JP6226977B2 - 補償光学システムの角度ずれ検出方法、補償光学システムの結像倍率検出方法、及び補償光学システム - Google Patents

補償光学システムの角度ずれ検出方法、補償光学システムの結像倍率検出方法、及び補償光学システム Download PDF

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Description

本発明の一側面は、補償光学システムの角度ずれ検出方法、補償光学システムの結像倍率検出方法、及び補償光学システムに関するものである。
非特許文献１及び２には、位相計測法により補償光学システムを調整する方法が記載されている。位相計測法は、既知の位相分布を空間光変調器に表示させた上で、この位相分布を波面センサによって計測し、その計測結果と既知の位相分布とを対照することにより、変調面上の座標と検出面上の座標とを相互に対応付ける方法である。
Abdul Awwal, et al., "Characterization and Operation of a Liquid Crystal Adaptive OpticsPhoropter", Proceedings of SPIE, Volume 5169, pp104-122 (2003) Jason Porter, Hope Queener, Julianna Lin, Karen Thorn, and AbdulAwwal "Adaptive Optics for Vision Science", Wiley Interscience, Charpter 18, pp496-499 (2006)
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。
補償光学システムでは、光の波長以下（例えばサブマイクロレベル）の精度で波面を制御する。故に、波面センサや空間光変調器の組立精度や、光学部品及びその固定部品の製造誤差などに起因して、空間光変調器の変調面と波面センサとの間で、光軸周りの角度ずれや結像倍率の変動を生じることがある。このような角度ずれや結像倍率の変動が生じると、空間光変調器における制御点の位置と、波面センサにおける計測点の位置との対応関係が不正確となり、補償光学の精度に影響を及ぼしてしまう。従って、変調面と波面センサとの相対角度および結像倍率を調整するために、変調面と波面センサとの間の角度ずれおよび結像倍率を容易に検出し得ることが望まれる。また、例えば空間光変調器の変調面と波面センサとの間の光学倍率が可変であるような場合にも、変調面と波面センサとの間の結像倍率を容易に検出し得ることが望まれる。
本発明の一側面は、空間光変調器の変調面と波面センサとの間での光軸周りの角度ずれを容易に検出することができる補償光学システムの角度ずれ検出方法及び補償光学システムを提供することを目的とする。また、本発明の一側面は、空間光変調器の変調面と波面センサとの間の結像倍率を容易に検出することができる補償光学システムの結像倍率検出方法、及び補償光学システムを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る補償光学システムの角度ずれ検出方法は、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、複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びにレンズアレイによって形成された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ており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、光強度分布から得られる光像の波面形状に基づいて空間光変調器に表示される位相パターンを制御することにより波面歪みを補償する補償光学システムにおいて、変調面と波面センサとの角度ずれ量を算出する方法である。
そして、第１の角度ずれ検出方法は、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１及び第２の領域を囲む領域に他方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得られた光強度分布に含まれる、第１の領域に対応する集光スポットと第２の領域に対応する集光スポットとを結ぶ直線の傾きに基づいて、変調面と波面センサとの角度ずれ量を求める角度算出ステップとを備える。
また、第２の角度ずれ検出方法は、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第１の光強度分布を取得する第１の光強度分布取得ステップと、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており第１の領域とは別の領域である変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第２の光強度分布を取得する第２の光強度分布取得ステップと、第１の光強度分布に含まれる第１の領域に対応する集光スポットと、第２の光強度分布に含まれる第２の領域に対応する集光スポットとを結ぶ直線の傾きに基づいて、変調面と波面センサとの角度ずれ量を求める角度算出ステップとを備える。
上記第１及び第２の角度ずれ検出方法は、角度算出ステップにより算出された角度ずれ量が小さくなるように、変調面及び波面センサのうち少なくとも一方の光像周りの角度を調整する調整ステップを更に備えてもよい。
また、上記第１及び第２の角度ずれ検出方法では、第１及び第２の領域が互いに隣接する領域であってもよく、或いは、第１及び第２の領域が互いに離間した領域であってもよい。
本発明の一側面に係る補償光学システムの結像倍率検出方法は、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、複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びにレンズアレイによって形成された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ており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、光強度分布から得られる光像の波面形状に基づいて空間光変調器に表示される位相パターンを制御することにより波面歪みを補償する補償光学システムにおいて、変調面と波面センサとの間の結像倍率を算出する方法である。
そして、第１の結像倍率検出方法は、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１及び第２の領域を囲む領域に他方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得られた光強度分布に含まれる、第１の領域に対応する集光スポットと第２の領域に対応する集光スポットとの距離に基づいて、変調面と波面センサとの間の結像倍率を求める倍率算出ステップとを備える。
また、第２の結像倍率検出方法は、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第１の光強度分布を取得する第１の光強度分布取得ステップと、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており第１の領域とは別の領域である変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第２の光強度分布を取得する第２の光強度分布取得ステップと、第１の光強度分布に含まれる第１の領域に対応する集光スポットと、第２の光強度分布に含まれる第２の領域に対応する集光スポットとの距離に基づいて、変調面と波面センサとの間の結像倍率を求める倍率算出ステップとを備える。
上記第１及び第２の結像倍率検出方法は、倍率算出ステップにより算出された結像倍率が所定の結像倍率に近づくように、変調面と波面センサとの間に配置された導光光学系の倍率を調整する調整ステップを更に備えてもよい。
また、上記第１及び第２の結像倍率検出方法は、倍率算出ステップにより算出された結像倍率が所定の結像倍率に近づくように、変調面と波面センサとの光学距離を調整する調整ステップを更に備えてもよい。
また、上記第１及び第２の結像倍率検出方法は、倍率算出ステップにより算出された結像倍率に基づいて、波面歪みを補償するための位相パターンが表示される変調面上の領域の大きさを調整する調整ステップを更に備えてもよい。
また、上記第１及び第２の結像倍率検出方法では、第１及び第２の領域が互いに隣接する領域であってもよく、或いは、第１及び第２の領域が互いに離間した領域であってもよい。
また、本発明の一側面に係る補償光学システムは、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、複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びにレンズアレイによって形成された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ており空間光変調器から変調後の光像を受ける波面センサと、光強度分布から得られる光像の波面形状に基づいて空間光変調器に表示される位相パターンを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。
