自适应光学系统的调整方法、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的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的一个方面涉及自适应光学系统的调整方法、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】
[0002] 在非专利文献1和2中记载有通过相位测量法来调整自适应光学系统的方法。相 位测量法是一种将已知的相位分布显示在空间光调制器上，然后利用波前传感器测量该相 位分布，通过将其测量结果与已知的相位分布进行对照，使调制面上的坐标与检测面上的 坐标彼此对应的方法。
[0003] 现有技术文献
[0004] 非专利文献
[0005] 非专利文献 I :Abdul Awwal, et al.，"Characterization and Operation of a Liquid Crystal Adaptive OpticsPhoropter'，，Proceedings of SPIE,Volume 5169,ppl04-122(2003)
[0006] 非专利文南犬 2 :Jason Porter, Hope Queener, Julianna Lin, Karen Thorn, and AbdulAwwal "Adaptive Optics for Vision Science'，，Wiley Interscience, Charpter 18,pp496-499(2006)
【发明内容】
[0007] 发明要解决的技术问题
[0008] 自适应光学技术是一种使用波前传感器测量光学像差（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、大型激光器装置。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、光学干涉断层装置、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，通过在用于观察眼睛里面（眼底）的眼底成像装 置中应用自适应光学技术，消除由眼球产生的像差，能够鲜明地描绘出例如视细胞、神经纤 维、毛细血管等眼底精细结构。并且，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。
[0009] 用于实现上述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 器和对它们进行控制的控制装置构成。并且，为了使自适应光学系统正确地工作，完全消除 波前畸变，需要对自适应光学系统进行调整（calibration，校准）。自适应光学系统的校准 主要调整空间光调制器的控制信号与波前传感器的测量信号的对应关系。
[0010] 该对应关系大致分为以下2种。
[0011] (1)空间光调制器的控制信号的大小与波前传感器的测量信号的大小的对应关系
[0012] (2)空间光调制器中的控制点的位置与波前传感器中的测量点的位置的对应关系
[0013] 上述⑴的对应关系能够根据空间光调制器的相位调制特性容易地获得。空间光 调制器的相位调制特性有时也依赖于空间光调制器的使用环境（例如温度或时效变化）， 但大多情况为可忽视的量级。另外，上述（2)的对应关系依赖于空间光调制器与波前传感 器的空间位置关系（主要是在与光轴交叉的面内的位置关系）。
[0014] 在自适应光学系统中，以光的波长以下（例如，亚微米量级）的精度对波前进行控 制。因此，由于搬运时或设置场所的振动，或用于保持波前传感器或空间光调制器的部件的 热变形等，会导致在波前传感器中测量的相位分布与显示在空间光调制器上的补偿用相位 图案之间产生位置偏移。因此，针对上述（2)的调整作业不限于在组装或保养包含自适应 光学系统的装置时进行，优选在即将使用装置前或在多次摄像的空闲期间也进行。因此，要 求容易且高精度地执行上述调整作业的技术手段。
[0015] 但是，在非专利文献1所记载的相位测量法中，需要根据波前传感器的测量结果 计算相位分布，因此，调整的精度依赖于空间光调制器的相位调制精度、波前传感器的相位 测量精度和校准用的光学像的精度，不易稳定地实现高精度。
[0016] 鉴于这些问题点，本发明一个方面的目的在于，提供一种能够在短时间内高精度 地调整波前传感器中测量的相位图案与显示在空间光调制器上的补偿用相位图案的对应 关系的自适应光学系统的调整方法、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。
[0017] 解决问题的技术手段
