自适应光学系统的对应关系确定方法、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技术领域
本发明的一个方面涉及自适应光学系统的对应关系确定方法、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。
背景技术
专利文献1中记载有一种涉及对光波的波前进行测量的波前传感
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)，并从接收这些光的CCD等受光元件获取图像数据。然
后，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：特开平9-15057号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
自适应光学技术是一种使用波前传感器测量光学的像差(波前畸
变)，并根据其结果控制波前调制元件(空间光调制器)来动态地消除
像差的技术。通过该自适应光学技术，可以提高成像特性、聚光度、
图像SN比、测量精度。以往，自适应光学技术主要用于天体望远镜和
大型激光装置。近年来，自适应光学技术也开始被应用于眼底摄像机、
激光扫描检眼镜、光干涉断层装置和激光显微镜等。使用了这种自适
应光学技术的成像技术，能够以以往无法达到的高分辨率进行观察。
例如，通过将自适应光学技术应用于观察眼睛里面(眼底)的眼底成
像装置，能够消除由眼球产生的像差，能够鲜明地描绘出例如视觉细
胞、神经纤维、毛细血管等眼底微细结构。不只是眼部疾病，也能够
应用于循环器官类疾病的早期诊断。
用于实现上述那样的自适应光学技术的自适应光学系统主要由空
间光调制器、波前传感器和对这些进行控制的控制装置构成。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移，
测量波前(所谓的夏克哈特曼(ShackHartmann)型波前传感器)。
这种自适应光学系统中，准确了解波前传感器的多个透镜和检测
到的多个会聚光斑的对应关系是非常重要的。图22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和多个会聚光
斑P的对应关系的图。如图22(a)所示，在波前W的像差小的情况
下，各会聚光斑P的位置偏移量小，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相对的检测面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
位置即基准位置和在与该基准位置相同的区域104内形成的会聚光斑
P的位置的距离(位置偏移量)，算出该区域的像差。
但是，如图22(b)所示，在波前W的像差大的情况下，产生以
下问题。即，在这种的情况下，会聚光斑P的位置偏移量变大，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相对的区域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22(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相对的区域104的相邻的区域104内。
如图22(b)及图22(c)中示例的那样的状况下，会聚光斑P和
透镜101的对应关系不明确，因此，难以确定应基于该会聚光斑P的
位置进行控制的空间光调制器的调制面上的区域。因此，波前畸变补
偿的精度降低，或可补偿的波前畸变的大小受到限制。例如在眼底成
像装置中应用自适应光学系统的情况下，有时眼球产生的像差在每个
测定对象者中的差异较大，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。在这些的情况下，上述
问题显著。
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，公开了
按每个与各透镜对应的区域将厚度不同的光学板配置于透镜前方的方
式、按每个与各透镜对应的区域将透射率不同的光学板配置于透镜前
方的方式和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，部件数量增加。另外，在通
过光学板等时被测量光产生损耗，因此，波前检测精度可能降低。另
外，即使设置了根据需要可插拔光学板等的机构，也难以调整与透镜
的相对位置，装置也大型化。
本发明的一个方面是鉴于这种问题而完成的，其目的在于，提供
一种自适应光学系统的对应关系确定方法、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，该自适应光学系统的对应关系确定
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增加，同时结构简单，并且能够准确地确定波前
传感器的会聚光斑和应基于该位置进行控制的空间光调制器的调制面
上的区域的对应关系，从而高精度地补偿较大的波前畸变。
解决技术问题的技术手段
为了解决所述技术问题，本发明的一个方面提供一种自适应光学
系统的对应关系确定方法，上述自适应光学系统包括：对入射到包含
排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面上的光学像的相位
进行空间调制的空间光调制器；从空间光调制器接收调制后的光学像
并基于光强度分布测量该光学像的波前形状的波前传感器，该波前传
感器包括由与N个区域分别对应的N个透镜二维状排列而成的透镜阵
列，和对包含由该透镜阵列形成的M个(M为自然数，M≤N)会聚
光斑的光强度分布进行检测的光检测元件，上述自适应光学系统基于
波前形状对显示于空间光调制器的相位图案进行控制来补偿波前畸
变，所述对应关系确定方法在上述自适应光学系统中，在执行波前畸