そして、第１の補償光学システムは、制御部が、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１及び第２の領域を囲む領域に他方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、該光強度分布に含まれる、第１の領域に対応する集光スポットと第２の領域に対応する集光スポットとを結ぶ直線の傾きに基づいて、変調面と波面センサとの角度ずれ量を求める。
また、第２の補償光学システムは、制御部が、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第１の光強度分布を取得し、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており第１の領域とは別の領域である変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第２の光強度分布を取得し、第１の光強度分布に含まれる第１の領域に対応する集光スポットと、第２の光強度分布に含まれる第２の領域に対応する集光スポットとを結ぶ直線の傾きに基づいて、変調面と波面センサとの角度ずれ量を求める。
また、第３の補償光学システムは、制御部が、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１及び第２の領域を囲む領域に他方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、該光強度分布に含まれる、第１の領域に対応する集光スポットと第２の領域に対応する集光スポットとの距離に基づいて、変調面と波面センサとの間の結像倍率を求める。
また、第４の補償光学システムは、制御部が、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第１の光強度分布を取得し、複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており第１の領域とは別の領域である変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、光検出素子により第２の光強度分布を取得し、第１の光強度分布に含まれる第１の領域に対応する集光スポットと、第２の光強度分布に含まれる第２の領域に対応する集光スポットとの距離に基づいて、変調面と波面センサとの間の結像倍率を求める。
本発明の一側面に係る補償光学システムの角度ずれ検出方法及び補償光学システムによれば、空間光変調器の変調面と波面センサとの間での光軸周りの角度ずれを容易に検出することができる。また、本発明の一側面に係る補償光学システムの結像倍率検出方法及び補償光学システムによれば、空間光変調器の変調面と波面センサとの間の結像倍率を容易に検出することができる。
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。 波面センサが備えるイメージセンサ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。 空間光変調器の変調面の正面図である。 一実施形態における調整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特殊な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。 変調面とレンズアレイとの相対関係を概念的に示す図である。 変調面と波面センサとの間の角度ずれに起因する、光強度分布データの集光スポットの位置変化の様子を表す図である。 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、光像に高次収差を含む収差を生じさせる分布を示す図である。 複数の領域毎に共通の位相分布（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。 複数の領域毎に異なる位相分布（例えば高次収差を含む収差を生じさせる位相分布）が配置された位相パターンを例示している。 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。 制御部の内部構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形態に係る角度ずれ検出方法および補償光学システムの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る角度ずれ検出方法および制御部の動作を示すフローチャートである。 第１変形例の位相パターンを概念的に示す図である。 第１変形例の別の位相パターンを概念的に示す図である。 第３実施形態において変調面に表示される、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンを概念的に示す図である。 （ａ）変調面上の各領域とレンズアレイとの相対関係を概念的に示す図であって、変調面と波面センサとの間に角度ずれがない場合、且つ変調面と波面センサとの間に位置ずれがない場合を示している。（ｂ）（ａ）に示された場合における、光強度分布データを示す図である。 （ａ）変調面上の各領域とレンズアレイとの相対関係を概念的に示す図であって、変調面と波面センサとの間に角度ずれ（ずれ量θ）が生じた場合を示している。（ｂ）（ａ）に示された場合における、光強度分布データを示す図である。 （ａ）変調面上の各領域とレンズアレイとの相対関係を概念的に示す図であって、変調面と波面センサとの間に角度ずれ（ずれ量θ）に加えて、光像の光軸に垂直な面内で位置ずれが生じた場合を示している。（ｂ）（ａ）に示された場合における、光強度分布データを示す図である。 第３実施形態による角度ずれ検出方法および制御部の動作を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る結像倍率検出方法および制御部の動作を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る結像倍率検出方法および制御部の動作を示すフローチャートである。 第１及び第２の領域の配置例を示す図である。 第１及び第２の領域の配置例を示す図である。 第１の方向（例えば行方向）において位相値が傾斜しており、第１の方向と交差する第２の方向（例えば列方向）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。 第１の方向（例えば行方向）及び第２の方向（例えば列方向）の双方において位相値が傾斜してい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。 レンズアレイの変形例を示す図である。 第１及び第２の領域の大きさを可変とする場合の一例を示す図である。
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角度ずれ検出方法、補償光学システムの結像倍率検出方法、及び補償光学システム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Ｌａを受け、光像Ｌａ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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａは、波面センサ１２に入射する。
リレーレンズ１５及び１６は、空間光変調器１１と波面センサ１２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、空間光変調器１１と波面センサ１２とが、互いに光学的な共役関係に保たれる。なお、空間光変調器１１と波面センサ１２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Ｌａの光軸に沿った断面を示している。図３は、波面センサ１２が備えるレンズアレイ１２０を光像Ｌａの光軸方向から見た図である。図４は、波面センサ１２が備えるイメージセンサ（光検出素子）１２２を光像Ｌａ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４以上の整数）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Ｎ個の集光スポットＰを含む光強度分布を検出する。図４に示されるように、イメージセンサ１２２は、Ｍａ行Ｍｂ列（Ｍａ，Ｍｂは２以上の整数）の二次元格子状に配列された複数の画素１２２ｂを含んで構成されている。イメージセンサ１２２の画素１２２ｂの配列ピッチは、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１２４の配列ピッチよりも十分に小さくなっている。
後述する制御部１３では、イメージセンサ１２２によって検出された光強度分布に基づいて、光像Ｌａ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Ｌａ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Ｌａの波面形状を計測することができる。
