JP6298050B2 - 補償光学システムの対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム、および補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体 - Google Patents

Description

本発明の一側面は、補償光学システムの対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム、および補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体に関するものである。

特許文献１には、光波の波面を計測する波面センサに関する技術が記載されている。この波面センサでは、複数のレンズを通る光のそれぞれに特徴（例えば、光強度）を付加し、これらの光を受けたＣＣＤ等の受光素子から画像データを得る。そして、この画像データから計測スポット位置を演算するとともに、集光スポットの特徴を検出し、その特徴を有する集光スポットに対応する基準スポット位置と計測スポット位置とを対応付けし、対応付けされた基準スポット位置と計測スポット位置とから波面を演算する。

特開平９−１５０５７号公報

補償光学技術は、波面センサを用いて光学的な収差（波面歪み）を計測し、その結果を基に波面変調素子（空間光変調器）を制御することで動的に収差を除去する技術である。この補償光学技術によって、結像特性や集光度、画像のＳＮ比、計測精度を向上させることができる。従来、補償光学技術は、主として天体望遠鏡や大型レーザ装置に使われていた。近年になって、補償光学技術は、眼底カメラ、走査型レーザ検眼鏡、光干渉断層装置、レーザ顕微鏡などにも応用されつつある。このような補償光学技術を用いたイメージングは、従来にない高い分解能での観察を可能にする。例えば、眼の奥（眼底）を観察する眼底イメージング装置に補償光学技術を適用することによって、眼球による収差が除去され、例えば視細胞、神経繊維、毛細血管といった眼底の微細構造を鮮明に描出することができる。眼疾患だけでなく、循環器系疾病の早期診断にも応用することができる。

上記のような補償光学技術を実現するための補償光学システムは、空間光変調器、波面センサ、及びこれらを制御する制御装置によって主に構成される。そして、波面センサとして、例えば二次元状に配列された複数のレンズを備え、各レンズによって形成される集光スポットの基準位置からの位置ずれに基づいて、波面を計測する方式のもの（いわゆるシャックハルトマン型波面センサ）が用いられる。

このような補償光学システムでは、波面センサの複数のレンズと、検出された複数の集光スポットとの対応関係を正確に知ることが重要である。図３１は、或る波面Ｗを有する光像が波面センサに入射したときの、複数のレンズ１０１と複数の集光スポットＰとの対応関係について説明するための図である。図３１（ａ）に示されるように、波面Ｗの収差が小さい場合、各集光スポットＰの位置ずれ量が小さいため、複数のレンズ１０１と対向する検出面１０３上の複数の領域１０４の内部に、対応するレンズ１０１により形成された集光スポットＰが位置することとなる。この場合、波面Ｗの収差がゼロであるときに形成されるべき集光スポットの位置、すなわち基準位置と、該基準位置と同じ領域１０４内に形成された集光スポットＰの位置との距離（位置ずれ量）に基づいて、当該領域における収差が算出される。

しかしながら、図３１（ｂ）に示されるように、波面Ｗの収差が大きい場合、次の問題が生じる。すなわち、このような場合には集光スポットＰの位置ずれ量が大きくなるので、該集光スポットＰを形成しているレンズ１０１に対向する領域１０４の外に、該集光スポットＰが位置する場合がある。したがって、或る領域１０４には集光スポットＰが存在せず、また別の領域１０４には複数の集光スポットＰが存在するといった状況が生じてしまう。また、図３１（ｃ）に示されるように、波面Ｗが大きく傾斜している場合には、各レンズ１０１により形成される集光スポットＰが、各レンズ１０１に対向する領域１０４に隣接する領域１０４内に位置する場合がある。

図３１（ｂ）や図３１（ｃ）に例示されたような状況下では、集光スポットＰとレンズ１０１との対応関係が不明確となるので、その集光スポットＰの位置に基づいて制御されるべき空間光変調器の変調面上の領域を特定することが困難となる。したがって、波面歪み補償の精度が低下するか、或いは、補償可能な波面歪みの大きさが制限されてしまう。例えば眼底イメージング装置に補償光学システムを適用する場合には、眼球による収差が測定対象者毎に大きく異なる場合があり、また、眼球の位置や、近視若しくは遠視を補正するための光学系の位置によっては、収差が大きくなる場合がある。それらの場合には、上記の問題が顕在化することとなる。

なお、特許文献１に記載された方式では、次の問題がある。特許文献１には、波面センサの複数のレンズを通る光のそれぞれに特徴を付加する方式として、各レンズに対応する領域毎に厚さが異なる光学板をレンズの前方に配置する方式、各レンズに対応する領域毎に透過率が異なる光学板をレンズの前方に配置する方式、及び液晶シャッタをレンズの前方に配置する方式が示されている。しかし、これらの方式では、被計測光の光路上に光学板等を新たに配置することとなり、部品点数が増加してしまう。また、光学板等を通過する際に被計測光に損失が生じるため、波面検出精度が低下するおそれがある。また、仮に、光学板等を必要に応じて挿抜し得る機構を設けたとしても、レンズとの相対位置を調整することは難しく、装置も大型化してしまう。

本発明の一側面は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、被計測光の損失の増加を抑制しつつ、簡易な構成でもって、波面センサの集光スポットと、その位置に基づいて制御されるべき空間光変調器の変調面上の領域との対応関係を正確に特定して、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能な補償光学システムの対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム、および補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一側面に係る補償光学システムの対応関係特定方法は、二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）の集光スポットを含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、空間光変調器から変調後の光像を受ける波面センサとを備える補償光学システムにおいて、空間光変調器の領域と、波面センサに形成される集光スポットとの対応関係を特定する方法であって、空間光変調器のＮ個の領域のうちの少なくとも１個の領域を対象領域に設定し、対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、対象領域を囲む複数の領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、光検出素子により光強度分布を取得する光強度分布取得ステップを備える。

上記の方法では、空間光変調器及び波面センサを備える補償光学システムにおいて、光強度分布取得ステップとして、空間光変調器の対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、この対象領域を囲む（この対象領域に隣接する）複数の領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、波面センサの光検出素子により光強度分布を取得する。この光強度分布取得ステップでは、対象領域に対応する集光スポットが、光検出素子上に形成される。一方、対象領域を囲む複数の領域では非線形の位相パターンによって光が拡散するので、該複数の領域に対応する集光スポットは形成されないか、或いはその光強度が微弱となる。故に、対象領域に対応する集光スポットの周囲では、集光スポットが存在しないか、或いは集光スポットの明瞭さが対象領域に対応する集光スポットと比較して各段に劣ることとなる。したがって、対象領域に対応する集光スポットを容易に特定することが可能となる。

このように、上記の対応関係特定方法によれば、波面センサの集光スポットと、該集光スポットの位置から算出される収差に基づいて制御されるべき空間光変調器の変調面上の領域との対応関係を正確に特定することができる。したがって、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能となる。また、上記の対応関係特定方法によれば、特許文献１に記載された構成のように光学板等の新たな部品を追加する必要がないので、部品点数の増加を抑制できるとともに、被計測光の損失の増加を抑制して波面検出精度を維持することができる。

また、補償光学システムの対応関係特定方法では、空間光変調器のＮ個の領域を１個ずつ対象領域に設定しながら、光強度分布を取得してもよい。また、補償光学システムの対応関係特定方法では、空間光変調器のＮ個の領域を一個ずつ順に対象領域に設定しながら、光強度分布取得ステップをＮ回繰り返し行うことにより、Ｎ個の領域それぞれに対応するＮ個の光強度分布を取得してもよい。これにより、空間光変調器の全ての領域において、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能となる。