变的补偿时，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，上述对应关系确定方法包括：第一检测步骤，在使波
前畸变补偿用的相位图案显示在空间光调制器的N个区域中的确定对
象区域的状态下，利用光检测元件检测光强度分布；第二检测步骤，
在第一检测步骤之前或之后，在使空间上非线性的相位图案显示在确
定对象区域的状态下，利用光检测元件检测光强度分布；和第一确定
步骤，基于第一检测步骤与第二检测步骤之间的光强度分布的变化，
确定M个会聚光斑中与确定对象区域对应的会聚光斑。
在上述方法中，在包括空间光调制器和波前传感器的自适应光学
系统中，作为第一检测步骤，在使波前畸变补偿用的相位图案显示在
空间光调制器的确定对象区域的状态下，在波前传感器的光检测元件
中检测光强度分布。该第一检测步骤中，与确定对象区域对应的会聚
光斑形成于光检测元件上的某处位置。另外，在其前或其后，作为第
二检测步骤，在使空间上非线性的相位图案显示在所述确定对象区域
的状态下，在波前传感器的光检测元件中检测光强度分布。在该第二
检测步骤中，光因显示于确定对象区域的非线性的相位图案而扩散，
不形成与确定对象区域对应的会聚光斑，或其光强度变得微弱。
然后，在第一确定步骤中，将在第一检测步骤和第二检测步骤中
分别得到的光强度分布相互比较时，在第一检测步骤中得到的光强度
分布中清晰地存在与确定对象区域对应的会聚光斑，但在第二检测步
骤中得到的光强度分布中不存在与确定对象区域对应的会聚光斑，或
会聚光斑的清晰度与第一检测步骤中的清晰度相比明显变差。因此，
基于第一检测步骤与第二检测步骤之间的光强度分布的变化，能够准
确地确定与确定对象区域对应的会聚光斑。
这样，根据所述的对应关系确定方法，能够准确地确定波前传感
器的会聚光斑与应基于根据该会聚光斑的位置算出的像差进行控制的
空间光调制器的调制面上的区域的对应关系。因此，能够高精度地补
偿较大的波前畸变。另外，根据所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，能够抑
制部件数量的增加，并且能够抑制被测量光的损耗的增加，从而维持
波前检测精度。
另外，自适应光学系统的对应关系确定方法可以还包括：第三检
测步骤，在使波前畸变补偿用的相位图案显示在确定对象区域，并使
空间上非线性的相位图案显示在与确定对象区域不同的另外的确定对
象区域的状态下，利用光检测元件检测光强度分布；和第二确定步骤，
基于第二检测步骤与第三检测步骤之间的光强度分布的变化，确定与
另外的确定对象区域对应的会聚光斑。根据这种方法，能够一边使空
间上非线性的相位图案依次显示于空间光调制器的多个区域，一边有
效地确定各区域与会聚光斑的对应关系。
另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，可以在第一检测
步骤中，使N个区域全部显示波前畸变补偿用的相位图案。这种方法
也能够确定空间光调制器的确定对象区域与会聚光斑的对应关系。
另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，可以基于根据第
二检测步骤中检测的光强度分布得到的波前形状来补偿波前畸变。即，
该方法中，基于在使空间上非线性的相位图案显示在确定对象区域的
状态下测量的波前形状，补偿波前畸变。在该情况下，在确定对象区
域中不显示波前畸变补偿用的相位图案，但通过将确定对象区域限定
在空间光调制器的N个区域中的极少的部分，能够抑制确定对象区域
带来的影响并充分补偿波前畸变。另外，在该情况下，在算出显示于
空间光调制器的相位图案时，也可以使用测量的波前形状中除了与确
定对象区域对应的部分以外的部分。
另外，自适应光学系统的对应关系确定方法中，第二检测步骤中
显示于确定对象区域的空间上非线性的相位图案(即，具有空间上非
线性的相位轮廓的相位图案)也可以包含相位的大小分布不规则的随
机分布。或者，自适应光学系统的对应关系确定方法中，第二检测步
骤中显示于确定对象区域的空间上非线性的相位图案也可以包含将会
聚光斑扩径的散焦分布。通过相位图案包含这些图案中的任意分布，
能够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，也可以将空间光
调制器的N个区域中彼此不相邻的多个区域设定为确定对象区域。由
此，能够一次确定空间光调制器的多个确定对象区域与多个会聚光斑
的对应关系，因此，能够缩短对应关系的确定所需要的时间。
另外，本发明的一个方面提供一种自适应光学系统，包括：对入
射到包含排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面上的光学
像的相位进行空间调制的空间光调制器；从空间光调制器接收调制后
的光学像并基于光强度分布测量该光学像的波前形状的波前传感器，
该波前传感器包括由与N个区域分别对应的N个透镜二维状排列而成
的透镜阵列，和对包含由该透镜阵列形成的M个(M为自然数，M≤N)
会聚光斑的光强度分布进行检测的光检测元件；和基于波前形状对显
示于空间光调制器的相位图案进行控制来补偿波前畸变的控制部，控
制部在执行波前畸变的补偿时，在使波前畸变补偿用的相位图案显示
在空间光调制器的N个区域中的确定对象区域的状态下利用光检测元
件获取第一光强度分布，并且在使空间上非线性的相位图案显示在确
定对象区域的状态下利用光检测元件获取第二光强度分布，基于第一
光强度分布与第二光强度分布之间的变化，确定M个会聚光斑中与确
定对象区域对应的会聚光斑。
根据该自适应光学系统，控制部在使波前畸变补偿用的相位图案
显示在空间光调制器的确定对象区域的状态和使空间上非线性的相位
图案显示在确定对象区域的状态下，分别获取光强度分布。因此，与
前述的对应关系确定方法同样，基于这些光强度分布之间的变化，能
够准确地确定与确定对象区域对应的会聚光斑，且能够提高波前畸变
补偿的精度。另外，不需要追加光学板等新的部件，因此，能够抑制