[0018] 为了解决上述问题，本发明一个方面提供一种自适应光学系统的调整方法，自适 应光学系统包括：对入射到调制面上的光学像的相位进行空间调制的空间光调制器；和从 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多个透镜二维状排 列而成的透镜阵列，和对包含由透镜阵列形成的会聚光斑的光强度分布进行检测的光检测 元件，自适应光学系统基于根据光强度分布得到的光学像的波前形状，对显示在空间光调 制器上的相位图案进行控制来补偿波前畸变，自适应光学系统的调整方法在自适应光学系 统中调整调制面与波前传感器的对应关系，包括：第一光强度分布获取步骤，在使至少一个 方向上具有线性的第一相位图案和空间上非线性的第二相位图案中的一者，显示在调制面 上的要与多个透镜中的一个或彼此邻接的二个以上的透镜对应的第一区域中，并使第一和 第二相位图案中的另一者显示在包围第一区域的第二区域中的状态下，利用光检测元件获 取光强度分布；和调整步骤，基于第一光强度分布获取步骤中得到的光强度分布中包含的 会聚光斑的清晰度，调整调制面与波前传感器的对应关系。
[0019] 另外，自适应光学系统的调整方法可以还包括：在使空间上非线性的相位图案显 示在第一和第二区域中的状态下，利用光检测元件获取光强度分布的第二光强度分布获取 步骤；和差值计算步骤，计算关于第一光强度分布获取步骤中得到的光强度分布中包含的 会聚光斑的清晰度的数值，与关于第二光强度分布获取步骤中得到的光强度分布中包含的 会聚光斑的清晰度的数值的差值，在调整步骤中，代替第一光强度分布获取步骤中得到的 光强度分布中包含的会聚光斑的清晰度，基于差值计算步骤中得到的差值调整调制面与波 前传感器的对应关系。
[0020] 此外，在自适应光学系统的调整方法中，调整步骤中的调制面与波前传感器的对 应关系的调整，可以是显示波前畸变补偿用的相位图案时在调制面上设想的位置坐标与波 前传感器的相对位置关系的调整。或者，在自适应光学系统的调整方法中，调整步骤中的调 制面与波前传感器的对应关系的调整，可以是波前传感器的安装位置与空间光调制器的安 装位置的相对关系的调整。
[0021] 此外，自适应光学系统的调整方法中，多个透镜的排列方向上的第一区域的宽度 可以是多个透镜的排列节距的（ni/M)倍，其中， ηι为自然数，M为调制面与透镜阵列之间的 光学系统的成像倍率。
[0022] 此外，自适应光学系统的调整方法中，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）可以包括相位的大小分布不规则的随机分布和将会聚光 斑扩径的散焦分布中的至少一个。
[0023] 此外，自适应光学系统的调整方法中，至少一个方向上具有线性的相位图案（即， 至少一个方向上的相位轮廓具有非线性的相位图案）可以包括以下相位分布中的至少一 个：大致均匀的相位分布，在至少一个方向上倾斜的相位分布，第一方向上具有柱透镜效应 而与该第一方向交叉（例如，正交）的第二方向上大致均匀的相位分布，和第一方向上构成 衍射光栅而与该第一方向交叉（例如，正交）的第二方向上大致均匀的相位分布。
[0024] 此外，本发明一个方面的自适应光学系统，包括：对入射到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 波前传感器包括由多个透镜二维状排列而成的透镜阵列，和对包含由透镜阵列形成的会聚 光斑的光强度分布进行检测的光检测元件；和基于根据光强度分布得到的光学像的波前形 状，对显示在空间光调制器上的相位图案进行控制来补偿波前畸变的控制部，控制部在使 至少一个方向上具有线性的第一相位图案和空间上非线性的第二相位图案中的一者显示 在调制面上的要与多个透镜中的一个或彼此邻接的二个以上的透镜对应的第一区域中，并 使第一和第二相位图案中的另一者显示在包围第一区域的第二区域中的状态下，利用光检 测元件获取光强度分布，并且，基于该光强度分布中包含的会聚光斑的清晰度，调整调制面 与波前传感器的对应关系。
[0025] 此外，提供一种自适应光学系统用程序，自适应光学系统包括：对入射到调制面上 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多个透镜二维状排列而成的透镜阵列，和对包含由透镜 阵列形成的会聚光斑的光强度分布进行检测的光检测元件；和基于根据光强度分布得到的 光学像的波前形状，对显示在空间光调制器上的相位图案进行控制来补偿波前畸变的控制 部，自适应光学系统用程序在自适应光学系统中控制控制部的动作，使控制部执行以下步 骤：第一光强度分布获取步骤，在使至少一个方向上具有线性的第一相位图案和空间上非 线性的第二相位图案中的一者，显示在调制面上的要与多个透镜中的一个或彼此邻接的二 个以上的透镜对应的第一区域中，并使第一和第二相位图案中的另一者显示在包围第一区 域的第二区域中的状态下，利用光检测元件获取光强度分布；和调整步骤，基于第一光强度 分布获取步骤中得到的光强度分布中包含的会聚光斑的清晰度，调整调制面与波前传感器 的对应关系。
