调制面上的区域的对应关系。因此，可以高精度地补偿更大的波前畸变。另外，根据上述的对应关系确定方法，不需要如专利文献1所记载的结构那样追加光学板等新的部件，因此，可抑制零件数量的增加，并且可以抑制被测量光的损耗增加且维持波前检测精度。
另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，也可以一边将空间光调制器的N个区域逐一设定成对象区域，一边取得光强度分布。另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，也可以一边将空间光调制器的N个区域逐一地依次设定成对象区域，一边反复进行N次的光强度分布取得步骤，由此，取得与N个区域分别对应的N个光强度分布。由此，可以在空间光调制器的全部区域中高精度地补偿更大的波前畸变。
另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，也可以将空间光调制器的N个区域中相互不相邻的多个区域设定成对象区域，取得光强度分布。另外，也可以一边变更设定成对象区域的多个区域，一边取得光强度分布。另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，也可以一边将空间光调制器的N个区域按每多个依次设定成对象区域，一边反复进行M次(M为2以上的整数)的光强度分布取得步骤，由此，取得M个光强度分布，并且在各光强度分布取得步骤中，也可以以将多个对象区域相互不相邻的方式设定。由此，在空间光调制器的全部区域中，可以高精度地补偿更大的波前畸变。另外，通过将空间光调制器的N个区域按每多个依次设定成对象区域，与逐一地依次设定的情况相比，可以缩短处理时间。
另外，在自适应光学系统的对应关系确定方法中，空间上非线性的相位图案也可以包含相位的大小分布为不规则的随机分布。或自适应光学系统的对应关系确定方法中，空间上非线性的相位图案也可以包含将会聚光斑进行扩径的散焦分布。通过相位图案包含它们中的一些分布，可以实现空间上非线性的相位图案。
另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，至少在一个方向上具有线性的相位图案也可以包含大致均匀的相位分布，也可以包含至少在一个方向上倾斜的相位分布。或者，在自适应光学系统的对应关系确定方法中，至少在一个方向上具有线性的相位图案也可以包含在第一方向上具有柱面透镜效应(例如在第一方向上具有2次函数的相位分布)、而在与该第一方向交叉(例如，正交)的第二方向上为大致均匀的相位分布，或者也可以包含在第一方向上构成衍射光栅、而在与该第一方向交叉(例如，正交)的第二方向上为大致均匀的相位分布。通过相位图案包含它们中的一些分布，可以实现至少在一个方向上具有线性的相位图案。
另外，本发明的一方面提供一种波前畸变补偿方法，其在自适应光学系统中，基于根据光强度分布得到的光学像的波前形状控制显示于空间光调制器的相位图案，由此来补偿波前畸变，上述自适应光学系统包括：空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面的光学像的相位进行空间调制，和从空间光调制器接收调制后的光学像的波前传感器，其具有与N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个(K为自然数，K≦N)会聚光斑的光强度分布的光检测元件，所述波前畸变补偿方法中包括：将空间光调制器的N个区域中的至少1个区域设定为对象区域，在使对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围对象区域的多个区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，利用光检测元件取得所述光强度分布的步骤；基于在光强度分布取得步骤中检测出的光强度分布计算波前畸变的波前畸变计算步骤；和使用于修正在波前畸变计算步骤中计算出的波前畸变的相位图案显示于调制面中的显示步骤。
该波前畸变补偿方法具有与上述自适应光学系统的对应关系确定方法同样的光强度分布取得步骤。因此，可以准确地确定与对象区域对应的会聚光斑，并可以提高波前畸变补偿的精度。另外，不需要追加光学板等新的部件，因此，可抑制零件数量的增加，并且可以抑制被测量光的损耗增加且维持波前检测精度。
另外，本发明的一方面提供一种自适应光学系统，包括：空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面的光学像的相位进行空间调制；和从空间光调制器接收调制后的光学像的波前传感器，其具有与N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个(K为自然数，K≦N)会聚光斑的光强度分布的光检测元件；和控制部，其基于根据光强度分布得到的光学像的波前形状控制显示于空间光调制器的相位图案，由此来补偿波前畸变，控制部将空间光调制器的N个区域中的至少1个区域设定为对象区域，在使对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围对象区域的多个区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，利用光检测元件取得光强度分布，基于在光强度分布取得步骤中检测出的光强度分布计算波前畸变，使用于修正在波前畸变计算步骤中计算出的波前畸变的相位图案显示于调制面中。
根据该自适应光学系统，控制部在使空间光调制器的对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围对象区域的多个区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，取得光强度分布。因此，与上述的对应关系确定方法同样，可以准确地确定与对象区域对应的会聚光斑，并可以提高波前畸变补偿的精度。另外，不需要追加光学板等新的零件，因此，可抑制部件数量的增加，并且可以抑制被测量光的损耗增加且维持波前检测精度。