また、補償光学システムの対応関係特定方法では、空間光変調器のＮ個の領域のうち、互いに隣接しない複数の領域を対象領域に設定し、光強度分布を取得してもよい。また、対象領域に設定する複数の領域を変更しながら、光強度分布を取得してもよい。さらに、補償光学システムの対応関係特定方法では、空間光変調器のＮ個の領域を複数個ずつ順に対象領域に設定しながら、光強度分布取得ステップをＭ回（Ｍは２以上の整数）繰り返し行うことによりＭ個の光強度分布を取得するとともに、各光強度分布取得ステップにおいて、複数個の対象領域を互いに隣接しないように設定してもよい。これにより、空間光変調器の全ての領域において、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能となる。また、空間光変調器のＮ個の領域を複数個ずつ順に対象領域に設定することによって、一個ずつ順に設定する場合と比較して処理時間を短縮することができる。

また、補償光学システムの対応関係特定方法では、空間的に非線形な位相パターンが、位相の大きさの分布が不規則であるランダム分布を含んでもよい。或いは、補償光学システムの対応関係特定方法では、空間的に非線形な位相パターンが、集光スポットを拡径するデフォーカス分布を含んでもよい。これらのうち何れかの分布を位相パターンが含むことにより、空間的に非線形な位相パターンを実現することができる。

また、補償光学システムの対応関係特定方法では、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが、略均一な位相分布を含んでもよく、少なくとも一方向に傾斜した位相分布を含んでもよい。或いは、補償光学システムの対応関係特定方法では、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが、第１の方向においてシリンドリカルレンズ効果を有し（例えば第１の方向において２次関数の位相分布を有し）、該第１の方向と交差（例えば、直交）する第２の方向において略均一である位相分布を含んでもよく、或いは、第１の方向において回折格子を構成し、該第１の方向と交差（例えば、直交）する第２の方向において略均一である位相分布を含んでもよい。これらのうち何れかの分布を位相パターンが含むことにより、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを実現することができる。

また、本発明の一側面に係る波面歪み補償方法は、二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）を含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、空間光変調器から変調後の光像を受ける波面センサとを備える補償光学システムにおいて、空間光変調器に表示される位相パターンを、光強度分布から得られる光像の波面形状に基づいて制御することにより波面歪みを補償する波面歪み補償方法であって、空間光変調器のＮ個の領域のうちの少なくとも１個の領域を対象領域に設定し、対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、対象領域を囲む複数の領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、光検出素子により光強度分布を取得する光強度分布取得ステップと、光強度分布取得ステップにおいて検出された光強度分布に基づいて波面歪みを算出する波面歪み算出ステップと、波面歪み算出ステップにおいて算出された波面歪みを補正するための位相パターンを変調面に表示させる表示ステップと、を備える。

この波面歪み補償方法は、前述した補償光学システムの対応関係特定方法と同様の光強度分布取得ステップを備えている。したがって、対象領域に対応する集光スポットを正確に特定することができ、波面歪み補償の精度を向上させることが可能となる。また、光学板等の新たな部品を追加する必要がないので、部品点数の増加を抑制でき、また被計測光の損失の増加を抑制して波面検出精度を維持することができる。

また、本発明の一側面に係る補償光学システムは、二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）を含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、空間光変調器から変調後の光像を受ける波面センサと、空間光変調器に表示される位相パターンを、光強度分布から得られる光像の波面形状に基づいて制御することにより波面歪みを補償する制御部と、を備え、制御部が、空間光変調器のＮ個の領域のうちの少なくとも１個の領域を対象領域に設定し、対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、対象領域を囲む複数の領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、光検出素子により光強度分布を取得し、光強度分布取得ステップにおいて検出された光強度分布に基づいて波面歪みを算出し、波面歪み算出ステップにおいて算出された波面歪みを補正するための位相パターンを変調面に表示させる。

この補償光学システムによれば、制御部が、空間光変調器の対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、対象領域を囲む複数の領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、光強度分布を取得する。したがって、前述した対応関係特定方法と同様に、対象領域に対応する集光スポットを正確に特定することができ、波面歪み補償の精度を向上させることが可能となる。また、光学板等の新たな部品を追加する必要がないので、部品点数の増加を抑制でき、また被計測光の損失の増加を抑制して波面検出精度を維持することができる。

また、補償光学システム用プログラムは、二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）を含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、空間光変調器から変調後の光像を受ける波面センサと、空間光変調器に表示される位相パターンを、光強度分布から得られる光像の波面形状に基づいて制御することにより波面歪みを補償する制御部とを備える補償光学システムにおいて、制御部の動作を制御するためのプログラムであって、空間光変調器のＮ個の領域のうちの少なくとも１個の領域を対象領域に設定し、対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、対象領域を囲む複数の領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、光検出素子により光強度分布を取得する光強度分布取得ステップと、光強度分布取得ステップにおいて検出された光強度分布に基づいて波面歪みを算出する波面歪み算出ステップと、波面歪み算出ステップにおいて算出された波面歪みを補正するための位相パターンを変調面に表示させる表示ステップと、を制御部に実行させる。

また、本発明の一側面に係る補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体は、二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）の集光スポットを含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、空間光変調器から変調後の光像を受ける波面センサと、空間光変調器に表示される位相パターンを、光強度分布から得られる光像の波面形状に基づいて制御することにより波面歪みを補償する制御部とを備える補償光学システムにおいて、制御部の動作を制御するための補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体であって、補償光学システム用プログラムは、空間光変調器のＮ個の領域のうちの少なくとも１個の領域を対象領域に設定し、対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、対象領域を囲む複数の領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、光強度分布を取得する光強度分布取得ステップと、光強度分布に基づいて波面歪みを算出する波面歪み算出ステップと、波面歪みを補正するための位相パターンを変調面に表示させる表示ステップと、を制御部に実行させる。

この補償光学システム用プログラム及びそれを記憶する記録媒体は、前述した対応関係特定方法と同様の光強度分布取得ステップを備えている。したがって、対象領域に対応する集光スポットを正確に特定することができ、波面歪み補償の精度を向上させることが可能となる。また、光学板等の新たな部品を追加する必要がないので、部品点数の増加を抑制でき、また被計測光の損失の増加を抑制して波面検出精度を維持することができる。

本発明の一側面に係る補償光学システムの対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム、および補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体によれば、部品点数の増加および被計測光の損失の増加を抑制しつつ、波面センサの集光スポットと、その位置に基づいて制御されるべき空間光変調器の変調面上の領域との対応関係を正確に特定して、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能となる。

一実施形態に係る補償光学システムの構成を概略的に示す図である。 一実施形態の波面センサの構成を概略的に示す断面図であって、光像の光軸に沿った断面を示している。

波面センサが備えるレンズアレイを光像の光軸方向から見た図である。 一実施形態の空間光変調器の一例として、ＬＣＯＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図であって、光像の光軸に沿った断面を示している。 空間光変調器と波面センサとの関係を簡略化して示す図である。 空間光変調器の変調面の正面図である。 変調面上の領域と集光スポットとの対応関係を特定する方法の原理を説明するための概念図である。 変調面に表示される位相パターンを概念的に示す図である。 波面センサのイメージセンサによって検出される光強度分布データ（シャックハルトマングラム）を概念的に示す図である。 一実施形態の補償光学システムの動作および波面補償方法を示すフローチャートである。 制御部において実行される波面計測処理の一例を示すフローチャートである。 制御部において実行される通常の波面計測処理の一例を示すフローチャートである。 空間的に非線形な位相パターンの例として、位相の大きさの分布が不規則であるランダム分布を示す図である。 空間的に非線形な位相パターンの例として、集光スポットを拡径するデフォーカス分布を示す図である。 空間的に非線形な位相パターンの例として、光像に大きな球面収差を生じさせる分布を示す図である。 空間的に非線形な位相パターンの例として、光像に大きな高次収差を生じさせる分布を示す図である。 少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンの例として、変調面の全面に亘って位相値が略均一な位相分布を示す図である。 少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンの例として、第１の方向において位相値が傾斜しており、第１の方向と交差（例えば、直交）する第２の方向において位相値が略均一である位相分布を示す図である。 少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンの例として、第１の方向における位相分布がシリンドリカルレンズ効果を有し、第２の方向において位相値が略均一である位相分布を示す図である。 少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンの例として、第１の方向における位相分布が回折格子を構成し、第２の方向において位相値が略均一である位相分布を示す図である。 重ね合わせによって得られる合成パターンの例を示す図である。 対象領域の周囲の領域に含まれる変調面の各領域に、互いに共通する位相分布が配置された位相パターンを例示する図である。 対象領域の周囲の領域に含まれる変調面の各領域に、それぞれ異なる位相分布が配置された位相パターンを例示する図である。 対象領域が一度に複数個設定された例を示す図である。 第１変形例による波面計測処理を示すフローチャートである。 第２変形例による波面計測処理を示すフローチャートである。 第２変形例における、複数の対象領域の配置の例を示す図である。 第２変形例における、複数の対象領域の配置の例を示す図である。 第３変形例による補償光学システムの動作および波面歪み補償方法を示すフローチャートである。 レンズアレイの変形例を示す図である。 或る波面を有する光像が波面センサに入射したときの、複数のレンズと複数の集光スポットとの対応関係について説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一側面に係る補償光学システムの対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム、補償光学システム用プログラム、及び補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において、「位相分布」とは、二次元に分布する位相値を指し、「位相パターン」とは、位相分布（二次元の位相値）を、ある基準を基にコード化したものを指し、「位相プロファイル」とは、位相分布における或る方向（線）に沿った位相値の分布を指すものとする。