部件数量的增加，并且能够抑制被测量光的损耗的增加，从而维持波
前检测精度。
另外，一种自适应光学系统用程序，上述自适应光学系统包括：
对入射到包含排列成二维状的N个(N为自然数)区域的调制面上的
光学像的相位进行空间调制的空间光调制器；从空间光调制器接收调
制后的光学像的波前传感器，该波前传感器包括由与N个区域分别对
应的N个透镜二维状排列而成的透镜阵列，和对包含由该透镜阵列形
成的M个(M为自然数，M≤N)会聚光斑的光强度分布进行检测的
光检测元件；基于根据光强度分布得到的光学像的波前形状，对显示
于空间光调制器的相位图案进行控制来补偿波前畸变的控制部，上述
自适应光学系统用程序用于在该自适应光学系统中，在执行波前畸变
的补偿时，使控制部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，该程序使控制部执行以下步骤：第一检测步骤，
在使波前畸变补偿用的相位图案显示在空间光调制器的N个区域中的
确定对象区域的状态下，利用光检测元件检测光强度分布；第二检测
步骤，在第一检测步骤之前或之后，在使空间上非线性的相位图案显
示在确定对象区域的状态下，利用光检测元件检测光强度分布；和第
一确定步骤，基于第一检测步骤与第二检测步骤之间的光强度分布的
变化，确定M个会聚光斑中与确定对象区域对应的会聚光斑。
另外，本发明的一个方面提供一种存储自适应光学系统用程序的
记录介质，上述自适应光学系统包括：对入射到包含排列成二维状的N
个(N为自然数)区域的调制面上的光学像的相位进行空间调制的空
间光调制器；从空间光调制器接收调制后的光学像并基于光强度分布
测量该光学像的波前形状的波前传感器，该波前传感器包括由与N个
区域分别对应的N个透镜二维状排列而成的透镜阵列，和对包含由该
透镜阵列形成的M个(M为自然数，M≤N)会聚光斑的光强度分布
进行检测的光检测元件；基于波前形状对显示于空间光调制器的相位
图案进行控制来补偿波前畸变的控制部，上述自适应光学系统用程序
用于在上述自适应光学系统中，在执行波前畸变的补偿时，使控制部
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，上述自适应光学系统用程序使控制部执行以下步骤：第一检测步
骤，在使波前畸变补偿用的相位图案显示在空间光调制器的N个区域
中的确定对象区域的状态下，利用光检测元件检测光强度分布；第二
检测步骤，在第一检测步骤之前或之后，在使空间上非线性的相位图
案显示在确定对象区域的状态下，利用光检测元件检测光强度分布；
和第一确定步骤，基于第一检测步骤与第二检测步骤之间的光强度分
布的变化，确定M个会聚光斑中与确定对象区域对应的会聚光斑。
该自适应光学系统用程序和存储该程序的记录介质包括与上述对
应关系确定方法相同的第一检测步骤至第一确定步骤。因此，能够准
确地确定与确定对象区域对应的会聚光斑，能够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，能够抑制部件数
量的增加，并且能够抑制被测量光的损耗的增加，从而维持波前检测
精度。
发明效果
根据本发明的一个方面的自适应光学系统的对应关系确定方法、
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
部件数量的增加和被测量光的损耗增加，同时能够准确地确定波前传
感器的会聚光斑和应基于该位置进行控制的空间光调制器的调制面上
的区域的对应关系，从而高精度地补偿较大的波前畸变。
附图说明
图1是概略地表示一个实施方式的自适应光学系统的结构的图。
图2是概略地表示一个实施方式的波前传感器的结构的剖面图，
表示沿着光学像的光轴的剖面。
图3是从光学像的光轴方向观察波前传感器包括的透镜阵列的图。
图4是概略地表示作为一个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面图，表示沿着光学像的光轴的剖面。
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是概念性表示显示于调制面的相位图案的图。
图9是概念性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)的图。
图10是表示一个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是表示在对应关系确定步骤中确定会聚光斑与调制面上的区
域的对应关系的方法的一例的流程图。
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、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、光学像中产
生较大的高阶像差的分布的图。
图17是表示第一变形例的自适应光学系统的控制部的动作和对应
关系确定方法的流程图。
图18是表示第二变形例的波前测量步骤的流程图。
图19是表示自适应光学系统的动作和波前补偿方法的流程图。
图20是表示将确定对象区域一次设定多个的例子的图。
图21是表示透镜阵列的变形例的图。
图22是用于说明具有某个波前的光学像入射于波前传感器时的、
多个透镜与多个会聚光斑的对应关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的一个方面的对应关系确定方
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，对同一要素
标注同一标记，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”是指以基于某一基准将
相位分布(二维的相位值)编码化而得到的结果，“相位轮廓(profile)”
是指沿着相位分布中的某一方向(线)的相位值的分布。
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组装于例如眼科检查装置、激光加工装置、显微镜