另外，自适应光学系统用程序是在自适应光学系统中用于控制控制部的动作的程序，自适应光学系统包括：空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面的光学像的相位进行空间调制；从空间光调制器接收调制后的光学像的波前传感器，其具有与N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个(K为自然数，K≦N)会聚光斑的光强度分布的光检测元件；和控制部，其基于根据光强度分布得到的光学像的波前形状控制显示于空间光调制器的相位图案，由此来补偿波前畸变，自适应光学系统用程序使控制部执行以下步骤：光强度分布取得步骤，将空间光调制器的N个区域中的至少1个区域设定为对象区域，在使对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围对象区域的多个区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，取得光强度分布；基于在光强度分布计算步骤中所检测出的光强度分布计算波前畸变的波前畸变计算步骤；和使用于修正在波前畸变计算步骤中所计算的波前畸变的相位图案显示于调制面中的显示步骤。
另外，本发明一方面提供一种存储自适应光学系统用程序的记录介质，该程序用于在自适应光学系统中控制控制部的动作，自适应光学系统包括：空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面的光学像的相位进行空间调制；从空间光调制器接收调制后的光学像的波前传感器，其具有与N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个(K为自然数，K≦N)会聚光斑的光强度分布的光检测元件；和控制部，其基于根据光强度分布得到的光学像的波前形状控制显示于空间光调制器的相位图案，由此来补偿波前畸变，自适应光学系统用程序使控制部执行以下步骤：光强度分布取得步骤，将空间光调制器的N个区域中的至少1个区域设定为对象区域，在使对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围对象区域的多个区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，取得光强度分布；基于光强度分布计算波前畸变的波前畸变计算步骤；和使用于修正波前畸变的相位图案显示于调制面中的显示步骤。
该自适应光学系统用程序和存储该程序的记录介质具有与上述的对应关系确定方法相同的光强度分布取得步骤。因此，可以准确地确定与对象区域对应的会聚光斑，并可以提高波前畸变补偿的精度。另外，不需要追加光学板等新的部件，因此，可抑制零件数量的增加，并且可以抑制被测量光的损耗增加且维持波前检测精度。
发明效果
根据本发明一方面的自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统和存储自适应光学系统用程序的记录介质，可以抑制部件数量的增加和被测量光的损耗的增加，同时准确地确定波前传感器的会聚光斑与基于其位置要控制的空间光调制器的调制面上的区域的对应关系，能够高精度地补偿更大的波前畸变。
附图说明
图1是概略地表示一实施方式的自适应光学系统的结构的图。
图2是概略地表示一实施方式的波前传感器的结构的剖视图，表示沿着光学像的光轴的截面。
图3是从光学像的光轴方向观察波前传感器具备的透镜阵列的图。
图4是概略地表示作为一实施方式的空间光调制器的一例的LCOS型空间光调制器的剖视图，表示沿着光学像的光轴的截面。
图5是将空间光调制器和波前传感器的关系简化表示的图。
图6是空间光调制器的调制面的正视图。
图7是用于说明确定调制面上的区域与会聚光斑的对应关系的方法原理的概念图。
图8是概念上表示显示于调制面的相位图案的图。
图9是概念上表示由波前传感器的图像传感器检测的光强度分布数据(ShackHartmann、夏克-哈特曼)的图。
图10是表示一实施方式的自适应光学系统的动作和波前补偿方法的流程图。
图11是表示控制部中执行的波前测量处理的一例的流程图。
图12是表示控制部中执行的通常的波前测量处理的一例的流程图。
图13是表示作为空间上非线性的相位图案的例子的、相位的大小分布为不规则的随机分布的图。
图14是表示作为空间上非线性的相位图案的例子的、将会聚光斑扩径的散焦分布的图。
图15是表示作为空间上非线性的相位图案的例子的、使光学像中产生较大的球面像差的分布的图。
图16是表示作为空间上非线性的相位图案的例子的、使光学像中产生较大的高次像差的分布的图。
图17是表示作为至少在一个方向上具有线性的相位图案的例子的、在调制面的整个面中相位值大致均匀的相位分布的图。
图18是表示作为至少在一个方向上具有线性的相位图案的例子的、相位值在第一方向上倾斜，而在与第一方向交叉(例如，正交)的第二方向上相位值大致均匀的相位分布的图。
图19是表示作为至少在一个方向上具有线性的相位图案的例子的、第一方向上的相位分布具有柱面透镜效应而第二方向上相位值大致均匀的相位分布的图。
图20是表示作为至少在一个方向上具有线性的相位图案的例子的、第一方向上的相位分布构成衍射光栅而在第二方向上相位值大致均匀的相位分布的图。
图21是表示通过重叠得到的合成图案的例子的图。
图22是例示在对象区域周围的区域所包含的调制面的各区域中配置相互相同(共通)的相位分布的相位图案的图。
图23是例示在对象区域周围的区域所包含的调制面的各区域中配置分别不同的相位分布的相位图案的图。
图24是表示一次设定多个对象区域的例子的图。
图25是表示第一变形例的波前测量处理的流程图。
图26是表示第二变形例的波前测量处理的流程图。
图27是表示第二变形例中的多个对象区域的配置的例子的图。
图28是表示第二变形例中的多个对象区域的配置的例子的图。
图29是表示第三变形例的自适应光学系统的动作和波前畸变补偿方法的流程图。
图30是表示透镜阵列的变形例的图。
图31是用于说明具有某个波前的光学像入射至波前传感器时的、多个透镜与多个会聚光斑的对应关系的图。
符号说明
10…自适应光学系统、11…空间光调制器、11a…调制面、11b…区域、12…波前传感器、13…控制部、13a…存储区域、14…分束器、15，16…中继透镜、17…控制电路部、18…光检测元件、120…透镜阵列、122…图像传感器、124…透镜、B1…对象区域、L1…光学像、P…会聚光斑。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明一方面的自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统、自适应光学系统用程序和存储自适应光学系统用程序的记录介质的实施方式。此外，在附图的说明中，对相同要素标注相同的符号，并省略重复的说明。另外，在以下说明中，“相位分布”是指二维地分布的相位值，“相位图案”是指基于某个基准将相位分布(二维的相位值)进行代码化的图案，“相位轮廓”是指沿着相位分布中的某个方向(线)的相位值的分布。