[0026] 本发明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，自适应光学系 统包括：对入射到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多个透镜二维状排列而成的透 镜阵列，和对包含由透镜阵列形成的会聚光斑的光强度分布进行检测的光检测元件；和基 于根据光强度分布得到的光学像的波前形状，对显示在空间光调制器上的相位图案进行控 制来补偿波前畸变的控制部，自适应光学系统用程序在自适应光学系统中控制控制部的动 作，使控制部执行以下步骤：第一光强度分布获取步骤，在使至少一个方向上具有线性的第 一相位图案和空间上非线性的第二相位图案中的一者，显示在调制面上的要与多个透镜中 的一个或彼此邻接的二个以上的透镜对应的第一区域中，并使第一和第二相位图案中的另 一者显示在包围第一区域的第二区域中的状态下，利用光检测元件获取光强度分布；和调 整步骤，基于第一光强度分布获取步骤中得到的光强度分布中包含的会聚光斑的清晰度， 调整调制面与波前传感器的对应关系。
[0027] 发明效果
[0028] 根据本发明一个方面的自适应光学系统的调整方法、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，能够在短时间内高精度地调整波前传感器中测量的相位图 案与显示在空间光调制器上的补偿用相位图案的对应关系。
【附图说明】
[0029] 图1是概略地表不一实施方式的自适应光学系统的结构的图。
[0030] 图2是概略地表不一实施方式的波前传感器的结构的剖视图，表不的是沿着光学 像的光轴截断的截面。
[0031] 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。
[0032] 图4是从光学像的光轴方向观察波前传感器具备的图像传感器的图。
[0033] 图5是作为一实施方式的空间光调制器的一例概略地表不LCOS型空间光调制器 的剖视图，表示的是沿着光学像的光轴截断的截面。
[0034] 图6是空间光调制器的调制面的正视图。
[0035] 图7是用于说明一实施方式的调整方法的原理的概念图。
[0036] 图8是概念性表不显不在调制面上的特殊的相位图案的图。
[0037] 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（Shack Hartmann)的图。
[0038] 图10是将图7的波前传感器附近放大表示的图。
[0039] 图11是将从光轴方向观察的波前部分与透镜的位置关系简化表示的平面图。
[0040] 图12是作为空间上非线性的相位图案之一例表示相位的大小分布为不规则的随 机分布的图。
[0041] 图13是作为空间上非线性的相位图案之一例表示将会聚光斑扩径的散焦分布的 图。
[0042] 图14是作为空间上非线性的相位图案之一例表示使光学像产生较大球面像差的 分布的图。
[0043] 图15是作为空间上非线性的相位图案之一例表示使光学像产生较大高次像差的 分布的图。
[0044] 图16示例在多个区域中各自配置有共同的相位分布（例如散焦分布）的相位图 案。
[0045] 图17示例在多个区域中各自配置有不同的相位分布（例如包含高次像差的相位 分布）的相位图案。
[0046] 图18是作为在至少一个方向上具有线性的相位图案之一例表不了相位值在整个 调制面上大致均匀的相位分布的图。
[0047] 图19是表示控制部的内部结构之一例的框图。
[0048] 图20是表示自适应光学系统的动作和对应关系调整方法的流程图。
[0049] 图21是表示图像传感器上的与某一个透镜相对的矩形区域和与邻接在该透镜周 围的4个透镜相对的矩形区域的图。
[0050] 图22是图21所示的各区域的放大图。
[0051] 图23是表示用于计算会聚光斑的特征量的方法的流程图。
[0052] 图24是作为一实施例表示（a)用于进行校准的特殊的相位图案，（b)第一区域与 对应的透镜产生位置偏移时的光强度分布数据，和（c)对第一区域与对应的透镜进行校准 后的光强度分布数据的图。
[0053] 图25是说明自适应光学系统的调整（校准）的精度较高所带来的优点的图。
[0054] 图26是表示第一变形例的自适应光学系统的调整方法（控制部的动作）的流程 图。
[0055] 图27是表示第一区域的各种大小的例子的图。
[0056] 图28是表示第一方向（例如行方向）上相位值倾斜，而与第一方向交叉（例如， 正交）的第二方向（例如列方向）上相位值大致均匀的相位分布的图。
[0057] 图29是表示第一方向（例如行方向）和第二方向（例如列方向）这两个方向上 相位值均倾斜的相位分布的图。
[0058] 图30是作为在至少一个方向上具有线性的相位图案之一例表