装置或自适应光学装置等中。该自适应光学系统10包括：空间光调制
器(SpatialLightModulator：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上接收光学像
L1，将光学像L1的波前形状调制后输出。入射于空间光调制器11的
光学像L1例如是从激光光源或超辐射二极管(SLD)发出的光或从被
照射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
含关于从空间光调制器11到达的光学像L1的波前形状(典型情况下，
因光学系统的像差而出现，表示波前的畸变即波前从基准波前的偏移)
的信息的数据S1提供至控制部13。控制部13基于从波前传感器12
得到的数据S1，生成用于使空间光调制器11显示恰当的相位图案的控
制信号S2。在一个例子中，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算出像差的像差算出部；算出使空间光
调制器11显示的相位图案的相位图案算出部；和根据算出的相位图案
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，将基于该控制信号S2的电压V1施加到空间光调制器11的
多个电极上。
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分束。分束器14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)的分束器中的任意一种。被分束器14分束后
的一个光学像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
(ScanningLaserOphthalmoscope；SLO)、光断层摄影装置(Optical
CoherenceTomography；OCT)、眼底摄像机、显微镜、望远镜等中。
另外，被分束器14分束后的另一个光学像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之间排列
配置在光轴方向上。通过这些中继透镜15、16，波前传感器12与空间
光调制器11彼此保持为光学共轭关系。另外，也可以在波前传感器12
与空间光调制器11之间还配置有光学成像透镜和/或偏转反射镜等。
图2是概略地表示本实施方式的波前传感器12的结构的剖面图，
表示沿着光学像L1的光轴的剖面。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有干涉型和非干涉型，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ShackHartmann型波前传感器。当使用这种非干涉型的波
前传感器12时，与使用干涉型波前传感器12的情况相比，具有耐震
性优异，且能够简化波前传感器的结构及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的后焦点面重合的位置具有受光面122a，检测包含由N个透
镜124形成的M个(M为自然数，M≤N)会聚光斑P的光强度分布。
一般而言，照射于透镜阵列120的光输入至透镜阵列120的一部分透
镜124中，因此，由被照射输入光的透镜124形成会聚光斑P。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M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＝M。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
的偏移的大小，与入射至透镜124的光学像L1的局部的波前的倾斜度
成比例。因此，能够对每个透镜124算出会聚光斑P相对于基准位置
的位置偏移的大小，且基于该会聚光斑P的位置偏移测量光学像L1的
波前形状。
此外，构成图像传感器122的受光面122a的各像素均配置成二维
格子状，且其水平方向及垂直方向与透镜阵列120的水平方向及垂直
方向分别一致。但是，图像传感器122的像素间距比透镜阵列120的
间距充分小，使得能够以高精度检测会聚像位置从基准位置的偏移的
大小。
另外，作为用于计算会聚像位置的偏移大小的基准位置，可以为
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。
该位置通过使用使平行平面波垂直入射于各透镜124而得到的会聚像，
进行重心计算能够容易地求得。
空间光调制器11是接收来自光源或观察对象物的光学像L1，将该
光学像L1的波前调制后输出的元件。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，使各像素的调制量(例如相位调制量)变化。空间光调
制器11有例如LCOS(LiquidCrystalOnSilicon：硅基液晶)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、微小电子机械元件(MicroElectroMechanical
Systems：MEMS，微机电系统)。此外，图1中表示反射型空间光调
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面图，表示沿着光学像L1的光轴的剖面。
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；取向膜116a及116b；电
介质反射镜117；和间隔件(spacer)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配置于与多个像素