(第一实施方式)图1是概略地表示本实施方式的自适应光学系统10的结构的图。自适应光学系统10可组装于例如眼科检查装置、激光加工装置、显微镜装置或补偿光学装置等。该自适应光学系统10具有：空间光调制器(Spatial Light Modulator；SLM)11、波前传感器12、控制部13、分束器14、中继透镜15和16以及控制电路部17。
空间光调制器11中，在显示相位图案的调制面11a接收光学像L1，调制光学像L1的波前形状进行输出。入射到空间光调制器11的光学像L1例如是从激光光源或超辐射发光二极管(SLD：Superluminescent diode)发出的光、或者从被照射了光的观察物产生的反射光、散射光、荧光等。波前传感器12将包含与从空间光调制器11到达的光学像L1的波前形状(典型的是，由于光学系统的像差出现的、表示波前的畸变即与基准波前的波前的偏移)相关的信息的数据S1提供给控制部13。控制部13基于从波前传感器12得到的数据S1，生成用于使得在空间光调制器11中显示适当的相位图案的控制信号S2。一例中，控制部13包括：从波前传感器12输入数据S1的输入部；根据数据S1计算出像差的像差计算部；计算出显示于空间光调制器11的相位图案的相位图案计算部及根据所计算出的相位图案生成控制信号S2的信号生成部。控制电路部17从控制部13接收控制信号S2，向空间光调制器11的多个电极提供基于该控制信号S2的电压V1。
分束器14配置在波前传感器12与空间光调制器11之间，将光学像L1分支。分束器14也可以是偏振方向非依赖型、偏振方向依赖型或波长依赖型(二向色镜)的分光器中的任意一种。通过分束器14被分支的一方光学像L1例如被送到CCD、光电增倍管、雪崩光电二极管等的光检测元件18。光检测元件18被组装到例如扫描型激光检眼镜(Scanning LaserOphthalmoscope；SLO)、光相干断层摄影装置(Optical Coherence Tomography；OCT)、眼底照相机、显微镜、望远镜等中。另外，由分束器14分支的另一光学像L1入射至波前传感器12。
中继透镜15和16在波前传感器12与空间光调制器11之间在光轴方向上排列配置。通过这些中继透镜15、16，波前传感器12与空间光调制器11相互保持为光学共轭关系。另外，在波前传感器12与空间光调制器11之间也可以配置有光学成像透镜和/或偏振镜(偏光ミラー)等。
图2是概略地表示本实施方式的波前传感器12的结构的剖视图，表示沿着光学像L1的光轴的截面。另外，图3是从光学像L1的光轴方向观察波前传感器12具备的透镜阵列120的图。
波前传感器12具有干涉型和非干涉型，但本实施方式中，作为波前传感器12，使用具有透镜阵列120和图像传感器(光检测元件)122的非干涉型的夏克哈特曼(ShackHartmann)型波前传感器。当使用这种非干涉型的波前传感器时，与使用干涉型的波前传感器的情况相比，具有耐震性优异，且能够简单地进行波前传感器的构成和测量数据的计算处理的优点。
如图3所示，透镜阵列120具有N个(N为自然数)透镜124。N个透镜124配置成例如Na行Nb列(Na、Nb为2以上的整数)的二维格子状。
另外，图2所示的图像传感器122在与构成透镜阵列120的N个透镜124的后焦点面重叠的位置具有受光面122a，检测包含由N个透镜124形成的K个(K为自然数，K≦N)会聚光斑P的光强度分布。一般而言，照射在透镜阵列120的光输入到透镜阵列120的一部分透镜124，因此，会聚光斑P由被照射了输入光的透镜124形成。因此，构成透镜阵列120的N个透镜124中，在输入光的照射范围内存在的透镜124的个数N’与会聚光斑P的个数K相等。当然，在对透镜阵列120整体照射输入光的情况下，个数N和个数N’相等，N＝K。在后述的控制部13中，基于该光强度分布，测量光学像L1的波前形状(相位梯度的分布)。即，透镜124产生的会聚光斑P的位置与基准位置的偏离的大小与入射到透镜124的光学像L1的局部的波前的倾斜度成比例。因此，可以对每个透镜124计算出会聚光斑P从基准位置的位置偏离的大小，且基于该会聚光斑P的位置偏离，测量光学像L1的波前形状。
此外，构成图像传感器122的受光面122a的各像素也配置成二维格子状，且其水平方向和垂直方向与透镜阵列120的水平方向和垂直方向分别一致。但是，图像传感器122的像素节距比透镜阵列120的节距充分小，使得能够以较高的精度检测出会聚像位置从基准位置的偏离的大小。
另外，作为用于计算会聚像位置的偏离大小的基准位置，可以设为多个透镜124各自的光轴与图像传感器122的受光面122a交叉的位置。该位置通过使用将平行平面波垂直入射到各透镜124而得到的会聚像，进行重心计算容易求得。
空间光调制器11是接受来自光源或观察对象物的光学像L1，调制该光学像L1的波前进行输出的元件。具体而言，空间光调制器11具有配置成二维格子状的多个像素(控制点)，根据从控制部13提供的控制信号S2，改变各像素的调制量(例如相位调制量)。空间光调制器11具有例如LCOS(Liquid Crystal On Silicon：硅上液晶)型空间光调制器、将液晶显示元件和光寻址式液晶空间光调制器结合而成的电寻址式空间光调制器、微小电机械元件(Micro Electro Mechanical Systems；MEMS)这样的调制器。此外，图1中表示出反射型的空间光调制器11，但空间光调制器11也可以是透射型。
图4是概略地表示作为本实施方式的空间光调制器11的一例的LCOS型空间光调制器的剖视图，表示沿着光学像L1的光轴的截面。该空间光调制器11包括：透明基板111、硅基板112、多个像素电极113、液晶部(调制部)114、透明电极115、配向膜116a和116b、电介质反射镜117以及隔片118。
透明基板111由使光学像L1透射的材料构成，沿着硅基板112的主面配置。多个像素电极113在硅基板112的主面上排列成二维格子状，构成空间光调制器11的各像素。透明电极115配置在与多个像素电极113相对的透明基板111的面上。液晶部114配置在多个像素电极113和透明电极115之间。配向膜116a配置在液晶部114与透明电极115之间，配向膜116b配置在液晶部114与多个像素电极113之间。电介质反射镜117配置在配向膜116b与多个像素电极113之间。电介质反射镜117将从透明基板111入射并透射了液晶部114的光学像L1反射，再从透明基板111射出。
另外，空间光调制器11还具有对施加在多个像素电极113与透明电极115之间的电压进行控制的像素电极电路(有源矩阵驱动电路)119。从像素电极电路119向任意的像素电极113施加电压时，根据在该像素电极113与透明电极115之间产生的电场的大小，该像素电极113上的液晶部114的折射率发生变化。因此，透射液晶部114的该部分的光学像L1的光路长度发生变化，进而光学像L1的相位发生变化。而且，通过向多个像素电极113施加各种大小的电压，能够电写入相位调制量的空间分布，根据需要能够实现各种波前形状。