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Ｌａを受け、その光像Ｌａ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−ＳＬＭ（Liquid Crystal On Silicon Spatial Light Modulator）、ＰＰＭ（ProgramablePhase Modulator）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、微小電気機械素子（Micro Electro Mechanical Systems；ＭＥＭＳ）、或いは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、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５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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａの光路長が変化し、ひいては、光像Ｌａ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。
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は、Ｐａ行Ｐｂ列（Ｐａ，Ｐｂは２以上の整数）の二次元格子状に配列された複数の画素１１ｂを含んで構成されている。なお、複数の画素１１ｂそれぞれは、複数の画素電極１１３それぞれによって構成される。
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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａ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Ｌａの波面形状（位相分布）を算出し、光像Ｌａ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Ｌａ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、空間光変調器１１の変調面１１ａ、および波面センサ１２の検出面における座標系を次のように設定する。すなわち、空間光変調器１１の変調面１１ａに平行であり且つ互いに直交する二方向を該変調面１１ａにおけるｘ軸方向およびｙ軸方向とし、波面センサ１２の検出面に対して平行であり且つ互いに直交する二方向を該検出面におけるｘ軸方向およびｙ軸方向とする。但し、空間光変調器１１の変調面１１ａにおけるｘ軸と、波面センサ１２の検出面におけるｘ軸とは互いに逆向きであり、空間光変調器１１の変調面１１ａにおけるｙ軸と、波面センサ１２の検出面におけるｙ軸とは互いに逆向きである。また、空間光変調器１１の変調面１１ａの中心を変調面１１ａにおける座標系の原点とし、変調面１１ａの中心を波面センサ１２の検出面に写像して得られる点を検出面における座標系の原点とする。
このとき、空間光変調器１１の変調面１１ａ上の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）における波面の位相は、波面センサ１２の検出面上の位置（Ｘｃ，Ｙｃ）における波面の位相に一対一で写像されることとなり、変調面１１ａと検出面との間に光軸周りの角度ずれがない場合、これらの関係は次式（１）で表される。
但し、Ｍはリレーレンズ１５，１６の倍率である。なお、数式（１）に含まれる倍率Ｍは、既知であることが多い。
しかしながら、運搬時や設置場所での振動、或いは、波面センサや空間光変調器を保持する部材の熱による変形などに起因して、変調面１１ａと波面センサ１２の検出面との間で、光軸周りの角度ずれを生じることがある。本実施形態に係る補償光学システムの角度ずれ調整方法では、調整のための特殊な位相パターンを空間光変調器１１に表示させ、波面センサ１２においてその位相パターンにより生じる特徴を検出することで、波面センサ１２と変調面１１ａとの間の角度ずれ量を取得する。そして、必要に応じ、その角度ずれ量に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との角度調整を行う。
以下、変調面１１ａと波面センサ１２との間の角度ずれ量の検出方法について詳細に説明する。なお、この検出方法は、図１に示された制御部１３の記憶領域１３ａの内部に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ことにより行われる。
図７は、本実施形態による検出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、空間光変調器１１に表示されている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、一つのレンズ１２４に対応する変調面１１ａ上の領域から出射して、該レンズ１２４に達する光像Ｌａが示されている。
ここで、図８は、変調面１１ａに表示される特殊な位相パターンを概念的に示す図である。図８に示されるように、一つのレンズ１２４に対応する大きさを有する変調面１１ａ上の第１の領域Ｂ１と、第１の領域Ｂ１から離間しており他の一つのレンズ１２４に対応する大きさを有する変調面１１ａ上の第２の領域Ｂ２とに、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンを表示させる。第１の位相パターンは、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、第１の位相パターンは、或る第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、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上の第１の領域Ｂ１および第２の領域Ｂ２を囲む領域Ｂ３に、空間的に非線形な第２の位相パターン（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のうち領域Ｂ３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、領域Ｂ３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、スポットの最大輝度が低減したものか、スポット径が拡がったものとなる。すなわち、領域Ｂ３に対応する集光スポットは、明瞭さが低下したものしか形成できない。
一方、波面Ｗ２，Ｗ３における第１及び第２の領域Ｂ１，Ｂ２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第１の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、領域Ｂ１，Ｂ２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、領域Ｂ３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個のレンズ１２４に対応するＮ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、領域Ｂ１，Ｂ２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、領域Ｂ３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、領域Ｂ１，Ｂ２に各々対応する２個の集光スポットＰは光強度分布データに含まれるが、領域Ｂ３に対応する集光スポットは、形成されないか、或いは、スポットの最大輝度が低減したものか、スポット径が拡がったものとなる。すなわち、領域Ｂ３に対応する集光スポットは、明瞭さが低下したものしか形成できない。
ここで、図１０は、変調面１１ａとレンズアレイ１２０との相対関係を概念的に示す図である。図１０（ａ）は、変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれがない場合、すなわち変調面１１ａの配列方向とレンズ１２４（図中に破線で表示）の配列方向とが揃っている場合を示している。この場合、変調面１１ａにおけるＮ個の領域１１ｃ（図中に太線で表示）が、Ｎ個のレンズ１２４にそれぞれ対応する。なお、各領域１１ｃには複数の画素１１ｂが含まれている。
これに対し、変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれが生じると、図１０（ｂ）に示されるように、変調面１１ａのＮ個の領域１１ｃと、Ｎ個のレンズ１２４との相対位置にずれが生じる。そして、角度ずれの中心から離れた領域１１ｃからの光像Ｌａは、該領域１１ｃに対応するレンズ１２４とは異なる他のレンズ１２４に入射することとなる。
図９（ａ）に示された光強度分布データＤ１は、このような角度ずれによって、次のように変化する。図１１は、変調面１１ａと波面センサ１２との間の角度ずれに起因する、光強度分布データＤ１の集光スポットＰの位置変化の様子を表す図である。変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれがない場合には、領域Ｂ１，Ｂ２にそれぞれ対応する２つの集光スポットＰ１が、所定の位置に形成される。しかし、変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれが生じていると、図１１に示されるように、領域Ｂ１，Ｂ２にそれぞれ対応する２つの集光スポットＰ２は、上記の集光スポットＰ１とは異なる位置に形成される。
そして、２つの集光スポットＰ２の相対位置関係は、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量により一義的に定まる。具体的には、２つの集光スポットＰ１を結ぶ線分Ｌ１と、２つの集光スポットＰ２を結ぶ線分Ｌ２との成す角θは、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量と一致する。このことから、光強度分布データＤ１に含まれる、領域Ｂ１に対応する集光スポットＰと領域Ｂ２に対応する集光スポットＰとの相対位置関係を調べることにより、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量θを知ることができる。なお、角度ずれ量θは、次の数式（２）によって算出される。