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与透明电极115之间。取向膜116a配置在液晶部114与透明电极
115之间，取向膜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配置在取向膜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入射并透过液晶部114的光学像L1反
射，使其再次从透明基板111射出。
另外，空间光调制器11还包括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，从液晶部114的该部分
透射的光学像L1的光程长度发生变化，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，能够以电
方式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10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。接着，由空间光调制器11调制后的光学像L1经过中继透镜15及
16入射到分束器14，被分束成2个光学像。分束后的一个光学像L1
入射到波前传感器12。然后，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，并将数据S1提供至控制部
13。控制部13基于来自波前传感器12的数据S1，根据需要，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输出给空间光调制器11。然后，通
过空间光调制器11补偿后的没有畸变的光学像L1被分束器14分束，
经过未图示的光学系统入射到光检测元件18被拍摄下来。
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。在具备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M个会聚光斑P与应基于M个会聚光斑P的位置偏移
信息分别进行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的正视图。如图6所
示，在调制面11a上设想的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124一对一地对应。
另外，各区域11b中含有多个像素。
以下，详细地说明确定M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。此外，该确定方法例如在控制部13中与波
前畸变补偿动作的执行同时执行。具体而言，该确定方法作为程序存
储于图1所示的控制部13的存储区域13a的内部，控制部13读出并
执行该程序。
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，除了空间光调制器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)之外，还示出中继透镜15和16、向调制面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
射波前传感器12上的光学像的波前W3。另外，图7中示有从调制面
11a上的某个区域11b射出并到达与该区域11b对应的波前传感器12
的透镜124的光学像L1。
假设当前正在执行波前畸变补偿动作，在调制面11a上的全部区
域11b中，显示有波前畸变补偿用的相位图案。此时，从空间光调制
器11射出对入射波前W1附加了与该相位图案相应的波前而得到的波
前W2，经过包含中继透镜15及16的共轭光学系统后的波前W3入射
波前传感器12。
在此，在调制面11a上的某个区域11b(以下称为确定对象区域)
中，代替显示波前畸变补偿用的相位图案，而显示空间上非线性的相
位图案(例如，相位的大小的分布不规则的随机分布或将会聚光斑扩
径的散焦分布等)。于是，出射波前W2中与确定对象区域对应的部
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入射的波前W3中入射至与确定对象区域一对一地对应的
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。
图8是概念性地表示显示在调制面11a上的相位图案的图。图8
中，区域B1是显示波前畸变补偿用的相位图案的区域，区域B2是显
示空间上非线性的相位图案的区域(即确定对象区域)。这样，本实
施方式中，在N个区域11b中的某一个确定对象区域B2内，显示空
间上非线性的相位图案。
图9是概念性表示由波前传感器12的图像传感器122检测到的光
强度分布数据(ShackHartmann)的图。图9(a)表示在调制面11a
的N个区域11b中显示波前畸变补偿用的相位图案时的光强度分布数
据D1，图9(b)表示在N个区域11b中的一个确定对象区域显示空
间上非线性的相位图案，而在其它区域内显示波前畸变补偿用的相位
图案时的光强度分布数据D2。
如图9(a)所示，在N个区域11b中显示波前畸变补偿用的相位
图案的情况下，与各区域11b对应的M个会聚光斑P包含于光强度分
布数据中。另一方面，如图9(b)所示，在一个确定对象区域中显示
空间上非线性的相位图案的情况下，形成与其它(N-1)个区域对应的
会聚光斑P，但不形成与确定对象区域对应的会聚光斑，或即使形成与
确定对象区域对应的会聚光斑，其最大强度也减少(图中的C部分)。
因此，基于从根据图9(a)所示的光强度分布数据D1向图9(b)所
示的光强度分布数据D2的变化(或相反的变化)，能够确定与确定对
象区域对应的会聚光斑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的动作和波前补偿
方法。图10是表示本实施方式的自适应光学系统10的动作和波前补