再次参照图1。在该自适应光学系统10A中，首先，来自未图示的光源或观察对象物的光学像L1作为大致平行的光入射到空间光调制器11。然后，通过空间光调制器11调制了的光学像L1经过中继透镜15和16入射到分束器14，被分支成2个光学像。分支后的一方的光学像L1入射到波前传感器12。并且，在波前传感器12中，生成包含光学像L1的波前形状(例如相位分布)的数据S1，数据S1被提供给控制部13。控制部13基于来自波前传感器12的数据S1，根据需要计算出光学像L1的波前形状(相位分布)，将包含用于适当地补偿光学像L1的波前畸变的相位图案的控制信号S2输出到空间光调制器11。然后，通过空间光调制器11补偿了的没有畸变的光学像L1通过分束器14被分支，经由未图示的光学系统，入射到光检测元件18，进行摄像。
在此，图5是将空间光调制器11与波前传感器12的关系简化表示的图。在具有上述结构的自适应光学系统10中，为了在波前传感器12中准确地检测光学像L1的波前形状，需要准确地确定由N个透镜124分别形成的K个会聚光斑P、与基于K个会聚光斑P的位置偏离信息分别要控制的空间光调制器11的调制面11a上的N个区域11b的对应关系。
此外，图6是空间光调制器11的调制面11a的正面图。如图6所示，在调制面11a上假定的N个区域11b与N个透镜124同样地排列成二维状(例如Na行Nb列)，分别与N个透镜124一对一对应。另外，各区域11b中包括多个像素。此外，各区域11b的一边长度d作为d＝G×mlaPitch/slmPitch(其中，G为空间光调制器11与波前传感器12之间的光学成像倍率，mlaPitch为透镜阵列120的节距，slmPitch为空间光调制器11的像素节距)计算出。
以下，对本实施方式的自适应光学系统10和波前畸变补偿方法中确定K个会聚光斑P与调制面11a上的N个区域11b的对应关系的方法进行详细地说明。此外，该确定方法在例如控制部13中组合波前畸变补偿动作。
图7是用于说明本实施方式中的确定方法的原理的概念图。图7中不仅表示出空间光调制器11的调制面11a和波前传感器12(透镜阵列120和图像传感器122)，还表示出向中继透镜15和16、调制面11a入射的光学像的波前W1、从调制面11a射出的光学像的波前W2、入射到波前传感器12的光学像的波前W3。从空间光调制器11射出对入射波前W1添加了与其相位图案相应的波前的波前W2。向波前传感器12入射经过了包含中继透镜15和16的共轭光学系统的波前W3。另外，图7中表示出从调制面11a上的某个区域11b射出，到达与该区域11b对应的波前传感器12的透镜124的光学像L1。
在此，在调制面11a上的某个区域11b(以下，称为对象区域)中，显示至少在一个方向上具有线性的相位图案。这样的相位图案通过包含例如大致均匀的相位分布、至少在一个方向上倾斜的相位分布等实现。或者，这样的相位图案通过包含具有柱面透镜效应的相位分布即第一方向上的相位分布具有2次函数、且与该第一方向交叉(例如，正交)的第二方向上为大致均匀的相位分布，或者第一方向上构成衍射光栅、且与该第一方向交叉(例如，正交)的第二方向上为大致均匀的相位分布而实现。
另外，与此同时，在调制面11a上的包围对象区域的多个区域11b中，显示空间上非线性的相位图案(例如，相位的大小分布为不规则的随机分布或将会聚光斑进行扩径的散焦分布等)。于是，射出波前W2中与该多个区域11b对应的部分的波前紊乱(图7的部分A1)。而且，该波前的紊乱也产生于向波前传感器12的入射波前W3中入射到与该多个区域11b对应的透镜124的部分(图7的部分A2)。由此，由该透镜124形成的会聚光斑P扩散，而不形成会聚光斑P，或其光强度变得微弱。
另一方面，波前W2、W3中的与对象区域对应的部分(图7的部分A3、A4)中，通过至少在一个方向上具有线性的相位图案，在该至少一个方向上波前没有紊乱地入射到透镜124。因此，通过该透镜124清晰地形成会聚光斑P。
图8是概念上表示显示于调制面11a的相位图案的图。图8中，区域B1是显示至少在一个方向上具有线性的相位图案的区域(即对象区域)，区域B2是显示空间上非线性的相位图案的区域。这样，本实施方式中，在N个区域11b中的某一个对象区域B1中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案。
图9是概念上表示由波前传感器12的图像传感器122检测的光强度分布数据(夏克哈特曼克、Shack Hartmann)的图。图9(a)表示在对象区域B1中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案，在其它区域B2中显示空间上非线性的相位图案的情况下的光强度分布数据D1。图9(b)表示为了进行比较的、在全部区域中显示具有线性的相位图案的情况下的光强度分布数据D2。
如图9(b)所示，在全部区域中显示具有线性的相位图案的情况下，与N个区域11b对应的K个会聚光斑P包含于光强度分布数据。与之相对，如图9(a)所示，在对象区域B1中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案，在其它区域B2中显示空间上非线性的相位图案的情况下，与对象区域B1对应的一个会聚光斑P包含于光强度分布数据，但与其它区域B2对应的会聚光斑没有形成，或者即使形成其最大强度也减少。因此，基于图9(a)所示的光强度分布数据D1，可以容易地确定与对象区域B1对应的会聚光斑P。
参照图10说明以上说明的、包含确定调制面11a的各区域11b与会聚光斑P的对应关系的方法的、自适应光学系统10的动作及波前畸变补偿方法。图10是表示本实施方式的自适应光学系统10的动作及波前补偿方法的流程图。此外，该补偿方法作为自适应光学系统用程序存储于图1所示的控制部13的存储区域13a的内部，控制部13读取并执行该程序。此外，控制部13可以以具有CPU、作为主存储装置的RAM和ROM、用于进行通信的通信模块以及硬盘等辅助存储装置等的硬件资源的计算机为主体而构成。自适应光学系统用程序存储于被插入于该计算机并被该计算机访问的记录介质中、或者该计算机具有的记录介质中。作为这种记录介质，例如相当于磁盘、光盘、CD－ROM、USB存储器、内置于计算机的存储器(存储区域13a)等。
自适应光学系统10中，首先，进行控制部13的初始处理(步骤S11)。在该初始处理步骤S11中，进行例如计算处理所需要的存储区域的确保和参数的初始设定等。