ここで、図８の領域Ｂ３に表示される「空間的に非線形な第２の位相パターン」の例を示す。図１２〜図１５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１２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。なお、図１２には、行方向および列方向のそれぞれの一箇所における位相変調量のグラフが併せて例示されている。このような位相パターンが領域Ｂ３に表示されると、当該部分の光像Ｌａが拡散し、明瞭な集光スポットＰが形成されなくなる。図１３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。図１３にも、行方向および列方向のそれぞれの一箇所における位相変調量のグラフが併せて例示されている。このような位相パターンが領域Ｂ３に表示されると、当該部分の光像Ｌａ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。図１４は、光像Ｌａに大きな球面収差を生じさせる分布を示している。図１５は、光像Ｌａに大きな高次収差を生じさせる分布を示している。図１４や図１５に示された位相パターンが領域Ｂ３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。空間的に非線形な第２の位相パターンは、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。
また、領域Ｂ３に表示される非線形な位相パターンは、領域Ｂ３を分割して成る複数の領域毎に共通の位相分布を含んでもよく、また、領域Ｂ３を分割して成る複数の領域毎に異なる位相分布を含んでもよい。図１６は、領域Ｂ３を分割して成る複数の領域毎に共通の位相分布（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１７は、領域Ｂ３を分割して成る複数の領域毎に異なる位相分布（例えば高次収差を含む収差を生じさせる位相分布）が配置された位相パターンを例示している。
図８の領域Ｂ１，Ｂ２に表示される「少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターン」は、例えば変調面１１ａの全面に亘って位相値が略均一な位相分布によって実現される。図１８は、そのような位相パターンを示す図であって、図１２〜図１７と同様に、位相の大きさが明暗によって示されている。図１８に示されたような位相パターンが領域Ｂ１，Ｂ２に表示されると、当該部分の光像Ｌａ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。
図１９は、本実施形態の制御部１３の内部構成の一例を示すブロック図である。制御部１３は、パターン作成部１３ｂと、計算処理部１３ｃとを含んで構成されることができる。なお、パターン作成部１３ｂ及び計算処理部１３ｃは、図１に示された制御部１３の記憶領域１３ａの内部に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ことにより実現される。
パターン作成部１３ｂは、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターン、すなわち領域Ｂ１〜Ｂ３を含む位相パターンを作成する。なお、この位相パターンは、パターン作成部１３ｂから制御信号Ｓ２として制御回路部１７に送られる。
ここで、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンＰＡは例えば次の数式（３）によって表される。
但し、ａは或る定数であり、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンの一例である。また、ｒａｎｄ（）はランダム関数であり、空間的に非線形な第２の位相パターンの一例である。（ｎ，ｍ）は、変調面１１ａ上の画素単位での座標を表す。ＲＯＩは、領域Ｂ１，Ｂ２を表す記号として定義される。
前述したように、本実施形態における領域Ｂ１，Ｂ２は、各々一つのレンズ１２４に対応する大きさを有する。レンズアレイ１２０において、複数のレンズ１２４が図３に示されたように二次元格子状に配列されている場合、領域Ｂ１，Ｂ２の形状は正方形となる。したがって、先の数式（３）は、次の数式（４）のように変形可能である。
但し、（ｘｃ１，ｙｃ１）は領域Ｂ１の中心座標であり、（ｘｃ２，ｙｃ２）は領域Ｂ２の中心座標であり、ｗは領域Ｂ１，Ｂ２の一辺の画素数であり、ａ’は定数ａと同一の定数か、或いは異なる定数である。なお、変調面１１ａにおける画素１１ｂの配列ピッチをｓｌｍＰＩＴＣＨとし、レンズアレイ１２０におけるレンズ１２４の配列ピッチをｍｌａＰＩＴＣＨとし、変調面１１ａとレンズアレイ１２０のレンズ面との間の光学系の結像倍率をＭとすると、領域Ｂ１，Ｂ２の一辺の画素数ｗは次の数式（５）によって表される。
言い換えれば、複数のレンズ１２４の配列方向における領域Ｂ１，Ｂ２の幅（＝ｗ×ｓｌｍＰＩＴＣＨ）は、複数のレンズ１２４の配列ピッチｍｌａＰＩＴＣＨの（１／Ｍ）倍である。
計算処理部１３ｃは、上述した位相パターンＰＡが変調面１１ａに各々表示されているときに、波面センサ１２から出力される光強度分布データＳ１を取得する。計算処理部１３ｃは、光強度分布データＳ１に含まれる各集光スポットＰの重心位置を、後述するアルゴリズムに従って算出する。そして、計算処理部１３ｃは、領域Ｂ１に対応する集光スポットＰの重心位置と、領域Ｂ２に対応する集光スポットＰの重心位置とに基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量を算出する。
以上に説明した、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量の検出を含む、補償光学システム１０の動作について図２０を参照しつつ説明する。図２０は、本実施形態の補償光学システム１０の動作および角度ずれ検出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の内部にこの角度ずれ検出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。
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。また、このステップＳ１１では、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンＰＡの初期化処理として、領域Ｂ１，Ｂ２の中心を、変調面１１ａの任意の画素に指定してもよい。
次に、制御部１３は、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンＰＡを作成し、変調面１１ａに表示させる（ステップＳ１２）。このステップＳ１２では、レンズアレイ１２０の複数のレンズ１２４のうち２つのレンズ１２４にそれぞれ対応する変調面１１ａ上の領域Ｂ１及びＢ２に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン（例えば図１８を参照）を表示させ、領域Ｂ１及びＢ２を囲む領域Ｂ３に、空間的に非線形な位相パターン（例えば図１２〜図１５を参照）を表示させる。
続いて、制御部１３は、上記の位相パターンＰＡを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により光強度分布データ（以下、この光強度分布データをＤＡとする）を取得する（ステップＳ１３、光強度分布取得ステップ）。
続いて、制御部１３は、光強度分布データＤＡに含まれる２つの集光スポットＰの重心を計算することによって、各集光スポットＰの位置座標を特定する（ステップＳ１４）。集光スポットＰの位置座標（ｘｐ，ｙｐ）は、次の数式（６）によって表される。なお、Ａｉｊは光強度分布データＤＡの座標（ｉ，ｊ）における光強度であり、Ｒ０は、イメージセンサ１２２において集光スポットＰが存在し得る計算対象領域である。
なお、重心計算前に、光強度分布データＤＡにおいて、閾値やノイズ低減などの処理を行ってもよい。
続いて、制御部１３は、ステップＳ１４により算出された２つの集光スポットＰの位置座標の相対関係に基づいて、図１１に示された原理により、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量を算出する（ステップＳ１５、角度算出ステップ）。
その後、制御部１３は、ステップＳ１５により算出された角度ずれ量が小さくなるように、変調面１１ａ及び波面センサ１２のうち少なくとも一方の光像Ｌａ周りの角度を調整してもよい（ステップＳ１６、調整ステップ）。この調整は、例えば、空間光変調器１１の取り付け角度、および波面センサ１２の取り付け角度のうち一方若しくは双方を調整することにより行われる。また、通常は、この角度調整によって領域Ｂ１，Ｂ２と２つの集光スポットＰとの対応関係が無くなるので、上記ステップＳ１２〜Ｓ１６を繰り返し行ってもよい。ステップＳ１５において算出される角度ずれ量がほぼゼロになれば、角度調整が完了する。