（第１の実施の形態）図１は、本実施形態に係る補償光学システム１０の構成を概略的に示す図である。補償光学システム１０は、例えば眼科検査装置、レーザ加工装置、顕微鏡装置、または補償光学装置などに組み込まれる。この補償光学システム１０は、空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）１１、波面センサ１２、制御部１３、ビームスプリッタ１４、リレーレンズ１５及び１６、並びに制御回路部１７を備えている。

空間光変調器１１は、位相パターンを表示する変調面１１ａに光像Ｌ１を受け、光像Ｌ１の波面形状を変調して出力する。空間光変調器１１に入射する光像Ｌ１は、例えばレーザ光源やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）から発する光、或いは、光が照射された観察物から発生した反射光、散乱光、蛍光等である。波面センサ１２は、空間光変調器１１から到達した光像Ｌ１の波面形状（典型的には光学系の収差によって現れ、波面の歪み、すなわち基準波面からの波面のずれを表す）に関する情報を含むデータＳ１を制御部１３に提供する。制御部１３は、波面センサ１２から得られたデータＳ１に基づいて、空間光変調器１１に適切な位相パターンを表示させるための制御信号Ｓ２を生成する。一例では、制御部１３は、波面センサ１２からデータＳ１を入力する入力部、データＳ１から収差を算出する収差算出部、空間光変調器１１に表示させる位相パターンを算出する位相パターン算出部、及び算出した位相パターンに応じて制御信号Ｓ２を生成する信号生成部を含む。制御回路部１７は、制御部１３から制御信号Ｓ２を受けて、この制御信号Ｓ２に基づく電圧Ｖ１を空間光変調器１１の複数の電極に与える。

ビームスプリッタ１４は、波面センサ１２と空間光変調器１１との間に配置され、光像Ｌ１を分岐する。ビームスプリッタ１４は偏光方向非依存型、偏光方向依存型、或いは、波長依存型（ダイクロイックミラー）のビームスプリッタのいずれでもよい。ビームスプリッタ１４によって分岐された一方の光像Ｌ１は、例えばＣＣＤや光電子増倍管、アバランシェ・フォトダイオードといった光検出素子１８に送られる。光検出素子１８は、例えば走査型レーザ検眼鏡（Scanning Laser Ophthalmoscope；ＳＬＯ）、光断層撮影装置（Optical Coherence Tomography；ＯＣＴ）、眼底カメラ、顕微鏡、望遠鏡等に組み込まれたものである。また、ビームスプリッタ１４によって分岐された他方の光像Ｌ１は、波面センサ１２に入射する。

リレーレンズ１５及び１６は、波面センサ１２と空間光変調器１１との間において光軸方向に並んで配置される。これらのリレーレンズ１５，１６によって、波面センサ１２と空間光変調器１１とが、互いに光学的な共役関係に保たれる。なお、波面センサ１２と空間光変調器１１との間には、光学結像レンズ及び／又は偏向ミラーなどが更に配置されてもよい。

図２は、本実施形態の波面センサ１２の構成を概略的に示す断面図であって、光像Ｌ１の光軸に沿った断面を示している。また、図３は、波面センサ１２が備えるレンズアレイ１２０を光像Ｌ１の光軸方向から見た図である。

波面センサ１２には干渉型と非干渉型とがあるが、本実施形態では、波面センサ１２として、レンズアレイ１２０及びイメージセンサ（光検出素子）１２２を有する非干渉型のシャックハルトマン型波面センサを用いる。このような非干渉型の波面センサを用いると、干渉型の波面センサを用いる場合と比較して、耐震性が優れており、また、波面センサの構成及び計測データの演算処理を簡易にできる利点がある。

図３に示されるように、レンズアレイ１２０は、Ｎ個（Ｎは自然数）のレンズ１２４を有する。Ｎ個のレンズ１２４は、例えばＮａ行Ｎｂ列（Ｎａ，Ｎｂは２以上の整数）の二次元格子状に配置されている。

また、図２に示されるイメージセンサ１２２は、レンズアレイ１２０を構成するＮ個のレンズ１２４の後焦点面と重なる位置に受光面１２２ａを有しており、Ｎ個のレンズ１２４によって形成されるＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）の集光スポットＰを含む光強度分布を検出する。一般的には、レンズアレイ１２０に照射される光は、レンズアレイ１２０の一部のレンズ１２４に入力されるため、集光スポットＰは入力光が照射されたレンズ１２４によって形成される。従って、レンズアレイ１２０を構成するＮ個のレンズ１２４のうち、入力光の照射範囲内に存在するレンズ１２４の個数Ｎ’は、集光スポットＰの個数Ｋと等しい。もちろん、レンズアレイ１２０全体に入力光が照射される場合には、個数Ｎと個数Ｎ’とが等しくなり、Ｎ＝Ｋとなる。後述する制御部１３では、この光強度分布に基づいて、光像Ｌ１の波面形状（位相勾配の分布）が計測される。すなわち、レンズ１２４による集光スポットＰの位置と基準位置とのずれの大きさは、レンズ１２４に入射する光像Ｌ１の局所的な波面の傾きに比例する。したがって、基準位置からの集光スポットＰの位置ずれの大きさをレンズ１２４毎に算出し、この集光スポットＰの位置ずれに基づいて、光像Ｌ１の波面形状を計測することができる。

なお、イメージセンサ１２２の受光面１２２ａを構成する各画素も二次元格子状に配置されており、その水平方向および垂直方向はレンズアレイ１２０の水平方向および垂直方向とそれぞれ一致する。但し、イメージセンサ１２２の画素ピッチは、基準位置からの集光像位置のずれの大きさを高い精度で検出できるように、レンズアレイ１２０のピッチよりも十分に小さくなっている。

また、集光像位置のずれの大きさを計算する為に用いられる基準位置としては、複数のレンズ１２４それぞれの光軸と、イメージセンサ１２２の受光面１２２ａとが交わる位置とすることができる。この位置は、平行平面波を各レンズ１２４に垂直入射させて得られる集光像を用いて、重心計算により容易に求められる。

空間光変調器１１は、光源若しくは観察対象物からの光像Ｌ１を受け、その光像Ｌ１の波面を変調して出力する素子である。具体的には、空間光変調器１１は、二次元格子状に配列された複数の画素（制御点）を有しており、制御部１３から提供される制御信号Ｓ２に応じて各画素の変調量（例えば位相変調量）を変化させる。空間光変調器１１には、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）型空間光変調器、液晶表示素子と光アドレス式液晶空間光変調器とが結合されて成る電気アドレス式の空間光変調器、微小電気機械素子（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）、といったものがある。なお、図１には反射型の空間光変調器１１が示されているが、空間光変調器１１は透過型であってもよい。