偿方法的流程图。此外，存储于控制部13的存储区域13a的内部的程
序是使控制部13执行以下方法的自适应光学系统用程序。此外，控制
部13可以以具有CPU、作为主存储装置的RAM及ROM、用于进行
通信的通信模块以及硬盘等辅助存储装置等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插入该计算机并被访问的记录
介质或该计算机具备的记录介质中。作为这种记录介质，对应于例如
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)。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
的确保及参数的初始设定等。
接着，进行波前测量(像差测量)(步骤S12)。该波前测量步骤
S12中，基于由波前传感器12获取的光强度分布数据，控制部13求得
波前形状。在此，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首先获取由波前传感器12的图
像传感器122制作的光强度分布数据(步骤S21，本实施方式中的第一
检测步骤)。如图9(a)所示，该光强度分布数据中，含有由N个透
镜124形成的M个会聚光斑P。接着，控制部13通过计算光强度分布
数据所包含的M个会聚光斑P各自的重心(光强度的一阶矩)，确定
M个会聚光斑P各自的位置坐标(步骤S22)。计算该重心时，也可
以同时进行比规定阈值小的数据值的排除、噪声降低处理等。接着，
算出M个会聚光斑P的评价值(步骤S23)。评价值是指，例如各会
聚光斑P的最大光强度或点径(扩展情况)、光强度的高阶矩、点径
内的最小光强度、点径内的光强度的总和等表示各会聚光斑P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相关的信息用于计算。接着，对每个会聚光斑P算出各会聚光斑P
的位置坐标与基准位置的距离(位置偏移量)(步骤S24)。然后，通
过将在步骤S24中算出的各会聚光斑P的位置偏移量应用于波前方程
式，算出波前畸变(像差)(步骤S25)。
再次参照图10。接着，控制部13进行应使空间光调制器11的调
制面11a显示的波前畸变补偿用的相位图案(控制图案)的计算(步
骤S13)。该步骤S13中，例如，以负反馈控制的算法为基础算出使之
前的波前测量步骤S12中算出的波前畸变(像差)接近零的相位图案。
而且，将与算出的相位图案相应的控制信号S2从控制部13输出至控
制电路部17。控制电路部17将与该控制信号S2相应的控制电压V1
供给至空间光调制器11。
接着，控制部13判断是否进行调制面11a的各区域11b与会聚光
斑P的对应关系的确定(步骤S14)。在进行该对应关系的确定的情况
下(步骤S14：是(Yes))，控制部13进行图12所示的处理(步骤
S15，对应关系确定步骤)。图12是表示对应关系确定步骤S15中确
定会聚光斑P与调制面11a上的区域11b的对应关系的方法的一例的
流程图。
如图12所示，首先，如图8所示，控制部13使空间上非线性的
相位图案显示在调制面11a上的某个确定对象区域中，代替波前畸变
补偿用的相位图案(步骤S31)。接着，控制部13在使空间上非线性
的相位图案显示在确定对象区域的状态下，获取由波前传感器12的图
像传感器122制作的光强度分布数据(步骤S32，本实施方式中的第二
检测步骤)。如图9(b)所示，在没有形成与确定对象区域对应的会
聚光斑的情况下，该光强度分布数据中包含由(N-1)个透镜124形成
的(M-1)个会聚光斑P。此外，即使在以较弱的强度形成与确定对象
区域对应的会聚光斑的情况下，在步骤S23中计算的评价值充分大的
情况下，该光强度分布数据所包含的会聚光斑P的数量成为M个。接
着，控制部13比较第一检测步骤S21中获取的光强度分布数据(例如
图9(a))和第二检测步骤S32中获取的光强度分布数据(例如图9
(b))(步骤S33)。该比较例如只要计算第一检测步骤S21中获取
的光强度分布数据(例如图9(a))和第二检测步骤S32中获取的光
强度分布数据(例如图9(b))之差或比即可。或也可以对各个光强
度分布数据实施步骤S23那样的重心计算，并使用由此算出的会聚光
斑的重心或点径、点径内的光强度的总和等特征量。此外，第一检测
步骤S21中，在包含确定对象区域的N个区域11b中全部显示波前畸
变补偿用的相位图案的状态下获取光强度分布数据，因此，在该光强
度分布数据中含有与确定对象区域对应的会聚光斑P。而且，该比较中，
确定光强度分布数据的光强度或特征量显著变化的会聚光斑P，并将该
会聚光斑P判定为与确定对象区域对应的会聚光斑(步骤S34，本实施
方式的第一确定步骤)。然后，控制部13判断是否需要对调制面11a
上的另外的区域确定与会聚光斑的对应关系(步骤S35)。在需要进行
确定的情况下(步骤S35：是)，控制部13对另外的区域重复进行上
述的步骤S31～S34。在不需要进行确定的情况下(步骤S35：否(No))，
控制部13结束处理。
再次参照图10。控制部13在对应关系确定步骤S15中确定会聚光
斑P与区域11b的对应关系之后，或步骤S14中判断为不需要会聚光
斑P与区域11b的对应关系的确定的情况下，从外部接收是否结束波
前补偿动作的指令信号(步骤S16)。该指令信号由例如操作包含自适
应光学系统10的装置的人输入。而且，在有结束指令的情况下(步骤
S16：是)，经结束处理步骤S17结束。另外，在没有结束指令的情况
下(步骤S16：否)，重复执行上述的步骤S12～S16。此外，结束处
理步骤S17中，进行例如控制部13的存储区域的释放等。
对通过以上说明的本实施方式的自适应光学系统10、其对应关系
确定方法、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，第一检测步骤S21内，使波前畸变补偿用的相位
图案显示在空间光调制器11的确定对象区域的状态下，在波前传感器