以上に説明した、本実施形態による補償光学システム１０の角度ずれ検出方法、および補償光学システム１０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Ｓ１３において、空間光変調器１１の領域Ｂ１，Ｂ２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、領域Ｂ１及びＢ２を囲む領域Ｂ３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により光強度分布データＤＡを取得する。この光強度分布データＤＡでは、領域Ｂ１，Ｂ２に対応する集光スポットＰが形成されるが、これらの集光スポットＰの相対位置関係は、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量に応じて変動する。したがって、領域Ｂ１，Ｂ２に対応する集光スポットＰの相対位置関係に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量を検出することができる。
また、本実施形態では、角度ずれ量の検出のための特別な部品や構造を必要とせず、制御部１３の動作のみによって角度ずれ量を容易に且つ短時間で検出することができる。なお、前述した非特許文献２に記載された方法では、位相パターンの構造が複雑であり、その作成は容易ではない。これに対し、本実施形態では、単純な位相パターンから成る領域Ｂ１〜Ｂ３を位相パターンＰＡが含めばよく、位相パターンの構造が簡易であり、制御部１３による位相パターンの作成も容易である。また、非特許文献２に記載された方法では、波面センサ１２から出力された光強度分布データに基づいて、全体的な波面形状を算出する必要がある。これに対し、本実施形態では光強度分布データの一部のみに基づいて角度ずれ量の検出を行うことができるので、計算処理が容易となる。
以上に述べたように、本実施形態の角度ずれ検出方法および補償光学システム１０によれば、変調面１１ａと波面センサ１２との間での光軸周りの角度ずれ量を容易に検出し、角度調整を行うことができる。
なお、本実施形態では波面部分Ａ４（図７を参照）の大きさがレンズ１２４の径と一致するように、領域Ｂ１，Ｂ２の大きさを設定している（数式（５）を参照）。しかしながら、領域Ｂ１，Ｂ２の大きさはこれに限られず、例えば波面部分Ａ４の一辺の長さがレンズ１２４の径のｎ１倍（ｎ１は自然数）となるように設定されてもよい。この場合、変調面１１ａにおける画素１１ｂの配列ピッチをｓｌｍＰＩＴＣＨとし、レンズアレイ１２０におけるレンズ１２４の配列ピッチをｍｌａＰＩＴＣＨとし、変調面１１ａとレンズアレイ１２０のレンズ面との間の光学系の結像倍率をＭとすると、領域Ｂ１，Ｂ２の一辺の画素数ｗは次の数式（７）によって表される。
言い換えれば、複数のレンズ１２４の配列方向における領域Ｂ１，Ｂ２の幅（＝ｗ×ｓｌｍＰＩＴＣＨ）は、複数のレンズ１２４の配列ピッチｍｌａＰＩＴＣＨの（ｎ１／Ｍ）倍であることができる。
（第２の実施形態）
上述した第１実施形態では、光強度分布取得ステップＳ１３において、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンを領域Ｂ１及びＢ２に表示させた状態で、光強度分布データＤＡを取得している。しかしながら、領域Ｂ１及びＢ２に表示される第１の位相パターンは必ずしも同時に表示される必要はなく、上記実施形態は以下のような変形が可能である。
図２１は、第２実施形態に係る角度ずれ検出方法および制御部１３の動作を示すフローチャートである。本実施形態と上記第１実施形態との相違点は、図２０に示されたステップＳ１２及びＳ１３に代えて、ステップＳ２１〜２４を備える点である。なお、他のステップについては上記第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
ステップＳ２１では、制御部１３が、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンＰＢを作成し、変調面１１ａに表示させる。図２２は、本変形例の位相パターンＰＢを概念的に示す図である。図２２に示されるように、位相パターンＰＢでは、変調面１１ａ上の第１の領域Ｂ１に、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターン（例えば図１８を参照）を表示させる。また、これと同時に、変調面１１ａ上の第１の領域Ｂ１を囲む領域Ｂ４に、空間的に非線形な第２の位相パターン（例えば図１２〜図１５を参照）を表示させる。
続いて、ステップＳ２２では、制御部１３が、上記の位相パターンＰＢを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により第１の光強度分布データ（以下、この光強度分布データをＤＢとする）を取得する（第１の光強度分布取得ステップ）。この第１の光強度分布データＤＢには、領域Ｂ１に対応する集光スポットＰが含まれる。
続いて、ステップＳ２３では、制御部１３が、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンＰＣを作成し、変調面１１ａに表示させる。図２３は、本変形例の位相パターンＰＣを概念的に示す図である。図２３に示されるように、位相パターンＰＣでは、変調面１１ａ上の第２の領域Ｂ２に、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターン（例えば図１８を参照）を表示させる。また、これと同時に、変調面１１ａ上の第２の領域Ｂ２を囲む領域Ｂ５に、空間的に非線形な第２の位相パターン（例えば図１２〜図１５を参照）を表示させる。
続いて、ステップＳ２４では、制御部１３が、上記の位相パターンＰＣを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により第２の光強度分布データ（以下、この光強度分布データをＤＣとする）を取得する（第２の光強度分布取得ステップ）。この第２の光強度分布データＤＣには、領域Ｂ２に対応する集光スポットＰが含まれる。
その後、制御部１３は、ステップＳ２１〜Ｓ２４によって得られた２つの光強度分布データＤＢ及びＤＣにそれぞれ含まれる集光スポットＰの位置座標を特定し（ステップＳ１４）、その相対位置関係に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量を算出する（角度算出ステップＳ１５）。なお、本実施形態においても、制御部１３は、ステップＳ１５により算出された角度ずれ量が小さくなるように、変調面１１ａ及び波面センサ１２のうち少なくとも一方の光像Ｌａ周りの角度を調整してもよい（調整ステップＳ１６）。
本実施形態のように、第１の領域Ｂ１に対応する集光スポットＰを含む第１の光強度分布データＤＢと、第２の領域Ｂ２に対応する集光スポットＰを含む第２の光強度分布データＤＣとを順に取得し、これらの光強度分布データＤＢ，ＤＣから２つの集光スポットＰの相対位置関係を求めても良い。このような方法であっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第３の実施の形態）
上述した第１及び第２の実施形態では、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンを２つの領域Ｂ１及びＢ２に表示し、これらに対応する集光スポットＰの相対位置関係に基づいて角度ずれ量を求めている。本発明の一側面に係る角度ずれ検出方法および補償光学システム１０は、以下に説明する方法であっても角度ずれ量を求めることができる。なお、制御部１３の動作を除く補償光学システム１０の構成は、上記第１実施形態と同様である。
図２４は、本実施形態において変調面１１ａに表示される、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンＰＤを概念的に示す図である。図２４に示されるように、この位相パターンＰＤは、或る方向に一列に配置された、互いに隣接する３つの領域Ｂ６〜Ｂ８を含んでいる。また、この位相パターンＰＤは、領域Ｂ６〜Ｂ８を囲む領域Ｂ９を含んでいる。なお、各領域Ｂ６〜Ｂ８の一辺の長さは、前述した第１及び第２の実施形態の領域Ｂ１，Ｂ２と同様である。
図２５（ａ）は、領域Ｂ６〜Ｂ８とレンズアレイ１２０との相対関係を概念的に示す図であって、変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれがない場合、且つ変調面１１ａと波面センサ１２との間に位置ずれがない場合を示している。また、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示された場合における、光強度分布データＤＤを示す図である。なお、これらの図において、矢印Ａｎは変調面１１ａの行方向を示し、矢印Ａｍは変調面１１ａの列方向を示す。図２５（ｂ）に示されるように、変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれ及び位置ずれがない場合には、光強度分布データＤＤにおいて、各領域Ｂ６〜Ｂ８に対応する集光スポットＰが明瞭に現れる。なお、本実施形態の図において、明瞭な集光スポットＰは黒丸で示される。
これに対し、図２６（ａ）は、変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれ（ずれ量θ）が生じた場合を示している。この場合、図２６（ｂ）に示されるように、光強度分布データＤＤでは、回転中心に位置する領域Ｂ７に対応する集光スポットＰの明瞭さは変わらないが、その上下に位置する領域Ｂ６，Ｂ８に対応する集光スポットＰの明瞭さが低下する。また、領域Ｂ６，Ｂ８に対応するレンズ１２４に対して角度ずれの方向に隣接するレンズ１２４にも光が入射するため、これらのレンズ１２４によって微弱な集光スポットＰが形成される。なお、本実施形態の図において、明瞭さが若干低下した集光スポットＰは白丸で示され、微弱な集光スポットＰは破線で示される。従って、これらの集光スポットＰの相対位置関係および明瞭さに基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との間の角度ずれ量θを検出することができる。