図４は、本実施形態の空間光変調器１１の一例として、ＬＣＯＳ型の空間光変調器を概略的に示す断面図であって、光像Ｌ１の光軸に沿った断面を示している。この空間光変調器１１は、透明基板１１１、シリコン基板１１２、複数の画素電極１１３、液晶部（変調部）１１４、透明電極１１５、配向膜１１６ａ及び１１６ｂ、誘電体ミラー１１７、並びにスペーサ１１８を備えている。

透明基板１１１は、光像Ｌ１を透過する材料からなり、シリコン基板１１２の主面に沿って配置される。複数の画素電極１１３は、シリコン基板１１２の主面上において二次元格子状に配列され、空間光変調器１１の各画素を構成する。透明電極１１５は、複数の画素電極１１３と対向する透明基板１１１の面上に配置される。液晶部１１４は、複数の画素電極１１３と透明電極１１５との間に配置される。配向膜１１６ａは液晶部１１４と透明電極１１５との間に配置され、配向膜１１６ｂは液晶部１１４と複数の画素電極１１３との間に配置される。誘電体ミラー１１７は配向膜１１６ｂと複数の画素電極１１３との間に配置される。誘電体ミラー１１７は、透明基板１１１から入射して液晶部１１４を透過した光像Ｌ１を反射して、再び透明基板１１１から出射させる。

また、空間光変調器１１は、複数の画素電極１１３と透明電極１１５との間に印加される電圧を制御する画素電極回路（アクティブマトリクス駆動回路）１１９を更に備えている。画素電極回路１１９から何れかの画素電極１１３に電圧が印加されると、該画素電極１１３と透明電極１１５との間に生じた電界の大きさに応じて、該画素電極１１３上の液晶部１１４の屈折率が変化する。したがって、液晶部１１４の当該部分を透過する光像Ｌ１の光路長が変化し、ひいては、光像Ｌ１の位相が変化する。そして、複数の画素電極１１３に様々な大きさの電圧を印加することによって、位相変調量の空間的の分布を電気的に書き込むことができ、必要に応じて様々な波面形状を実現することができる。

再び図１を参照する。この補償光学システム１０では、まず、図示しない光源若しくは観察対象物からの光像Ｌ１が、ほぼ平行な光として空間光変調器１１に入射する。そして、空間光変調器１１によって変調された光像Ｌ１は、リレーレンズ１５及び１６を経てビームスプリッタ１４に入射し、２つの光像に分岐される。分岐後の一方の光像Ｌ１は、波面センサ１２に入射する。そして、波面センサ１２において光像Ｌ１の波面形状（例えば位相分布）を含むデータＳ１が生成され、データＳ１は制御部１３に提供される。制御部１３は、波面センサ１２からのデータＳ１に基づいて、必要に応じて光像Ｌ１の波面形状（位相分布）を算出し、光像Ｌ１の波面歪みを適切に補償するための位相パターンを含む制御信号Ｓ２を空間光変調器１１へ出力する。その後、空間光変調器１１によって補償された歪みのない光像Ｌ１は、ビームスプリッタ１４により分岐され、図示しない光学系を経て光検出素子１８に入射し、撮像される。

ここで、図５は、空間光変調器１１と波面センサ１２との関係を簡略化して示す図である。上記の構成を備える補償光学システム１０において、波面センサ１２において光像Ｌ１の波面形状を正確に検出するためには、Ｎ個のレンズ１２４のそれぞれによって形成されるＫ個の集光スポットＰと、Ｋ個の集光スポットＰの位置ずれ情報に基づいてそれぞれ制御されるべき空間光変調器１１の変調面１１ａ上のＮ個の領域１１ｂとの対応関係を正確に特定する必要がある。

なお、図６は、空間光変調器１１の変調面１１ａの正面図である。図６に示されるように、変調面１１ａ上に想定されるＮ個の領域１１ｂは、Ｎ個のレンズ１２４と同様に二次元状（例えばＮａ行Ｎｂ列）に配列され、それぞれＮ個のレンズ１２４と一対一で対応している。また、各領域１１ｂには、複数の画素が含まれている。なお、各領域１１ｂの一辺の長さｄは、ｄ＝Ｇ×ｍｌａＰｉｔｃｈ／ｓｌｍＰｉｔｃｈ（但し、Ｇは空間光変調器１１と波面センサ１２との間の光学結像倍率、ｍｌａＰｉｔｃｈはレンズアレイ１２０のピッチ、ｓｌｍＰｉｔｃｈは空間光変調器１１の画素ピッチ）として算出される。

以下、本実施形態による補償光学システム１０及び波面歪み補償方法において、Ｋ個の集光スポットＰと、変調面１１ａ上のＮ個の領域１１ｂとの対応関係を特定する方法について詳細に説明する。なお、この特定方法は、例えば制御部１３において、波面歪み補償動作に組み込まれる。

図７は、本実施形態における特定方法の原理を説明するための概念図である。図７には、空間光変調器１１の変調面１１ａ及び波面センサ１２（レンズアレイ１２０及びイメージセンサ１２２）に加えて、リレーレンズ１５及び１６、変調面１１ａへ入射される光像の波面Ｗ１、変調面１１ａから出射される光像の波面Ｗ２、波面センサ１２に入射される光像の波面Ｗ３が示されている。空間光変調器１１からは、入射波面Ｗ１に、その位相パターンに応じた波面が加えられた波面Ｗ２が出射される。波面センサ１２には、リレーレンズ１５及び１６を含む共役光学系を経た波面Ｗ３が入射される。また、図７には、変調面１１ａ上の或る領域１１ｂから出射して、当該領域１１ｂに対応する波面センサ１２のレンズ１２４に達する光像Ｌ１が示されている。

ここで、変調面１１ａ上の或る領域１１ｂ（以下、対象領域と称する）において、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させる。このような位相パターンは、例えば略均一な位相分布、少なくとも一方向に傾斜した位相分布等を含むことによって実現される。または、このような位相パターンは、シリンドリカルレンズ効果を有する位相分布、すなわち第１の方向における位相分布が２次の関数を有し、該第１の方向と交差（例えば、直交）する第２の方向において略均一である位相分布、若しくは第１の方向において回折格子を構成し、該第１の方向と交差（例えば、直交）する第２の方向において略均一である位相分布を含むことによって実現される。

また、これと同時に、変調面１１ａ上の対象領域を囲む複数の領域１１ｂにおいて、空間的に非線形な位相パターン（例えば、位相の大きさの分布が不規則であるランダム分布や、集光スポットを拡径するデフォーカス分布など）を表示させる。すると、出射波面Ｗ２のうち該複数の領域１１ｂに相当する部分の波面が乱れる（図７の部分Ａ１）。そして、この波面の乱れは、波面センサ１２への入射波面Ｗ３のうち、該複数の領域１１ｂに対応するレンズ１２４に入射する部分にも生じることとなる（図７の部分Ａ２）。これにより、当該レンズ１２４によって形成されていた集光スポットＰが拡散し、集光スポットＰが形成されないか、或いはその光強度が微弱となる。

一方、波面Ｗ２，Ｗ３における対象領域に相当する部分（図７の部分Ａ３，Ａ４）では、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンによって、該少なくとも一方向において波面が乱されることなくレンズ１２４に入射する。したがって、当該レンズ１２４によって集光スポットＰが明瞭に形成される。

図８は、変調面１１ａに表示される位相パターンを概念的に示す図である。図８において、領域Ｂ１は、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが表示される領域（すなわち対象領域）であり、領域Ｂ２は、空間的に非線形な位相パターンが表示される領域である。このように、本実施形態では、Ｎ個の領域１１ｂのうち或る一つの対象領域Ｂ１において、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが表示される。