12的图像传感器122中检测光强度分布。该第一检测步骤S21中，与
确定对象区域对应的会聚光斑P形成于图像传感器122上的某处位置。
另外，作为第二检测步骤S32，在使空间上非线性的相位图案显示在上
述确定对象区域的状态下，在波前传感器12的图像传感器122中检测
光强度分布。该第二检测步骤S32中，光被显示于确定对象区域的非
线性的相位图案扩散，不形成与确定对象区域对应的会聚光斑P，或其
光强度变得微弱。
然后，第一确定步骤S34中，当将第一检测步骤S21和第二检测
步骤S32中分别得到的光强度分布相互比较时，在第一检测步骤S21
中得到的光强度分布中清晰地存在与确定对象区域对应的会聚光斑P，
但在第二检测步骤S32中得到的光强度分布中不存在与确定对象区域
对应的会聚光斑P，或会聚光斑P的清晰度比第一检测步骤S21中的
清晰度显著变差。因此，可以基于第一检测步骤S21和第二检测步骤
S32之间的光强度分布的变化，准确地确定与确定对象区域对应的会聚
光斑P。
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、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，
能够在执行波前补偿动作时，正确地确定波前传感器12的会聚光斑P
和应基于根据该会聚光斑P的位置算出的像差进行控制的空间光调制
器11的调制面11a上的区域11b的对应关系。因此，能够一边使组装
有自适应光学系统10的装置继续动作，一边高精度地补偿较大的波前
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新
部件，因此，能够抑制部件数量的增加，并且能够抑制光学像L1的损
耗的增加从而维持波前检测精度。
在此，示出步骤S31中显示于调制面11a的“空间上非线性的相
位图案”的例子。图13～图16是表示这种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不规则的随机分布。当这种相位图案显
示于确定对象区域时，该部分的光学像L1扩散，不形成清晰的会聚光
斑P，或最大的光强度减少。另外，图14表示将会聚光斑P扩径的散
焦分布。当这种相位图案显示于确定对象区域时，该部分的光学像L1
不会聚光，相反扩大，因此，不形成清晰的会聚光斑P，或最大的光强
度减少。另外，图15表示光学像L1中产生大的球面像差的分布。也
可以使用产生大的像散或慧形像差的相位图案，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、
慧形像差阶数大的高阶像差的像差的分布。在使图15或图16所示的
相位图案显示于确定对象区域的情况下，也不形成清晰的会聚光斑P。
空间上非线性的相位图案可以包含这些分布中的至少一个分布，或也
可以包含使这些分布中的至少一个分布和线性的相位图案叠加而得到
的合成图案，或也可以包含使这些分布中的至少一个分布和用于对进
行波前测量得到的波前畸变进行补偿的相位图案重叠的合成图案。
另外，作为空间光调制器，可以使用将正六边形的多个像素无间
隙地排列的那样的空间光调制器。另外，上述的实施方式以使用了液
晶的空间光调制器为例进行了说明，但也可以利用使用了液晶以外的
具有光电效应的材料的空间光调制器，或像素由微小的反射镜形成的
空间光调制器，或利用致动器使膜反射镜变形的可变形镜等。
本实施方式中，在第一检测步骤S21之后进行第二检测步骤S32，
但该顺序也可以相反。即，也可以使确定对象区域先显示空间上非线
性的相位图案，在该状态下利用图像传感器122检测光强度分布之后，
使确定对象区域显示波前畸变补偿用的相位图案，在该状态下，利用
图像传感器122检测光强度分布。这种形式也可以同样得到上述效果。
(第一变形例)上述实施方式中，在对应关系确定步骤S15内的
步骤S33中，比较包含全部的M个会聚光斑P的光强度分布(图9(a))
和未形成与确定对象区域对应的会聚光斑P的光强度分布(图9(b))。
但是，步骤S33中，只要比较形成有与确定对象区域对应的会聚光斑P
的光强度分布和未形成与确定对象区域对应的会聚光斑P的光强度分
布即可。因此，在例如为了多个确定对象区域而重复执行步骤S31～S34
的情况下，可以将上次以前的步骤S32中获取的光强度分布用作比较
对象。
图17是表示本变形例的自适应光学系统10的控制部13的动作及
对应关系确定方法的流程图。图17所示的流程图中，与图12的不同
点在于，在步骤S35的分束后具备步骤S36～S40。即，本变形例中，
首先执行步骤S31～S34后，在对另外的区域确定对应关系的情况下(步
骤S35：是)，执行步骤S36～S40。
步骤S36中，控制部13使与步骤S31中选择的确定对象区域不同
的另外的确定对象区域显示空间上非线性的相位图案，代替显示波前
畸变补偿用的相位图案。同时，控制部13使包含步骤S31中选择的确
定对象区域的其他区域11b显示波前畸变补偿用的相位图案，代替显
示空间上非线性的相位图案。
接着，在步骤S37中，控制部13在使上述相位图案显示的状态下，
获取由波前传感器12的图像传感器122制作的光强度分布数据(本变
形例中的第三检测步骤)。然后，控制部13比较第三检测步骤S37中
获取的光强度分布数据和第二检测步骤S32中获取的光强度分布数据
(步骤S38)。控制部13在该比较中确定光强度或点径显著变化的会
聚光斑P，并将该会聚光斑P判定为与上述另外的确定对象区域对应的
会聚光斑(步骤S39，本实施方式中的第二确定步骤)。然后，控制部
13对调制面11a上再另外的确定对象区域判断是否需要确定与会聚光
斑的对应关系(步骤S40)。在需要进行确定的情况下(步骤S40：是)，
控制部13对再另外的确定对象区域重复进行上述的步骤S36～S39。此
外，在重复进行步骤S36～S39时，在步骤S38中也可以比较关于已经
确定完成的确定对象区域在步骤S37中得到的光强度分布数据和关于