更に、図２７（ａ）は、変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれ（ずれ量θ）に加えて、光像Ｌａの光軸に垂直な面内で位置ずれが生じた場合を示している。この場合、図２７（ｂ）に示されるように、中央の領域Ｂ７も所定の位置からずれるため、領域Ｂ７に対応する集光スポットＰの明瞭さも低下する。また、領域Ｂ６〜Ｂ８の位置ずれの方向に存在するレンズ１２４にも光が入射するため、それらのレンズ１２４によって複数の微弱な集光スポットＰが形成される。このような光強度分布データＤＤに基づいて変調面１１ａと波面センサ１２との相対位置の調整を行い、その後に、変調面１１ａと波面センサ１２との間の角度調整を行うことができる。
図２８は、本実施形態による角度ずれ検出方法および制御部１３の動作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の内部にこの角度ずれ検出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。
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Ｓ３１）。なお、このステップＳ３１の詳細は、前述した第１実施形態のステップＳ１１と同様である。
次に、制御部１３は、角度ずれ量の検出のための特殊な位相パターンＰＤを作成し、変調面１１ａに表示させる（ステップＳ３２）。このステップＳ３２では、レンズアレイ１２０の複数のレンズ１２４のうち一列に並ぶ３つのレンズ１２４にそれぞれ対応する変調面１１ａ上の領域Ｂ６〜Ｂ８に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン（例えば図１８を参照）を表示させ、領域Ｂ６〜Ｂ８を囲む領域Ｂ９に、空間的に非線形な位相パターン（例えば図１２〜図１５を参照）を表示させる。
続いて、制御部１３は、上記の位相パターンＰＤを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により光強度分布データＤＤを取得する（ステップＳ３３）。通常、このときは変調面１１ａと波面センサ１２との間に角度ずれ及び位置ずれの双方が生じているので、光強度分布データＤＤは図２７（ｂ）のようになる。そして、制御部１３は、光強度分布データＤＤの領域Ｂ６〜Ｂ８のいずれか（例えば、中央の領域Ｂ７）に対応する集光スポットＰが明瞭になるように、変調面１１ａと波面センサ１２との位置ずれを調整する（ステップＳ３４）。なお、この位置ずれの調整は、波面センサ１２の取り付け位置と、空間光変調器１１の取り付け位置との相対関係の調整により行われる。或いは、位相パターンＰＤを表示する際に変調面１１ａ上に想定される位置座標と、波面センサ１２との相対位置関係の調整により行われてもよい。
続いて、制御部１３は、上記の位相パターンＰＤを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により光強度分布データＤＤを取得する（ステップＳ３５、光強度分布取得ステップ）。前述したステップＳ３４において変調面１１ａと波面センサ１２との位置ずれが既に調整されているので、このときの光強度分布データＤＤは図２６（ｂ）のようになる。そして、制御部１３は、光強度分布データＤＤに含まれる、領域Ｂ６に対応する複数の集光スポットＰの位置座標および明瞭さと、領域Ｂ８に対応する複数の集光スポットＰの位置座標および明瞭さとの相対関係に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量θを求める（ステップＳ３６、角度算出ステップ）。
続いて、制御部１３は、ステップＳ３６において得られた角度ずれ量θが小さくなるように、変調面１１ａ及び波面センサ１２のうち少なくとも一方の光像Ｌａ周りの角度を調整する（ステップＳ３７、調整ステップ）。言い換えれば、領域Ｂ６，Ｂ８に各々対応する２つの集光スポットＰの明瞭さが増し、領域Ｂ６，Ｂ８に対応する各集光スポットＰと隣合う微弱な集光スポットＰが更に小さくなるように、これらの角度を調整する。この調整は、例えば、空間光変調器１１の取り付け角度、および波面センサ１２の取り付け角度のうち一方若しくは双方を調整することにより行われる。
通常は、ステップＳ３７の角度調整によって変調面１１ａと波面センサ１２との間に位置ずれが生じる。従って、上記ステップＳ３３〜Ｓ３７を所定の終了条件を満たすまで繰り返し行う（ステップＳ３８）。或いは、位相パターンＰＤを表示する際に変調面１１ａ上に想定される位置座標を調整する場合は、上記ステップＳ３２〜Ｓ３７を所定の終了条件を満たすまで繰り返し行う（ステップＳ３８）。変調面１１ａと波面センサ１２との位置ずれ及び角度ずれがほぼゼロになれば（図２５（ｂ）を参照）、調整が完了する。
以上に説明した、本実施形態による補償光学システム１０の角度ずれ検出方法、および補償光学システム１０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Ｓ３５において、空間光変調器１１の領域Ｂ６〜Ｂ８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、領域Ｂ６〜Ｂ８を囲む領域Ｂ９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により光強度分布データＤＤを取得する。この光強度分布データＤＤでは、領域Ｂ６〜Ｂ８に対応する集光スポットＰが形成されるが、これらの集光スポットＰ（特に、領域Ｂ６，Ｂ８に対応する集光スポットＰ）の相対位置関係は、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量に応じて変動する。したがって、領域Ｂ６〜Ｂ８に対応する集光スポットＰの相対位置関係に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量を検出することができる。また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、角度ずれ量の検出のための特別な部品や構造を必要とせず、制御部１３の動作のみによって角度ずれ量を容易に且つ短時間で検出することができる。
なお、本実施形態では、光強度分布取得ステップＳ３５において、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンを領域Ｂ６〜Ｂ８に表示させた状態で、光強度分布データＤＤを取得している。しかしながら、領域Ｂ６〜Ｂ８に表示される第１の位相パターンは必ずしも同時に表示される必要はなく、第２実施形態のように、領域Ｂ６〜Ｂ８に第１の位相パターンを順に表示しつつ光強度分布データを取得し、得られた３つの光強度分布データに基づいてステップＳ３６の処理を行っても良い。
（第４の実施の形態）
前述した第１〜第３の実施の形態は、いずれも変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量に関するものである。本実施形態では、第１〜第３の実施の形態と共通する方法及び動作を含む、補償光学システム１０の結像倍率検出方法および補償光学システム１０について説明する。なお、本実施形態において、制御部１３の動作を除く補償光学システム１０の構成は、上記第１実施形態と同様である。
図２９は、本実施形態に係る結像倍率検出方法および制御部１３の動作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の内部にこの結像倍率検出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。
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Ｓ４１）。なお、このステップＳ４１の詳細は、前述した第１実施形態のステップＳ１１と同様である。
次に、制御部１３は、結像倍率の検出のための特殊な位相パターンＰＡ（図８を参照）を作成し、変調面１１ａに表示させる（ステップＳ４２）。なお、位相パターンＰＡの詳細は、第１実施形態と同様である。その後、制御部１３は、上記の位相パターンＰＡを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により光強度分布データＤＡを取得する（ステップＳ４３、光強度分布取得ステップ）。
続いて、制御部１３は、光強度分布データＤＡに含まれる２つの集光スポットＰの重心を計算することによって、各集光スポットＰの位置座標（ｘｐ，ｙｐ）を特定する（ステップＳ４４）。なお、集光スポットＰの位置座標（ｘｐ，ｙｐ）の算出方法は、前述した第１実施形態のステップＳ１４と同様である。ここでは、領域Ｂ１に対応する集光スポットＰの位置座標を（ｘｐ１，ｙｐ１）とし、領域Ｂ２に対応する集光スポットＰの位置座標を（ｘｐ２，ｙｐ２）とする。
続いて、制御部１３は、領域Ｂ１に対応する集光スポットＰの位置座標（ｘｐ１，ｙｐ１）と、領域Ｂ２に対応する集光スポットＰの位置座標（ｘｐ２，ｙｐ２）との距離に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との間の結像倍率Ｍを算出する（ステップＳ４５、倍率算出ステップ）。ここで、位置座標（ｘｐ１，ｙｐ１）と位置座標（ｘｐ２，ｙｐ２）との距離をＨ１とし、領域Ｂ１の中心位置（ｘｃ１，ｙｃ１）と領域Ｂ２の中心位置（ｘｃ２，ｙｃ２）との距離をＨ２としたとき、結像倍率Ｍは、比（Ｈ１／Ｈ２）によって求められる。換言すれば、結像倍率Ｍは、次の数式（８）によって求められる。