図９は、波面センサ１２のイメージセンサ１２２によって検出される光強度分布データ（シャックハルトマングラム）を概念的に示す図である。図９（ａ）は、対象領域Ｂ１において少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが表示され、他の領域Ｂ２において空間的に非線形な位相パターンが表示されている場合の光強度分布データＤ１を示している。図９（ｂ）は、比較のため、全ての領域において線形性を有する位相パターンが表示されている場合の光強度分布データＤ２を示している。

図９（ｂ）に示されるように、全ての領域において線形性を有する位相パターンが表示されている場合には、Ｎ個の領域１１ｂに対応するＫ個の集光スポットＰが光強度分布データに含まれる。これに対し、図９（ａ）に示されるように、対象領域Ｂ１において少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが表示され、他の領域Ｂ２において空間的に非線形な位相パターンが表示されている場合には、対象領域Ｂ１に対応する一個の集光スポットＰは光強度分布データに含まれるが、他の領域Ｂ２に対応する集光スポットは、形成されないか、或いは形成されてもその最大強度が減少したものとなる。従って、図９（ａ）に示された光強度分布データＤ１に基づいて、対象領域Ｂ１に対応する集光スポットＰを容易に特定することができる。

以上に説明した、変調面１１ａの各領域１１ｂと集光スポットＰとの対応関係を特定する方法を含む、補償光学システム１０の動作および波面歪み補償方法について図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本実施形態の補償光学システム１０の動作および波面補償方法を示すフローチャートである。なお、図１に示された制御部１３の記憶領域１３ａの内部にこの補償方法が補償光学システム用プログラムとして記憶され、制御部１３がこのプログラムを読み出して実行する。なお、制御部１３は、ＣＰＵ、主記憶装置であるＲＡＭ及びＲＯＭ、通信を行うための通信モジュール、並びに、ハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェア資源を備えるコンピュータを主体として構成され得る。補償光学システム用プログラムは、そのコンピュータに挿入されてアクセスされる記録媒体、或いは、そのコンピュータが備える記録媒体に記憶されている。このような記録媒体としては、例えば、磁気ディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ、コンピュータに内蔵されるメモリ（記憶領域１３ａ）等が該当する。

補償光学システム１０では、まず、制御部１３の初期処理が行われる（ステップＳ１１）。この初期処理ステップＳ１１では、例えば計算処理に必要なメモリ領域の確保や、パラメータの初期設定などが行われる。

次に、制御部１３は、波面計測（収差計測）を行う（ステップＳ１２）。この波面計測ステップＳ１２では、通常の波面計測方法に、前述した、Ｋ個の集光スポットＰと変調面１１ａ上のＮ個の領域１１ｂとの対応関係を特定する方法を組み合わせた方法を用いることにより、ダイナミックレンジが拡大された波面計測を行う。

図１１は、制御部１３において実行される波面計測処理の一例を示すフローチャートである。図１１に示されるように、制御部１３は、先ず、繰り返し回数を示す変数ｎを１に設定する（ステップＳ２１）。次に、制御部１３は、変調面１１ａ上の或る対象領域Ｂ１（ｎ）に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させる。同時に、制御部１３は、変調面１１ａ上の他の領域Ｂ２に、空間的に非線形な位相パターンを表示させる（ステップＳ２２）。そして、この状態で、制御部１３は、波面センサ１２のイメージセンサ１２２によって作成される光強度分布データを取得する（ステップＳ２３、本実施形態における光強度分布取得ステップ）。図９（ａ）に示されたように、この光強度分布データには、対象領域Ｂ１（ｎ）に対応する一個のレンズ１２４によって形成された一個の集光スポットＰが含まれている。

続いて、制御部１３は、光強度分布データに含まれる集光スポットＰ（ｎ）の重心を計算することによって、集光スポットＰ（ｎ）の位置座標を特定する（ステップＳ２４）。この重心計算の際、所定の閾値よりも小さいデータ値の排除や、ノイズ低減処理等を併せて行うことができる。続いて、集光スポットＰ（ｎ）の評価値を算出する（ステップＳ２５）。評価値とは、例えば集光スポットＰ（ｎ）の光強度や拡がり具合（スポット径）などといった、集光スポットＰ（ｎ）の信頼性を表す数値である。以降のステップでは、この評価値が所定の条件を満たす集光スポットＰ（ｎ）に関する情報のみが計算に使用される。

続いて、制御部１３は、繰り返し回数を示す変数ｎが最大値Ｎｍａｘに達したか否かを判断する（ステップＳ２６）。最大値Ｎｍａｘは、例えば変調面１１ａに含まれる領域１１ｂの個数（＝Ｎ）に設定される。変数ｎが最大値Ｎｍａｘに達していない場合（ステップＳ２６；Ｎｏ）、変数ｎに１を加えたのち（ステップＳ２７）、すなわち異なる別の領域１１ｂにおいて、ステップＳ２２〜Ｓ２６を再び繰り返す。また、変数ｎが最大値Ｎｍａｘに達した場合（ステップＳ２６；Ｙｅｓ）、以下のステップＳ２８及びＳ２９を行う。

ステップＳ２８では、各集光スポットＰの位置座標と基準位置との距離（位置ずれ量）を集光スポットＰ毎に算出する。その後、ステップＳ２９では、ステップＳ２８において算出された各集光スポットＰの位置ずれ量を波面方程式に適用することにより、波面歪み（収差）を算出する（波面歪み算出ステップ）。

なお、上記の波面計測処理において、ステップＳ２５、若しくはステップＳ２４及びＳ２５の双方は、ステップＳ２６においてｎがＮｍａｘに達した後に行われてもよい。或いは、ステップＳ２８が、ステップＳ２５とステップＳ２６との間に行われてもよい。

再び図１０を参照する。続いて、制御部１３は、空間光変調器１１の変調面１１ａに表示させるべき波面歪み補償用の位相パターン（制御パターン）の計算を行い、制御信号Ｓ２を更新する（ステップＳ１３、表示ステップ）。このステップＳ１３では、例えば、先の波面計測ステップＳ１２において算出された波面歪み（収差）を補正する（例えばゼロに近づける）ための位相パターンが算出される。そして、算出された位相パターンに応じた制御信号Ｓ２が制御部１３から制御回路部１７へ出力される。制御回路部１７は、この制御信号Ｓ２に応じた制御電圧Ｖ１を空間光変調器１１に供給する。これにより、波面歪みを補正するための位相パターンが変調面１１ａに表示される。

続いて、制御部１３は、再び波面計測（収差計測）を行う（ステップＳ１４）。但し、この波面計測ステップＳ１４では、前述した波面計測ステップＳ１２とは異なり、通常の波面計測方法を用いて波面計測を行う。図１２は、制御部１３において実行される通常の波面計測処理の一例を示すフローチャートである。図１２に示されるように、制御部１３は、先ず、波面センサ１２のイメージセンサ１２２によって作成される光強度分布データを取得する（ステップＳ３１）。図９（ｂ）に示されたように、この光強度分布データには、Ｎ個のレンズ１２４によって形成されたＫ個の集光スポットＰが含まれている。次に、制御部１３は、光強度分布データに含まれるＫ個の集光スポットＰそれぞれの重心を計算することによって、Ｋ個の集光スポットＰそれぞれの位置座標を特定する（ステップＳ３２）。前述したステップＳ２４と同様に、この重心計算の際にも、所定の閾値よりも小さいデータ値の排除や、ノイズ低減処理等を併せて行うことができる。続いて、Ｋ個の集光スポットＰの評価値を算出する（ステップＳ３３）。続いて、各集光スポットＰの位置座標と基準位置との距離（位置ずれ量）を集光スポットＰ毎に算出する（ステップＳ３４）。その後、ステップＳ３４において算出された各集光スポットＰの位置ずれ量を波面方程式に適用することにより、波面歪み（収差）を算出する（ステップＳ３５）。