接着，控制部13进行波前测量(像差测量)(步骤S12)。该波前测量步骤S12中，通过使用在通常的波前测量方法中，组合了上述的确定K个会聚光斑P与调制面11a上的N个区域11b的对应关系的方法的方法，进行将动态范围扩大了的波前测量。
图11是表示控制部13中执行的波前测量处理的一例的流程图。如图11所示，控制部13首先将表示反复次数的变量n设定成1(步骤S21)。接着，控制部13使在调制面11a上的某个对象区域B1(n)中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案。同时，控制部13使在调制面11a上的其它区域B2中显示空间上非线性的相位图案(步骤S22)。然后，在该状态下，控制部13取得通过波前传感器12的图像传感器122作成的光强度分布数据(步骤S23，本实施方式中的光强度分布取得步骤)。如图9(a)所示，该光强度分布数据中包含由与对象区域B1(n)对应的一个透镜124所形成的一个会聚光斑P。
接着，控制部13通过计算光强度分布数据中所包含的会聚光斑P(n)的重心，来确定会聚光斑P(n)的位置坐标(步骤S24)。计算该重心时，可以一并进行比规定的阈值小的数据值的排除、噪声降低处理等。接着，计算会聚光斑P(n)的评价值(步骤S25)。评价值是指，例如会聚光斑P(n)的光强度或扩展情况(光斑直径)等的、表示会聚光斑P(n)的可靠性的数值。在以后的步骤中，仅将与该评价值满足规定条件的会聚光斑P(n)相关的信息用于计算。
接着，控制部13判断表示反复次数的变量n是否到达最大值Nmax(步骤S26)。最大值Nmax设定成例如调制面11a中所包含的区域11b的个数(＝N)。在变量n未到达最大值Nmax的情况下(步骤S26；否)，对变量n加上1之后(步骤S27)，即在不同的其它区域11b中，再次反复进行步骤S22～S26。另外，在变量n到达最大值Nmax的情况下(步骤S26；是)，进行以下的步骤S28和S29。
步骤S28中，按每个会聚光斑P计算各会聚光斑P的位置坐标与基准位置的距离(位置偏离量)。然后，在步骤S29中，通过将在步骤S28中所算出的各会聚光斑P的位置偏离量应用于波前方程式，计算出波前畸变(像差)(波前畸变计算步骤)。
此外，在上述波前测量处理中，步骤S25或步骤S24和S25双方也可以在步骤S26中在n达到Nmax后进行。或者，步骤S28也可以在步骤S25和步骤S26之间进行。
再次参照图10。接着，控制部13进行在空间光调制器11的调制面11a应显示的波前畸变补偿用的相位图案(控制图案)的计算，更新控制信号S2(步骤S13，显示步骤)。在该步骤S13中，计算用于对例如在之前的波前测量步骤S12中所算出的波前畸变(像差)进行修正(例如接近于零)的相位图案。然后，与所算出的相位图案相应的控制信号S2从控制部13被输出至控制电路部17。控制电路部17将与该控制信号S2对应的控制电压V1供给到空间光调制器11。由此，用于修正波前畸变的相位图案显示于调制面11a。
接着，控制部13再次进行波前测量(像差测量)(步骤S14)。但是，该波前测量步骤S14中，与上述波前测量步骤S12不同，使用通常的波前测量方法进行波前测量。图12是表示控制部13中执行的通常的波前测量处理的一例的流程图。如图12所示，控制部13首先取得利用波前传感器12的图像传感器122作成的光强度分布数据(步骤S31)。如图9(b)所示，该光强度分布数据中包含由N个透镜124形成的K个会聚光斑P。接着，控制部13通过计算光强度分布数据中所包含的K个会聚光斑P各自的重心，来确定K个会聚光斑P各自的位置坐标(步骤S32)。与上述步骤S24同样，在计算该重心时，也可以一并进行比规定的阈值小的数据值的排除、噪声降低处理等。接着，计算K个会聚光斑P的评价值(步骤S33)。接着，按每个会聚光斑P计算各会聚光斑P的位置坐标与基准位置的距离(位置偏离量)(步骤S34)。然后，通过将在步骤S34中所算出的各会聚光斑P的位置偏离量应用于波前方程式中，计算波前畸变(像差)(步骤S35)。
再次参照图10。控制部13从外部接收是否结束波前补偿动作的指令信号(步骤S16)。该指令信号例如由操作包含自适应光学系统10的装置的人输入。然后，在有结束指令的情况下(步骤S16；是)，经由结束处理步骤S17结束。另外，在没有结束指令的情况下(步骤S16；否)，反复执行上述的步骤S14～S16。此外，结束处理步骤S17中，进行例如控制部13的存储区域的开放等。
对通过以上所说明的本实施方式的自适应光学系统10、对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统用程序和存储自适应光学系统用程序的记录介质得到的效果进行说明。
本实施方式中，光强度分布取得步骤S23中，使在空间光调制器11的对象区域B1中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案，并且使在包围该对象区域B1的多个区域(区域B2)中显示空间上非线性的相位图案的状态下，利用波前传感器12的图像传感器122取得光强度分布。该光强度分布取得步骤S23中，与对象区域B1对应的会聚光斑P形成于图像传感器122上。另外，在区域B2中，光由于非线性的相位图案而扩散，因此，没有形成与区域B2对应的会聚光斑P，或者其光强度变得微弱。因此，如图9(a)所示，在与对象区域B1对应的会聚光斑P的周围，不存在会聚光斑P，或者会聚光斑P的清晰度比和与对象区域B1对应的会聚光斑P的清晰度相比非常地劣化。因此，可以容易地确定与对象区域B1对应的会聚光斑P。
像这样，根据本实施方式的自适应光学系统10、其对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统用程序和存储自适应光学系统用程序的记录介质，能够准确地确定波前传感器12的会聚光斑P、与基于根据该会聚光斑P的位置计算出的像差要控制的空间光调制器11的调制面11a上的区域11b的对应关系，并且进行波前补偿动作。因此，能够高精度地补偿更大的波前畸变。另外，不需要如专利文献1所记载的结构那样追加光学板等另外的零件，因此，能够抑制零件数量的增加，并且能够抑制被测量光的损耗增加，维持波前检测精度。
另外，如本实施方式所述，也可以将空间光调制器11的N个区域一个一个地按顺序设定成对象区域B1，并且反复进行N次的光强度分布取得步骤S23，由此，取得与N个区域分别对应的N个光强度分布。由此，能够在空间光调制器11的全部区域11b中，高精度地补偿更大的波前畸变。