その後、ステップＳ４５により算出された結像倍率Ｍに基づいて、種々の調整を行う（ステップＳ４６）。例えば、ステップＳ４５により算出された結像倍率Ｍが所定の結像倍率に近づくように、変調面１１ａと波面センサ１２との間に配置された導光光学系（例えば図１に示されたレンズ１５，１６）の倍率を調整することができる。このような調整は、導光光学系が、結像倍率Ｍが可変であるズームレンズ等によって構成される場合に適用できる。また、結像倍率Ｍが所定の結像倍率からずれている場合、変調面１１ａと波面センサ１２との光軸方向の相対位置がずれている可能性があるため、例えば、ステップＳ４５により算出された結像倍率Ｍが所定の結像倍率に近づくように、変調面１１ａと波面センサ１２との光学距離を調整することができる。また、例えば、ステップＳ４５により算出された結像倍率Ｍに基づいて、変調面１１ａにおいて波面歪み補償用の位相パターンが表示される領域の大きさを調整することもできる。
以上に説明した、本実施形態による補償光学システム１０の結像倍率検出方法、および補償光学システム１０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Ｓ４３において、空間光変調器１１の領域Ｂ１，Ｂ２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、領域Ｂ１及びＢ２を囲む領域Ｂ３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により光強度分布データＤＡを取得する。この光強度分布データＤＡでは、領域Ｂ１，Ｂ２に対応する集光スポットＰが形成されるが、これらの集光スポットＰの距離は、変調面１１ａと波面センサ１２との間の結像倍率Ｍに応じて変動する。したがって、領域Ｂ１，Ｂ２に対応する集光スポットＰ間の距離に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との間の結像倍率Ｍを検出することができる。また、本実施形態では、結像倍率Ｍの検出のための特別な部品や構造を必要とせず、制御部１３の動作のみによって結像倍率Ｍを容易に且つ短時間で検出することができる。
（第５の実施形態）
上述した第４実施形態では、光強度分布取得ステップＳ４３において、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンを領域Ｂ１及びＢ２に表示させた状態で、光強度分布データＤＡを取得している。しかしながら、結像倍率検出方法においても第２実施形態と同様に、領域Ｂ１及びＢ２に表示される第１の位相パターンは必ずしも同時に表示される必要はない。
図３０は、第５実施形態に係る結像倍率検出方法および制御部１３の動作を示すフローチャートである。本実施形態と上記第４実施形態との相違点は、図２９に示されたステップＳ４２及びＳ４３に代えて、ステップＳ５１〜５４を備える点である。なお、他のステップについては上記第４実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
ステップＳ５１では、制御部１３が、結像倍率の検出のための特殊な位相パターンＰＢ（図２２を参照）を作成し、変調面１１ａに表示させる。なお、位相パターンＰＢの詳細は、第２実施形態と同様である。その後、ステップＳ５２では、制御部１３が、位相パターンＰＢを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により第１の光強度分布データＤＢを取得する（第１の光強度分布取得ステップ）。この第１の光強度分布データＤＢには、領域Ｂ１に対応する集光スポットＰが含まれる。
続いて、ステップＳ５３では、制御部１３が、結像倍率の検出のための特殊な位相パターンＰＣ（図２３を参照）を作成し、変調面１１ａに表示させる。なお、位相パターンＰＣの詳細は、第２実施形態と同様である。その後、ステップＳ５４では、制御部１３が、位相パターンＰＣを表示させた状態で、イメージセンサ１２２により第２の光強度分布データＤＣを取得する（第２の光強度分布取得ステップ）。この第２の光強度分布データＤＣには、領域Ｂ２に対応する集光スポットＰが含まれる。
その後、制御部１３は、ステップＳ５１〜Ｓ５４によって得られた２つの光強度分布データＤＢ及びＤＣにそれぞれ含まれる集光スポットＰの位置座標を特定し（ステップＳ４４）、それらの距離に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との結像倍率Ｍを算出する（倍率算出ステップＳ４５）。その後、ステップＳ４６における種々の調整を行う。
本実施形態のように、第１の領域Ｂ１に対応する集光スポットＰを含む第１の光強度分布データＤＢと、第２の領域Ｂ２に対応する集光スポットＰを含む第２の光強度分布データＤＣとを順に取得し、これらの光強度分布データＤＢ，ＤＣから２つの集光スポットＰ間の距離を求めても良い。このような方法であっても、上記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第１の変形例）
上述した各実施形態では、第３実施形態を除き、第１の領域Ｂ１と第２の領域Ｂ２とが互いに離間した領域である場合を示したが、例えば図３１（ａ）及び図３１（ｂ）に示されるように、第１の領域Ｂ１と第２の領域Ｂ２とは、行方向若しくは列方向に互いに隣接する領域であってもよい。或いは、例えば図３２に示されるように、第１の領域Ｂ１と第２の領域Ｂ２とは、対角方向に互いに隣接する領域であってもよい。これらのように領域Ｂ１，Ｂ２が配置された場合であっても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。但し、領域Ｂ１，Ｂ２が互いに離間している場合には、各々に対応する集光スポットＰが互いに重なるおそれが少ない。従って、線形性を有する第１の位相パターンの形状によっては、領域Ｂ１，Ｂ２が互いに離間していてもよい。
（第２の変形例）
上記各実施形態では、少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンを領域Ｂ１，Ｂ２（若しくは領域Ｂ６〜Ｂ８）に表示し、空間的に非線形な第２の位相パターンを領域Ｂ３〜Ｂ５（若しくは領域Ｂ９）に表示している。しかしながら、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを領域Ｂ３〜Ｂ５（若しくは領域Ｂ９）に表示し、空間的に非線形な位相パターンを領域Ｂ１，Ｂ２（若しくは領域Ｂ６〜Ｂ８）に表示した場合であっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この場合、前述した数式（３）は、次のように書き換えられる。
本変形例では、領域Ｂ１，Ｂ２（若しくは領域Ｂ６〜Ｂ８）に対応する集光スポットＰが不明瞭となり、その周囲の領域Ｂ３〜Ｂ５（若しくは領域Ｂ９）に対応する集光スポットＰが明瞭となる。この場合、領域Ｂ１（若しくは領域Ｂ６）の周囲に形成された集光スポットＰの位置座標と、領域Ｂ２（若しくは領域Ｂ８）の周囲に形成された集光スポットＰの位置座標との相対関係（若しくは距離）に基づいて、変調面１１ａと波面センサ１２との角度ずれ量（若しくは結像倍率Ｍ）を算出することができる。
本変形例によれば、上記実施形態と同様に、変調面１１ａと波面センサ１２との間での光軸周りの角度ずれ量（若しくは結像倍率Ｍ）を容易に検出することができる。また、線形性を有する位相パターンを領域Ｂ１，Ｂ２（若しくは領域Ｂ６〜Ｂ８）以外の全領域に表示できるので、該位相パターンを波面歪み補償用の位相パターンとすることによって、補償光学の実行中に並行して角度ずれ量（若しくは結像倍率Ｍ）の検出を行うことが可能となる。
（第３の変形例）
上記各実施形態では、領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８（第２変形例では領域Ｂ３〜Ｂ５若しくはＢ９）に表示される少なくとも一方向に線形性を有する第１の位相パターンの例として、定数ａで表される略均一な分布を例示した。しかしながら、第１の位相パターンは、少なくとも一方向に傾斜した（線形的に変化する）位相分布であってもよい。なお、このような位相パターンを含む位相パターンＰＡは、次の数式（１０）により表される。
但し、ｎ０及びｍ０は領域Ｂ１，Ｂ２（ＲＯＩ）の中心画素であり、ａ、ｂ、及びｃは定数である。
図３３は、第１の方向（例えば行方向）において位相値が傾斜しており、第１の方向と交差する第２の方向（例えば列方向）において位相値が略均一である位相分布を示している。これは、上記の数式（１０）においてｂ≠０且つｃ＝０とした場合のＲＯＩにおける位相分布である。また、図３４は、第１の方向（例えば行方向）及び第２の方向（例えば列方向）の双方において位相値が傾斜している位相分布を示している。これは、上記の数式（１０）においてｂ≠０且つｃ≠０とした場合のＲＯＩにおける位相分布である。なお、図３３及び図３４には、行方向および列方向のそれぞれ一箇所における位相変調量のグラフが併せて示されている。これらの位相パターンが領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８に表示されると、当該部分の光像Ｌａ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。従って、上記各実施形態および各変形例と同様に、集光スポットＰの相対位置関係若しくは距離に基づいて、角度ずれ量若しくは結像倍率Ｍの検出を行うことができる。