再び図１０を参照する。制御部１３は、波面補償動作を終了するか否かの指令信号を外部から受け付ける（ステップＳ１６）。この指令信号は、例えば補償光学システム１０を含む装置を操作する者から入力される。そして、終了指令があった場合には（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、終了処理ステップＳ１７を経て終了する。また、終了指令がない場合には（ステップＳ１６；Ｎｏ）、前述したステップＳ１４〜Ｓ１６を繰り返し実行する。なお、終了処理ステップＳ１７では、例えば制御部１３のメモリ領域の開放などが行われる。

以上に説明した本実施形態の補償光学システム１０、対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム用プログラム、及び補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体によって得られる効果について説明する。

本実施形態では、光強度分布取得ステップＳ２３において、空間光変調器１１の対象領域Ｂ１に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、この対象領域Ｂ１を囲む複数の領域（領域Ｂ２）に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、波面センサ１２のイメージセンサ１２２により光強度分布を取得する。この光強度分布取得ステップＳ２３では、対象領域Ｂ１に対応する集光スポットＰがイメージセンサ１２２上に形成される。また、領域Ｂ２では非線形の位相パターンによって光が拡散するので、領域Ｂ２に対応する集光スポットＰは形成されないか、或いはその光強度が微弱となる。故に、図９（ａ）に示されたように、対象領域Ｂ１に対応する集光スポットＰの周囲では、集光スポットＰが存在しないか、或いは集光スポットＰの明瞭さが対象領域Ｂ１に対応する集光スポットＰと比較して各段に劣ることとなる。したがって、対象領域Ｂ１に対応する集光スポットＰを容易に特定することが可能となる。

このように、本実施形態の補償光学システム１０、その対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム用プログラム、及び補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体によれば、波面センサ１２の集光スポットＰと、該集光スポットＰの位置から算出される収差に基づいて制御されるべき空間光変調器１１の変調面１１ａ上の領域１１ｂとの対応関係を正確に特定しながら、波面補償動作を行うことができる。したがって、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能となる。また、特許文献１に記載された構成のように光学板等の新たな部品を追加する必要がないので、部品点数の増加を抑制できるとともに、被計測光の損失の増加を抑制して波面検出精度を維持することができる。

また、本実施形態のように、空間光変調器１１のＮ個の領域を一個ずつ順に対象領域Ｂ１に設定しながら、光強度分布取得ステップＳ２３をＮ回繰り返し行うことにより、Ｎ個の領域それぞれに対応するＮ個の光強度分布を取得してもよい。これにより、空間光変調器１１の全ての領域１１ｂにおいて、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能となる。

ここで、ステップＳ２２において変調面１１ａの領域Ｂ２に表示される「空間的に非線形な位相パターン」の例を示す。図１３〜図１６は、このような位相パターンの例を示す図であって、位相の大きさが明暗によって示されており、最も暗い部分の位相は０（ｒａｄ）であり、最も明るい部分の位相は２π（ｒａｄ）である。

図１３は、位相の大きさの分布が不規則であるランダム分布を示している。このような位相パターンが領域Ｂ２に表示されると、当該部分の光像Ｌ１が拡散し、明瞭な集光スポットＰが形成されなくなるか、最大の光強度が減少する。また、図１４は、集光スポットＰを拡径するデフォーカス分布を示している。このような位相パターンが領域Ｂ２に表示されると、当該部分の光像Ｌ１が集光されず逆に拡大されるので、明瞭な集光スポットＰが形成されなくなるか、最大の光強度が減少する。また、図１５は、光像Ｌ１に大きな球面収差を生じさせる分布を示している。球面収差を生じる位相パターンの代わりに、大きな非点収差やコマ収差を生じる位相パターンを用いてもよい。図１６は、光像Ｌ１に球面収差・非点収差・コマ収差より大きな次数の高次収差を含む収差を生じさせる分布を示している。図１５や図１６に示された位相パターンが領域Ｂ２に表示された場合にも、明瞭な集光スポットＰが形成されなくなる。空間的に非線形な位相パターンは、これらの分布のうち少なくとも一つを含んでもよく、或いは、これらの分布のうち少なくとも一つと、線形な位相パターンとを重ね合わせた合成パターンを含んでもよいし、或いは、これらの分布のうち少なくとも一つと、波面計測された波面歪みを補償するための位相パターンとを重ね合わせた合成パターンを含んでも良い。

また、ステップＳ２２において変調面１１ａの対象領域Ｂ１に表示される「少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン」の例は、次の通りである。図１７〜図２０は、このような位相パターンの例を示す図であって、図１３〜図１６と同様に、位相の大きさが明暗によって示されている。

図１７は、変調面１１ａの全面に亘って位相値が略均一な位相分布を示している。また、図１８は、第１の方向（図中の矢印Ｅ１）において位相値が傾斜しており、第１の方向と交差（例えば、直交）する第２の方向（図中の矢印Ｅ２）において位相値が略均一である位相分布を示している。図１７又は図１８に示されたような位相パターンが対象領域Ｂ１に表示されると、当該部分の光像Ｌ１の波面は平坦となるので、レンズ１２４によって明瞭な集光スポットＰが形成される。また、図１９は、第１の方向Ｅ１における位相分布がシリンドリカルレンズ効果を有し、第２の方向Ｅ２において位相値が略均一である位相分布を示している。また、図２０は、第１の方向Ｅ１における位相分布が回折格子を構成し、第２の方向Ｅ２において位相値が略均一である位相分布を示している。図１９や図２０に示された位相パターンが対象領域Ｂ１に表示された場合、第１の方向Ｅ１においては光が拡散するが、第２の方向Ｅ２において集光されるので、集光スポットＰの該当方向の形状が維持される。少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンは、これらの分布のうち少なくとも一つを含むことができる。或いは、これらの分布を互いに重ね合わせた合成プロファイルを含んでもよい。図２１は、そのような重ね合わせによって得られる合成プロファイルの例を示す図である。図２１（ａ）に示される位相パターンは図１９に示されたものであり、図２１（ｂ）に示される位相パターンは、図１８に示された位相パターンを９０°回転させたものである。そして、図２１（ｃ）に示される位相パターンは、これらを重ね合わせた合成プロファイルである。図２１（ｃ）に示された合成プロファイルでは、第１の方向Ｅ１においては光が拡散するが、第２の方向Ｅ２において集光されるので、該当方向の形状が維持される。

また、対象領域Ｂ１の周囲の領域Ｂ２に表示される非線形な位相パターンは、変調面１１ａの各領域１１ｂに互いに共通する位相分布が表示されてもよく、また、各領域１１ｂにそれぞれ異なる位相分布が表示されてもよい。図２２は、領域Ｂ２内の各領域１１ｂに互いに共通する位相分布（例えばデフォーカス分布）が配置された位相パターンを例示している。また、図２３は、領域Ｂ２内の各領域１１ｂにそれぞれ異なる位相分布（例えばランダム分布）が配置された位相パターンを例示している。

（第１の変形例）上記第１実施形態では、図８に示されたように、変調面１１ａにおいて対象領域Ｂ１を一つだけ設定しているが、対象領域Ｂ１は、一度に複数個設定されてもよい。図２４は、対象領域Ｂ１が一度に複数個設定された例を示す図である。なお、図２４において、対象領域Ｂ１を空白で示し、その周囲の領域Ｂ２に並行斜線を付して対象領域Ｂ１と区別している。図２４に示されるように、本変形例では、互いに隣接しない複数の領域１１ｂが対象領域Ｂ１に設定され、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが表示される。また、他の領域Ｂ２には、空間的に非線形な位相パターンが表示される。なお、図２４に示された例では、互いに隣接する対象領域Ｂ１の間に存在する領域Ｂ２の大きさが領域１１ｂ一個分なので、波面センサ１２のイメージセンサ１２２上において、集光スポットＰの検出可能範囲がレンズ１２４の直径の２倍に拡大される。