在此，表示在步骤S22中显示于调制面11a的区域B2的“空间上非线性的相位图案”的例子。图13～图16是表示这样的相位图案的例子的图，相位的大小通过明暗表示，最暗的部分的相位为0(rad)，最亮的部分的相位为2π(rad)。
图13表示相位的大小分布为不规则的随机分布。当将这样的相位图案显示于区域B2时，该部分的光学像L1扩散，不能形成清晰的会聚光斑P，或者最大的光强度减弱。另外，图14表示将会聚光斑P进行扩径的散焦分布。当将这样的相位图案显示于区域B2时，该部分的光学像L1不被聚光，反而被扩大，因此不能形成清晰的会聚光斑P，或者最大的光强度减弱。另外，图15表示使光学像L1中产生较大的球面像差的分布。也可以使用产生较大的像散或彗形像差的相位图案来代替产生球面像差的相位图案。图16表示使光学像L1中产生包含比球面像差·像散·彗形像差大的次数的高次像差的像差的分布。在使图15或图16所示的相位图案显示于区域B2的情况下，也没有形成清晰的会聚光斑P。空间上非线性的相位图案也可以包含这些分布中的至少一种分布，或者也可以包含使这些分布中的至少一种分布与线性的相位图案重叠(叠加)了的合成图案，或者也可以包含使这些分布中的至少一种分布与用于补偿进行波前测量所得的波前畸变的相位图案重叠的合成图案。
另外，步骤S22中显示于调制面11a的对象区域B1的“至少在一个方向上具有线性的相位图案”的例子如下。图17～图20是表示这种相位图案的例子的图，与图13～图16同样，相位的大小通过明暗表示。
图17表示在调制面11a的整个面中相位值大致均匀的相位分布。另外，图18表示在第一方向(图中的箭头E1)上相位值倾斜，在与第一方向交叉(例如，正交)的第二方向(图中的箭头E2)上相位值大致均匀的相位分布。当将图17或图18所示那样的相位图案显示于对象区域B1时，该部分的光学像L1的波前变得平坦，因此，通过透镜124形成清晰的会聚光斑P。另外，图19表示第一方向E1上的相位分布具有柱面透镜效应(Cylindrical lenseffect)，在第二方向E2上相位值大致均匀的相位分布。另外，图20表示在第一方向E1上的相位分布构成衍射光栅，在第二方向E2上相位值大致均匀的相位分布。在图19或图20所示的相位图案显示于对象区域B1的情况下，光在第一方向E1上扩散，但在第二方向E2上聚光，因此，会聚光斑P的相应方向的形状被维持。至少在一个方向上具有线性的相位图案可以包括这些分布中的至少一种分布。或者也可以包括将这些分布相互重叠的合成轮廓(profile)。图21是表示通过这样的重叠得到的合成轮廓的例子的图。图21(a)所示的相位图案是图19所示的图案，图21(b)所示的相位图案是使图18所示的相位图案旋转90°后的图案。并且，图21(c)所示的相位图案是将这些图案重叠后的合成轮廓。图21(c)所示的合成轮廓中，光在第一方向E1上扩散，但在第二方向E2上聚光，因此，相应方向的形状被维持。
另外，在对象区域B1周围的区域B2中显示的非线性的相位图案也可以在调制面11a的各区域11b显示相互相同(共通)的相位分布，另外，也可以在各区域11b分别显示不同的相位分布。图22中例示了在区域B2内的各区域11b中配置了相互相同(共通)的相位分布(例如散焦分布)的相位图案。另外，图23中例示了在区域B2内的各区域11b中配置了分别不同的相位分布(例如随机分布)的相位图案。
(第一变形例)上述第一实施方式中，如图8所示，在调制面11a上仅设定了一个对象区域B1，但对象区域B1也可以一次设定有多个。图24是表示将对象区域B1一次设定多个的例子的图。此外，在图24中，以空白表示对象区域B1，对其周围的区域B2标注平行斜线而与对象区域B1区别。如图24所示，在本变形例中，将相互不相邻的多个区域11b设定为对象区域B1，显示至少在一个方向上具有线性的相位图案。另外，在其它区域B2中显示空间上非线性的相位图案。此外，在图24所示的例子中，在相互相邻的对象区域B1之间存在的区域B2的大小为一个区域11b的大小，因此，在波前传感器12的图像传感器122上，会聚光斑P的能够检测的范围扩大至透镜124的直径的2倍。
图25是表示本变形例的波前测量处理(对应于图10所示的步骤S12)的流程图。在本变形例中，控制部13首先使在调制面11a上的多个对象区域B1(参照图24)中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案。同时，控制部13使在调制面11a上的其它区域B2中显示空间上非线性的相位图案(步骤S41)。然后，在该状态下，控制部13取得利用波前传感器12的图像传感器122作成的光强度分布数据(步骤S42，本变形例中的光强度分布取得步骤)。该光强度分布数据中包含由与多个对象区域B1对应的多个透镜124形成的多个会聚光斑P。
接着，控制部13通过计算光强度分布数据中所包含的多个会聚光斑P的重心，来确定多个会聚光斑P的位置坐标(步骤S43)。与上述的第一实施方式同样，在计算该重心时，可以一并进行比规定的阈值小的数据值的排除和噪声降低处理等。接着，计算出多个会聚光斑P的评价值(步骤S44)。然后，按每个会聚光斑P计算出各会聚光斑P的位置坐标与基准位置的距离(位置偏离量)(步骤S45)。然后，通过将在步骤S45中所算出的各会聚光斑P的位置偏离量应用于波前方程式中，计算出波前畸变(像差)(步骤S46)。
此外，该步骤S46中，仅基于与多个对象区域B1对应的多个会聚光斑P的位置坐标计算出波前畸变，不使用与区域B2对应的会聚光斑。因此，计算波前畸变时的精度比上述第一实施方式低，但在实用上没有问题的情况下，处理时间比上述第一实施方式显著地缩短。在实用上没有问题的情况是指，(1)图10所示的后段的波前测量步骤S14中能够得到充分的测量精度的情况，(2)作为测量对象的波前的低次像差成分较大的情况等。关于(2)，在将例如自适应光学系统应用于眼底成像装置的情况下，由角膜、晶状体或泪液等产生的眼球的像差大多包含2次或3次这样的低次像差。因此，如果将对象区域B1的个数设定得比例如10个更多，则可以以充分的精度测量像差。
根据具有以上结构的本变形例，可以实现与上述第一实施方式相同的效果。另外，本变形例中，可以一次确定空间光调制器11的多个对象区域B1与多个会聚光斑P的对应关系来进行补偿动作，因此，可以缩短处理时间。
(第二变形例)上述第一变形例中，一次设定多个对象区域B1，基于所得到的一个光强度分布数据进行波前补偿，但也可以在变更多个对象区域B1的同时取得两个以上的光强度分布数据，并基于该两个以上的光强度分布数据进行波前补偿。