要确定的确定对象区域在步骤S37中得到的光强度分布数据。此外，
在不需要进行确定的情况下(步骤S40：否)，控制部13结束处理。
在本变形例中，在上述实施方式的对应关系确定方法的基础上，
还包括第三检测步骤S37和第二确定步骤S38。由此，能够一边使空间
上非线性的相位图案依次显示于空间光调制器11的多个区域11b中，
一边有效地确定各区域11b与会聚光斑P的对应关系。
(第二变形例)在上述实施方式的波前测量步骤S12中，在步骤
S21中获取包含全部的M个会聚光斑P的光强度分布数据(图9(a))，
并使用该光强度分布数据测量波前形状(步骤S22～S25)。但是，在
对应关系确定步骤S15已经进行了一次以上的情况下，也可以在波前
测量步骤S12中，使用对应关系确定步骤S15的第二检测步骤S32中
获取的光强度分布数据，测量波前形状。根据该方法，能够省略波前
测量步骤S12的步骤S21。
图18是表示本变形例的波前测量步骤的流程图。如图18所示，
控制部13首先计算已经执行的对应关系确定步骤S15的第二检测步骤
S32中获取的光强度分布数据(例如参照图9(b))所包含的(M-1)
个会聚光斑P各自的重心，由此，确定N个以下的会聚光斑P各自的
位置坐标(步骤S51)。接着，算出N个以下的会聚光斑P的评价值
(步骤S52)，对每个会聚光斑P算出该会聚光斑P的位置坐标与基
准位置的距离(位置偏移量)(步骤S53)。此外，步骤S52及S53
的详情与上述实施方式同样。然后，通过将步骤S53中算出的各会聚
光斑P的位置偏移量应用于波前方程式，算出波前畸变(像差)(步
骤S54)。
本变形例中，基于根据第二检测步骤S32中检测的光强度分布数
据得到的波前形状，补偿波前畸变。即，本变形例的方法中，基于在
使空间上非线性的相位图案显示在确定对象区域的状态下测量的波前
形状，补偿波前畸变。在该情况下，在确定对象区域中未显示波前畸
变补偿用的相位图案，但通过将确定对象区域限定在空间光调制器11
的N个区域11b中极少的部分，能够抑制确定对象区域带来的影响并
充分补偿波前畸变。另外，本变形例中，在算出使空间光调制器11显
示的相位图案时，可以使用测量到的波前形状中除了与确定对象区域
对应的部分以外的部分。或也可以使用计算得到的波前形状的全部，
在空间光调制器11的确定对象区域中，将空间上非线性的相位图案与
测量到的波前形状合成而构成整体的相位图案。
另外，上述实施方式中，也可以在波前测量步骤S12之外，在确
定对应关系(步骤S15)之后，再次进行图18所示的波前测量步骤。
图19是表示这种情况下的自适应光学系统10的动作和波前补偿方法
的流程图。
图19所示的方法中，首先，与上述实施方式同样，进行初始处理
(步骤S11)、波前测量(步骤S12)及波前畸变补偿用的相位图案的
计算(步骤S13)。接着，控制部13判断是否进行调制面11a的各区
域11b与会聚光斑P的对应关系的确定(步骤S14)。在进行该对应关
系的确定的情况下(步骤S14：是)，控制部13进行对应关系确定步
骤S15(参照图12)之后，进行图18所示的包含步骤S51～S54的第
二波前测量步骤S61。而且，基于该第二波前测量步骤S61中测量的波
前畸变，再次进行波前畸变补偿用的相位图案的计算(步骤S62)。
控制部13在步骤S62中进行波前畸变补偿用的相位图案的计算之
后，或在步骤S14中判断为不需要进行会聚光斑P与区域11b的对应
关系的确定的情况下，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。而且，在有结束指令的情况下(步骤S16：是)，经结束处
理步骤S17而结束。另外，在没有结束指令的情况下(步骤S16：否)，
选择是否执行带对应关系确定的波前畸变补偿(步骤S63)，在不执行
的情况下(步骤S63：否)，切换至上述的步骤S12，在执行的情况下
(步骤S63：是)，切换至上述的步骤S15。
(第三变形例)在上述实施方式中，如图8所示，在调制面11a
上仅设定有一个确定对象区域B2，但确定对象区域B2也可以一次性
设定多个。图20是表示将确定对象区域B2一次性设定多个的例子的
图。此外，图20中，区域B1是显示波前畸变补偿用的相位图案的区
域。如图20所示，本变形例中，将彼此不相邻的多个区域11b设定为
确定对象区域B2，使其显示空间上非线性的相位图案。
根据本变形例，能够一次性确定空间光调制器11的多个确定对象
区域B2与多个会聚光斑P的对应关系，因此，能够缩短对应关系的确
定所需要的时间。此外，也可以为：光学像L1的像差越大，多个确定
对象区域B2间的间隔设定得越长。另外，在第二变形例那样使用对应
关系确定步骤S15中获取的光强度分布数据来测量波前形状的情况下，
确定对象区域B2的数量越少，波前形状的测量精度越提高。
本发明的一个方面的对应关系确定方法、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不限于上
述的实施方式，可以进行其它各种变形。例如，上述的实施方式及各
变形例中，作为波前传感器12的透镜阵列120，如图3所示，示例了
将多个透镜124排列成二维格子状的形式，但波前传感器12的透镜阵
列不限于这种形式。例如，也可以如图21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。
产业上的可利用性
根据本发明的一个方面的自适应光学系统的对应关系确定方法、
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，能够抑制部件数量的增加及被测量光的损耗的增加，
同时能够正确地确定波前传感器的会聚光斑与应基于该会聚光斑的位
置进行控制的空间光调制器的调制面上的区域的对应关系，从而高精
度地补偿较大的波前畸变。
附图标记说明
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、
L1……光学像、P……会聚光斑。