図２５は、本変形例による波面計測処理（図１０に示されたステップＳ１２に相当）を示すフローチャートである。本変形例では、制御部１３が、先ず、変調面１１ａ上の複数の対象領域Ｂ１（図２４を参照）に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させる。同時に、制御部１３は、変調面１１ａ上の他の領域Ｂ２に、空間的に非線形な位相パターンを表示させる（ステップＳ４１）。そして、この状態で、制御部１３は、波面センサ１２のイメージセンサ１２２によって作成される光強度分布データを取得する（ステップＳ４２、本変形例における光強度分布取得ステップ）。この光強度分布データには、複数の対象領域Ｂ１に対応する複数のレンズ１２４によって形成された複数の集光スポットＰが含まれている。

続いて、制御部１３は、光強度分布データに含まれる複数の集光スポットＰの重心を計算することによって、複数の集光スポットＰの位置座標を特定する（ステップＳ４３）。前述した第１実施形態と同様に、この重心計算の際、所定の閾値よりも小さいデータ値の排除や、ノイズ低減処理等を併せて行うことができる。続いて、複数の集光スポットＰの評価値を算出する（ステップＳ４４）。その後、各集光スポットＰの位置座標と基準位置との距離（位置ずれ量）を集光スポットＰ毎に算出する（ステップＳ４５）。そして、ステップＳ４５において算出された各集光スポットＰの位置ずれ量を波面方程式に適用することにより、波面歪み（収差）を算出する（ステップＳ４６）。

なお、このステップＳ４６では、複数の対象領域Ｂ１に対応する複数の集光スポットＰのみの位置座標に基づいて波面歪みを算出し、領域Ｂ２に対応する集光スポットは使用されない。したがって、波面歪みを算出する際の精度は上記第１実施形態と比較して低くなるが、実用上問題とならない場合には、上記第１実施形態よりも処理時間が各段に短縮される。実用上問題とならない場合とは、（１）図１０に示された後段の波面計測ステップＳ１４において十分な計測精度が得られる場合、（２）計測対象である波面の低次収差成分が大きい場合、などである。（２）については、例えば、補償光学システムが眼底イメージング装置に適用される場合に、角膜、水晶体、或いは涙液などによって生じる眼球の収差は２次や３次といった低次収差を多く含む。したがって、対象領域Ｂ１の個数を例えば１０個より多く設定すれば、収差を十分な精度で計測することが可能である。

以上の構成を備える本変形例によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。更に、本変形例では、空間光変調器１１の複数の対象領域Ｂ１と複数の集光スポットＰとの対応関係を一度に特定して補償動作を行うことができるので、処理時間を短縮することができる。

（第２の変形例）上記の第１変形例では、複数の対象領域Ｂ１を一度だけ設定し、得られた一つの光強度分布データに基づいて波面補償を行っているが、複数の対象領域Ｂ１を変更しながら二以上の光強度分布データを取得し、該二以上の光強度分布データに基づいて波面補償を行ってもよい。

図２６は、本変形例による波面計測処理（図１０に示されたステップＳ１２に相当）を示すフローチャートである。本変形例において、制御部１３は、先ず、繰り返し回数を示す変数ｍを１に設定する（ステップＳ５１）。次に、制御部１３は、変調面１１ａ上の複数の対象領域Ｂ１（ｍ）に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させる。同時に、制御部１３は、変調面１１ａ上の他の領域Ｂ２に、空間的に非線形な位相パターンを表示させる（ステップＳ５２）。ここで、図２７及び図２８は、ステップＳ５２において設定される複数の対象領域Ｂ１（ｍ）の配置の例を示す図である。なお、これらの図は、変数ｍの最大値Ｍ（Ｍは２以上の整数）が４である場合の、変数ｍ＝１，２，３，４の各々における配置を示している。また、これらの図においても、対象領域Ｂ１を空白で示し、その周囲の領域Ｂ２に並行斜線を付して対象領域Ｂ１と区別している。

図２７（ａ）及び図２７（ｂ）、並びに図２８（ａ）及び図２８（ｂ）に示された４つの形態では、複数の対象領域Ｂ１が設定される点は共通しているが、対象領域Ｂ１に設定される領域１１ｂの位置が互いに異なっている。具体的には、２行２列の領域１１ｂからなる領域を一つの単位領域とすると、図２７（ａ）では該単位領域内で第１行第１列の領域１１ｂが対象領域Ｂ１（１）に設定され、図２７（ｂ）では第１行第２列の領域１１ｂが対象領域Ｂ１（２）に設定され、図２８（ａ）では第２行第１列の領域１１ｂが対象領域Ｂ１（３）に設定され、図２８（ｂ）では第２行第２列の領域１１ｂが対象領域Ｂ１（４）に設定されている。なお、図２７及び図２８に示された例においても、図２４と同様、互いに隣接しない複数の領域１１ｂが対象領域Ｂ１に設定される。また、互いに隣接する対象領域Ｂ１の間に存在する領域Ｂ２の大きさが領域１１ｂ一個分なので、波面センサ１２のイメージセンサ１２２上において、集光スポットＰの検出可能範囲がレンズ１２４の直径の２倍に拡大される。

再び図２６を参照する。上述した位相パターンが表示された状態で、制御部１３は、波面センサ１２のイメージセンサ１２２によって作成される光強度分布データを取得する（ステップＳ５３、本変形例における光強度分布取得ステップ）。この光強度分布データには、対象領域Ｂ１（ｍ）に対応する複数のレンズ１２４によって形成された複数の集光スポットＰ（ｍ）が含まれている。

続いて、制御部１３は、光強度分布データに含まれる複数の集光スポットＰ（ｍ）の重心を計算することによって、複数の集光スポットＰ（ｍ）の位置座標を特定する（ステップＳ５４）。上記の実施形態と同様に、この重心計算の際にも、所定の閾値よりも小さいデータ値の排除や、ノイズ低減処理等を併せて行うことができる。続いて、集光スポットＰ（ｍ）の評価値を算出する（ステップＳ５５）。

続いて、制御部１３は、繰り返し回数を示す変数ｍが最大値Ｍに達したか否かを判断する（ステップＳ５６）。最大値Ｍは、例えば変調面１１ａに含まれる領域１１ｂの個数（＝Ｎ）を、複数の対象領域Ｂ１の個数で除した値に設定される。変数ｍが最大値Ｍに達していない場合（ステップＳ５６；Ｎｏ）、変数ｍに１を加えたのち（ステップＳ５７）、ステップＳ５２〜Ｓ５６を再び繰り返す。また、変数ｍが最大値Ｍに達した場合（ステップＳ５６；Ｙｅｓ）、以下のステップＳ５８及びＳ５９を行う。

ステップＳ５８では、各集光スポットＰの位置座標と基準位置との距離（位置ずれ量）を集光スポットＰ毎に算出する。その後、ステップＳ５９では、ステップＳ５８において算出された各集光スポットＰの位置ずれ量を波面方程式に適用することにより、波面歪み（収差）を算出する。

なお、上記の波面計測処理において、ステップＳ５５、若しくはステップＳ５４及びＳ５５の双方は、ステップＳ５６においてｍがＭに達した後に行われてもよい。或いは、ステップＳ５８が、ステップＳ５５とステップＳ５６との間に行われてもよい。

本変形例によれば、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例では、第１変形例とは異なり、空間光変調器１１のＮ個の領域１１ｂを複数個ずつ順に対象領域Ｂ１に設定しながら、光強度分布取得ステップＳ５３をＭ回繰り返し行うことによりＭ個の光強度分布データを取得する。したがって、第１変形例と比較して波面歪みを算出する際の精度を向上させることができる。また、光強度分布取得ステップの繰り返し回数が前述した第１実施形態よりも少なくなるので、第１実施形態と比較して処理時間を短縮することができる。

（第３の変形例）図２９は、本変形例による補償光学システム１０の動作および波面歪み補償方法を示すフローチャートである。前述した第１実施形態では、図１０に示されたように、ダイナミックレンジを拡大した波面計測ステップＳ１２を最初に一回のみ行う。これに対し、本変形例では、必要に応じて波面計測ステップＳ１２を行う。