图26是表示本变形例的波前测量处理(对应于图10所示的步骤S12)的流程图。本变形例中，控制部13首先将表示反复次数的变量m设定为1(步骤S51)。接着，控制部13使在调制面11a上的多个对象区域B1(m)中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案。同时，控制部13使在调制面11a上的其它区域B2中显示空间上非线性的相位图案(步骤S52)。在此，图27和图28是表示在步骤S52中设定的多个对象区域B1(m)的配置的例子的图。此外，这些图表示变量m的最大值M(M为2以上的整数)为4时的、变量m＝1，2，3，4的各个的配置。另外，这些图中，也以空白表示对象区域B1，对其周围的区域B2标注平行斜线与对象区域B1区别。
图27(a)和图27(b)以及图28(a)和图28(b)所示的4个形式中，设定多个对象区域B1的点相同，但设定为对象区域B1的区域11b的位置相互不同。具体而言，当将由2行2列的区域11b构成的区域设为一个单位区域时，图27(a)中，在该单位区域内，将第一行第一列的区域11b设定为对象区域B1(1)，在图27(b)中，将第一行第二列的区域11b设定为对象区域B1(2)，在图28(a)中，将第二行第一列的区域11b设定为对象区域B1(3)，在图28(b)中，将第二行第二列的区域11b设定为对象区域B1(4)。此外，在图27和图28所示的例子中，也与图24同样，将相互不相邻的多个区域11b设定为对象区域B1。另外，在相互相邻的对象区域B1之间存在的区域B2的大小为一个区域11b的大小，因此，在波前传感器12的图像传感器122上，会聚光斑P的能够检测的范围扩大至透镜124的直径的2倍。
再次参照图26。在显示上述的相位图案的状态下，控制部13取得通过波前传感器12的图像传感器122作成的光强度分布数据(步骤S53，在本变形例中的光强度分布取得步骤)。该光强度分布数据中包含由与对象区域B1(m)对应的多个透镜124形成的多个会聚光斑P(m)。
接着，控制部13通过计算光强度分布数据中所包含的多个会聚光斑P(m)的重心，来确定多个会聚光斑P(m)的位置坐标(步骤S54)。与上述实施方式同样，在计算该重心时，也可以一并进行比规定的阈值小的数据值的排除和噪声降低处理等。接着，计算会聚光斑P(m)的评价值(步骤S55)。
接着，控制部13判断表示反复次数的变量m是否到达最大值M(步骤S56)。最大值M设定成例如调制面11a中所包含的区域11b的个数(＝N)除以多个对象区域B1的个数所得的值。在变量m未达到最大值M的情况下(步骤S56；否)，对变量m加上1之后(步骤S57)，再次反复进行步骤S52～S56。另外，在变量m达到最大值M的情况下(步骤S56；是)，进行以下的步骤S58和S59。
在步骤S58中，按每个会聚光斑P计算出各会聚光斑P的位置坐标与基准位置的距离(位置偏离量)。然后，在步骤S59中，通过将在步骤S58中所算出的各会聚光斑P的位置偏离量应用于波前方程式，计算波前畸变(像差)。
此外，在上述波前测量处理中，步骤S55或者步骤S54和S55双方也可以在步骤S56中在m达到M后进行。或者步骤S58也可以在步骤S55和步骤S56之间进行。
根据本变形例，可以实现与上述实施方式相同的效果。另外，本变形例中，与第一变形例不同，在将空间光调制器11的N个区域11b按照每多个依次设定为对象区域B1的同时，反复进行M次光强度分布取得步骤S53，由此，取得M个光强度分布数据。因此，与第一变形例相比，可以提高计算波前畸变时的精度。另外，光强度分布取得步骤的反复次数比上述第一实施方式少，因此，与第一实施方式相比，可以缩短处理时间。
(第三变形例)图29是表示本变形例的自适应光学系统10的动作和波前畸变补偿方法的流程图。上述的第一实施方式中，如图10所示，在最初仅进行一次扩大动态范围的波前测量步骤S12。与此不同，在本变形例中，是根据需要进行波前测量步骤S12。
本变形例中，如图29所示，将控制部13的初始处理步骤S11、波前测量步骤S12、要显示于调制面11a的波前畸变补偿用的相位图案的计算和控制信号的更新(步骤S13)按照该顺序进行。此外，这些步骤的内容与第一实施方式相同。
接着，控制部13进行通常的波前测量(步骤S14)。然后，控制部13判定在波前测量步骤S14中所测量的残留像差是否比规定值大(步骤S18)。在残留像差较大的情况下(步骤S18；是)，控制部13再次进行扩大了动态范围的波前测量步骤S12和步骤S13。另外，在残留像差较小的情况下(步骤S18；否)，控制部13基于在通常的波前测量步骤S14中所测量的波前形状，计算要在调制面11a显示的波前畸变补偿用的相位图案，更新控制信号(步骤S15)。此外，步骤S14和S15的内容与第一实施方式相同。
然后，控制部13从外部接收是否结束波前补偿动作的指令信号(步骤S16)。然后，在有结束指令的情况下(步骤S16；是)，经由结束处理步骤S17结束。另外，在没有结束指令的情况下(步骤S16；否)，反复进行上述步骤S14以后的动作(包含从步骤S18返回步骤S12的情况)。
根据本变形例，可以实现与上述实施方式相同的效果。另外，在本变形例中，在残留像差较大的情况下，进行波前测量步骤S12，因此，可以自动地扩大动态范围，能够使自适应光学系统10的操作更简单化。
本发明一方面的自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统、自适应光学系统用程序及存储自适应光学系统用程序的记录介质不限于上述的实施方式，可以进行其它各种变形。例如，在上述的实施方式和各变形例中，作为波前传感器12的透镜阵列120，如图3所示，例示了将多个透镜124排列成二维格子状(格子状)的方式，但波前传感器12的透镜阵列不限于这种方式。例如，也可以如图30所示，透镜阵列120具有将正六边形的多个透镜128无间隙地排列的蜂窝结构。另外，作为空间光调制器，也可以使用将正六边形的多个像素无间隙地排列那样的方式。另外，上述的实施方式以使用了液晶的空间光调制器为例子进行了说明，但也可以利用液晶以外的使用了具有电光效应的材料的空间光调制器、像素由微小的反射镜形成的空间光调制器、或利用执行器使膜反射镜变形的可变形反射镜等。
产业上的可利用性
根据本发明一方面的自适应光学系统的对应关系确定方法、波前畸变补偿方法、自适应光学系统、自适应光学系统用程序及存储自适应光学系统用程序的记录介质，能够抑制零件数量的增加和被测量光的损耗增加，同时精确地确定波前传感器的会聚光斑与基于其位置要控制的空间光调制器的调制面上的区域的对应关系，高精度地补偿更大的波前畸变。

Claims (13)

1.一种自适应光学系统的对应关系确定方法，所述自适应光学系统包括：
空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个区域的调制面的光学像的相位进行空间调制，其中，N为自然数；和
从所述空间光调制器接收调制后的所述光学像的波前传感器，其具有与所述N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个会聚光斑的光强度分布的光检测元件，其中，K为自然数，K≦N，
所述方法是在所述自适应光学系统中，确定所述空间光调制器的所述区域与形成于所述波前传感器的所述会聚光斑的对应关系的方法，在所述方法中：
将所述空间光调制器的所述N个区域中的至少1个所述区域设定为对象区域，在使所述对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围所述对象区域的多个所述区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，利用所述光检测元件取得所述光强度分布。
2.根据权利要求1所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
将所述空间光调制器的所述N个区域逐一设定为所述对象区域，并且取得所述光强度分布。
3.根据权利要求1所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
将所述空间光调制器的所述N个区域中相互不相邻的多个所述区域设定为所述对象区域，取得所述光强度分布。
4.根据权利要求3所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
变更要设定成所述对象区域的多个所述区域，并取得所述光强度分布。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
所述空间上非线性的相位图案包含相位的大小分布不规则的随机分布。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
所述空间上非线性的相位图案包含将所述会聚光斑扩径的散焦分布。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
所述至少在一个方向上具有线性的相位图案包含均匀的相位分布。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
所述至少在一个方向上具有线性的相位图案包含至少在一个方向上倾斜的相位分布。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
所述至少在一个方向上具有线性的相位图案包含在第一方向上具有柱面透镜效应、而在与该第一方向交叉的第二方向上为均匀的相位分布。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的自适应光学系统的对应关系确定方法，其中：
所述至少在一个方向上具有线性的相位图案包含在第一方向上构成衍射光栅、而在与该第一方向交叉的第二方向上为均匀的相位分布。
11.一种波前畸变补偿方法，其在自适应光学系统中，基于根据光强度分布得到的光学像的波前形状控制显示于空间光调制器的相位图案，由此来补偿波前畸变，
所述自适应光学系统包括：
所述空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个区域的调制面的光学像的相位进行空间调制，其中，N为自然数；和
从所述空间光调制器接收调制后的所述光学像的波前传感器，其具有与所述N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个会聚光斑的光强度分布的光检测元件，其中，K为自然数，K≦N，
所述波前畸变补偿方法的特征在于：
将所述空间光调制器的所述N个区域中的至少1个区域设定为对象区域，在使所述对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围所述对象区域的多个所述区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，利用所述光检测元件取得所述光强度分布，
基于所述光强度分布计算波前畸变，
使用于修正所述波前畸变的相位图案显示于所述调制面中。
12.一种自适应光学系统，包括：
空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个区域的调制面的光学像的相位进行空间调制，其中，N为自然数；
从所述空间光调制器接收调制后的所述光学像的波前传感器，其具有与所述N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个会聚光斑的光强度分布的光检测元件，其中，K为自然数，K≦N；和
控制部，其基于根据所述光强度分布得到的所述光学像的波前形状控制显示于所述空间光调制器的相位图案，由此来补偿波前畸变，
所述控制部将所述空间光调制器的所述N个区域中的至少1个所述区域设定为对象区域，在使所述对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围所述对象区域的多个所述区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，取得所述光强度分布，基于所述光强度分布计算波前畸变，使用于修正所述波前畸变的相位图案显示于所述调制面中。
13.一种存储自适应光学系统用程序的记录介质，所述程序用于在自适应光学系统中控制控制部的动作，所述自适应光学系统包括：
空间光调制器，其对入射到包含排列成二维状的N个区域的调制面的光学像的相位进行空间调制，其中，N为自然数；
从所述空间光调制器接收调制后的所述光学像的波前传感器，其具有与所述N个区域分别对应的N个透镜排列成二维状的透镜阵列和检测包含由该透镜阵列所形成的K个会聚光斑的光强度分布的光检测元件，其中，K为自然数，K≦N；和
控制部，其基于根据所述光强度分布得到的所述光学像的波前形状控制显示于所述空间光调制器的相位图案，由此来补偿波前畸变，
所述自适应光学系统用程序使控制部执行以下步骤：
光强度分布取得步骤，将所述空间光调制器的所述N个区域中的至少1个所述区域设定为对象区域，在使所述对象区域中显示至少在一个方向上具有线性的相位图案、使包围所述对象区域的多个所述区域中显示空间上非线性的相位图案的状态下，取得所述光强度分布；
基于所述光强度分布计算波前畸变的波前畸变计算步骤；和
使用于修正所述波前畸变的相位图案显示于所述调制面中的显示步骤。
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