本変形例では、図２９に示されるように、制御部１３の初期処理ステップＳ１１、波面計測ステップＳ１２、変調面１１ａに表示させるべき波面歪み補償用の位相パターンの計算および制御信号の更新（ステップＳ１３）をこの順で行う。なお、これらのステップの内容は第１実施形態と同様である。

続いて、制御部１３は、通常の波面計測を行う（ステップＳ１４）。その後、制御部１３は、波面計測ステップＳ１４において計測された残留収差が所定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１８）。残留収差が大きい場合（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、制御部１３は、ダイナミックレンジが拡大された波面計測ステップＳ１２およびステップＳ１３を再び行う。また、残留収差が小さい場合（ステップＳ１８；Ｎｏ）、制御部１３は、通常の波面計測ステップＳ１４において計測された波面形状に基づいて、変調面１１ａに表示させるべき波面歪み補償用の位相パターンを計算し、制御信号を更新する（ステップＳ１５）。なお、ステップＳ１４及びＳ１５の内容は第１実施形態と同様である。

その後、制御部１３は、波面補償動作を終了するか否かの指令信号を外部から受け付ける（ステップＳ１６）。そして、終了指令があった場合には（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、終了処理ステップＳ１７を経て終了する。また、終了指令がない場合には（ステップＳ１６；Ｎｏ）、前述したステップＳ１４以降の動作（ステップＳ１８からステップＳ１２に戻る場合を含む）を繰り返し行う。

本変形例によれば、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。更に、本変形例では、残留収差が大きい場合に波面計測ステップＳ１２を行うので、ダイナミックレンジを自動的に拡大することができ、補償光学システム１０の取り扱いをより簡易化できる。

本発明の一側面に係る補償光学システムの対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム、補償光学システム用プログラム、及び補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、前述した実施形態および各変形例では、波面センサ１２のレンズアレイ１２０として、図３に示されたように、複数のレンズ１２４が二次元格子状に配列された形態を例示したが、波面センサ１２のレンズアレイはこのような形態に限られない。例えば、図３０に示されるように、レンズアレイ１２０は、正六角形の複数のレンズ１２８が隙間無く並んだハニカム構造を有していてもよい。また、空間光変調器としては、正六角形の複数の画素が隙間無く並んでいるようなものを用いても良い。また、上述した実施形態は、液晶を用いた空間光変調器を例に説明したが、液晶以外の電気光効果を有する材料を用いた空間光変調器や、画素が微小ミラーで形成されている空間光変調器、あるいは膜ミラーをアクチュエーターで変形させる可変鏡などを用いても良い。

本発明の一側面に係る補償光学システムの対応関係特定方法、波面歪み補償方法、補償光学システム、補償光学システム用プログラム、及び補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体によれば、部品点数の増加および被計測光の損失の増加を抑制しつつ、波面センサの集光スポットと、その位置に基づいて制御されるべき空間光変調器の変調面上の領域との対応関係を正確に特定して、より大きな波面歪みを精度良く補償することが可能となる。

１０…補償光学システム、１１…空間光変調器、１１ａ…変調面、１１ｂ…領域、１２…波面センサ、１３…制御部、１３ａ…記憶領域、１４…ビームスプリッタ、１５，１６…リレーレンズ、１７…制御回路部、１８…光検出素子、１２０…レンズアレイ、１２２…イメージセンサ、１２４…レンズ、Ｂ１…対象領域、Ｌ１…光像、Ｐ…集光スポット。

Claims (13)

1. 二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、前記Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）の集光スポットを含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、前記空間光変調器から変調後の前記光像を受ける波面センサとを備える補償光学システムにおいて、前記空間光変調器の前記領域と、前記波面センサに形成される前記集光スポットとの対応関係を特定する方法であって、
   前記空間光変調器の前記Ｎ個の領域のうちの少なくとも１個の前記領域を対象領域に設定し、前記対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、前記対象領域を囲む複数の前記領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、前記光検出素子により前記光強度分布を取得する、補償光学システムの対応関係特定方法。
2. 前記空間光変調器の前記Ｎ個の領域を１個ずつ前記対象領域に設定しながら、前記光強度分布を取得する、請求項１に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
3. 前記空間光変調器の前記Ｎ個の領域のうち、互いに隣接しない複数の前記領域を前記対象領域に設定し、前記光強度分布を取得する、請求項１に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
4. 前記対象領域に設定する前記複数の領域を変更しながら、前記光強度分布を取得する、請求項３に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
5. 前記空間的に非線形な位相パターンが、位相の大きさの分布が不規則であるランダム分布を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
6. 前記空間的に非線形な位相パターンが、前記集光スポットを拡径するデフォーカス分布を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
7. 前記少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが、略均一な位相分布を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
8. 前記少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが、少なくとも一方向に傾斜した位相分布を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
9. 前記少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが、第１の方向においてシリンドリカルレンズ効果を有し、該第１の方向と交差する第２の方向において略均一である位相分布を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
10. 前記少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンが、第１の方向において回折格子を構成し、該第１の方向と交差する第２の方向において略均一である位相分布を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の補償光学システムの対応関係特定方法。
11. 二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、前記Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）の集光スポットを含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、前記空間光変調器から変調後の前記光像を受ける波面センサとを備える補償光学システムにおいて、前記空間光変調器に表示される位相パターンを、前記光強度分布から得られる前記光像の波面形状に基づいて制御することにより波面歪みを補償する波面歪み補償方法であって、
    前記空間光変調器の前記Ｎ個の領域のうちの少なくとも１個の領域を対象領域に設定し、前記対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、前記対象領域を囲む複数の前記領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、前記光検出素子により前記光強度分布を取得することにより、前記空間光変調器の前記領域と、前記波面センサに形成される前記集光スポットとの対応関係を特定し、
    前記光強度分布に基づいて波面歪みを算出し、
    前記波面歪みを補正するための位相パターンを前記変調面に表示させる、波面歪み補償方法。
12. 二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、
    前記Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）の集光スポットを含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、前記空間光変調器から変調後の前記光像を受ける波面センサと、
    前記空間光変調器に表示される位相パターンを、前記光強度分布から得られる前記光像の波面形状に基づいて制御することにより波面歪みを補償する制御部と、
    を備え、
    前記制御部が、前記空間光変調器の前記Ｎ個の領域のうちの少なくとも１個の前記領域を対象領域に設定し、前記対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、前記対象領域を囲む複数の前記領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、前記光強度分布を取得することにより、前記空間光変調器の前記領域と、前記波面センサに形成される前記集光スポットとの対応関係を特定し、前記光強度分布に基づいて波面歪みを算出し、前記波面歪みを補正するための位相パターンを前記変調面に表示させる、補償光学システム。
13. 二次元状に配列されたＮ個（Ｎは自然数）の領域を含む変調面に入射した光像の位相を空間的に変調する空間光変調器と、前記Ｎ個の領域に各々対応するＮ個のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに該レンズアレイによって形成されたＫ個（Ｋは自然数であり、Ｋ≦Ｎ）の集光スポットを含む光強度分布を検出する光検出素子を有し、前記空間光変調器から変調後の前記光像を受ける波面センサと、前記空間光変調器に表示される位相パターンを、前記光強度分布から得られる前記光像の波面形状に基づいて制御することにより波面歪みを補償する制御部とを備える補償光学システムにおいて、前記制御部の動作を制御するための補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体であって、
    前記補償光学システム用プログラムは、
    前記空間光変調器の前記Ｎ個の領域のうちの少なくとも１個の前記領域を対象領域に設定し、前記対象領域に少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを表示させ、前記対象領域を囲む複数の前記領域に空間的に非線形な位相パターンを表示させた状態で、前記光強度分布を取得することにより、前記空間光変調器の前記領域と、前記波面センサに形成される前記集光スポットとの対応関係を特定する光強度分布取得ステップと、
    前記光強度分布に基づいて波面歪みを算出する波面歪み算出ステップと、
    前記波面歪みを補正するための位相パターンを前記変調面に表示させる表示ステップと、
    を前記制御部に実行させる、
    補償光学システム用プログラムを記憶する記録媒体。