但し、本変形例では、集光スポットＰの重心位置が、第１の位相パターンの傾斜分だけずれることとなる。従って、角度ずれ量若しくは結像倍率Ｍの検出する際には、この重心位置のずれを加味した上で上記各実施形態と同様の演算を行うことができる。なお、集光スポットＰの重心位置のずれ量は、波面センサ１２の構成パラメータと、係数ｂ及びｃとに基づいて一義的に決定される。また、集光スポットＰの重心位置から上記ずれ量を差し引くことにより、本来の重心位置を得ることができるので、上記各実施形態と同様の手順により角度ずれ量若しくは結像倍率Ｍの検出を行うことが可能である。
（第４の変形例）
領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８（第２変形例では領域Ｂ３〜Ｂ５若しくはＢ９）に表示される第１の位相パターンは、図３５に示されるような、第１の方向における位相分布が２次関数を有し、第２の方向において位相値が略均一であるような位相分布（すなわち、第１の方向にシリンドリカルレンズ効果を有する位相分布）であってもよい。なお、このような位相分布を含む位相パターンＰＡは、次の数式（１１）により表される。
上記の数式（１１）において、ｎ１とｍ１は領域Ｂ１（ＲＯＩ（ｎ１，ｍ１））、及びｎ２とｍ２は領域Ｂ２（ＲＯＩ（ｎ２，ｍ２））の中心画素であり、ａ１、ｂ１、ａ２及びｂ２は定数である。
図３５に示される位相パターンが変調面１１ａに表示されると、波面センサ１２では、第１の方向に伸長し、第２の方向に集束された集光スポットＰが形成される。これにより、形成される集光スポットＰの第２の方向の位置を得ることができる。続いて、第１の方向と第２の方向とを相互に入れ替えた位相分布（すなわち、第２の方向にシリンドリカルレンズ効果を有する位相分布）の位相パターンＰＡが変調面１１ａに表示されると、集光スポットＰの第１の方向の位置が求められる。従って、図３５のような少なくとも一方向に線形性を有する位相パターンを用いることにより、上記の実施例および変形例１〜３と同様に、角度ずれ量や結像倍率の検出ができる。或いは、シリンドリカルレンズ効果を有する位相分布を含む位相パターンＰＡを、次の数式（１２）により作成することもできる。
数式（１２）により表される位相パターンＰＡは、数式（１１）により表される位相パターンと異なり、領域Ｂ１では第１の方向における位相分布が２次関数を有し、領域Ｂ２では第２の方向における位相分布が２次関数を有する。数式（１２）により表される位相パターンＰＡを変調面１１ａに表示すると、領域Ｂ１に対応する集光スポットＰ、すなわち第１の方向に伸長し第２の方向に集束した集光スポットＰに基づいて、第２の方向の位置が求められる。また、領域Ｂ２に対応する集光スポットＰ、すなわち第２の方向に伸長し第１の方向に集束された集光スポットＰに基づいて、第１の方向の位置が求められる。続いて、領域Ｂ１，Ｂ２の位相分布を相互に入れ替えた位相分布（すなわち、領域Ｂ１では第２の方向における位相分布が２次関数を有し、領域Ｂ２では第１の方向における位相分布が２次関数を有する位相分布）を含む位相パターンＰＡが変調面１１ａに表示されると、領域Ｂ１に対応する第２の方向に伸長する集光スポットＰに基づいて第１の方向の位置が求められ、領域Ｂ２に対応する第１の方向に伸長する集光スポットＰに基づいて第２の方向の位置が求められる。そして、領域Ｂ１及びＢ２に対応する各集光スポットＰの位置を用いて、上記実施形態および各変形例と同様に、角度ずれ量や結像倍率の検出ができる。
（第５の変形例）
領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８（第２変形例では領域Ｂ３〜Ｂ５若しくはＢ９）に表示される第１の位相パターンは、図３６に示されるような、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ような位相分布であってもよい。図３６に示される位相パターンが変調面１１ａに表示されると、波面センサ１２では、第１の方向に分離され、第２の方向に集束された複数の集光スポットＰが形成される。従って、集光スポットＰの第２の方向の位置が求められる。続いて、回折格子の方向を９０°回転させた位相分布を領域Ｂ１，Ｂ２に含む位相パターンを用いて、集光スポットＰの第１の方向の位置が求められる。そして、領域Ｂ１とＢ２に対応する集光スポットＰの位置を用いて、上記の実施形態及び各変形例と同様に、角度ずれ量や結像倍率の検出ができる。
（第６の変形例）
領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８（第２変形例では領域Ｂ３〜Ｂ５若しくはＢ９）に表示される第１の位相パターンは、第１実施形態および第３〜５変形例に示された位相分布を互いに重ね合わせた合成パターンを含んでもよい。図３７は、そのような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。図３７（ａ）に示される位相パターンは図３５に示されたものであり、図３７（ｂ）に示される位相パターンは、図３３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３７（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パターンであって、第１の方向における位相分布が２次関数を有し、第２の方向における位相分布が線形関数を有する位相パターンである。図３７（ｃ）に示された合成パターンが変調面１１ａに表示されると、波面センサ１２では、第１の方向に伸長し、第２の方向に集束された集光スポットＰが形成される。従って、形成される集光スポットＰの第２の方向の位置が求められる。なお、求められた第２の方向の位置には、図３７（ｂ）のような傾斜位相分布によって、ずれ量が含まれる。このずれ量を差し引くことにより、本来の第２の方向の重心位置を得ることができる。続いて、３７（ｃ）に示された位相パターンを９０度回転したものを表示することにより、第１の方向の重心位置を得ることができる。そして、領域Ｂ１，Ｂ２に対応する集光スポットＰの位置を用いて、上記の実施形態および各変形例と同様に、角度ずれ量や結像倍率の検出ができる。
（第７の変形例）
上記各実施形態および各変形例では、領域Ｂ３〜Ｂ５（第２変形例では領域Ｂ９）に表示される空間的に非線形な第２の位相パターンの例として、ランダム分布（図１２）及びデフォーカス分布（図１３）を例示した。第２の位相パターンはこれらに限られず、明瞭な集光スポットＰが形成されないような位相分布を有していればよい。このような位相分布としては、例えばFresnel Zone Plate（ＦＺＰ）型の位相パターンが挙げられる。ＦＺＰ型位相パターンは、入射された略均一な位相値を有する光像Ｌａを集光或いは発散させる作用を有する。従って、ＦＺＰ型位相パターンにより集光或いは発散された光像Ｌａがレンズ１２４に入射すると、集光スポットＰの光軸方向の位置が、レンズ１２４の焦点面（すなわちイメージセンサ１２２の表面）からずれる。このため、イメージセンサ１２２の表面では、ぼけた点像が形成される。
このようなＦＺＰ型位相パターンを含む位相パターンＰＡは、次の数式（１３）により表される。
但し、ａ２は定数であり、ｂ２は十分に大きい定数である。（ｎｋ，ｍｋ）は領域Ｂ３〜Ｂ５の中心画素である。なお、ｂ２が十分に大きいことにより、レンズ１２４により形成される集光スポットＰをレンズ１２４の焦点面（イメージセンサ１２２の表面）から十分に離すことができる。
（第８の変形例）
上記各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ている。しかしながら、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３８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。なお、この場合、領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８は、六角形に設定されてもよい。
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角度ずれ検出方法、補償光学システムの結像倍率検出方法、及び補償光学システムは、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、上記実施形態および各変形例では、領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８の大きさを予め設定して角度ずれ量等の検出を行っているが、領域Ｂ１，Ｂ２若しくはＢ６〜Ｂ８の大きさは可変であってもよい。図３９は、領域Ｂ１，Ｂ２の大きさを可変とする場合の一例を示している。図３９（ａ）に示される例では、領域Ｂ１，Ｂ２の大きさを比較的大きく設定しておき、得られた光強度分布データに基づいて、適切な大きさ（例えば、レンズ１２４の径に対応する大きさ）に縮小している。また、図３９（ｂ）に示される例では、領域Ｂ１，Ｂ２の大きさを比較的小さく設定しておき、得られた光強度分布データに基づいて、適切な大きさ（例えば、レンズ１２４の径に対応する大きさ）に拡大している。このように、領域Ｂ１，Ｂ２（若しくは領域Ｂ６〜Ｂ８）の大きさを可変とすることにより、適切な大きさの領域Ｂ１，Ｂ２（若しくは領域Ｂ６〜Ｂ８）を設定し、角度ずれ量や結像倍率の検出を更に精度良く行うことができる。また、領域Ｂ１及びＢ２に表示される位相パターンは、必ず同一のものでなくてもよい。例えば、領域Ｂ１には、例えば図３５のようなシリンドリカル効果を有する位相パターンを表示させ、領域Ｂ２には図３６のような回折格子の構造を有する位相パターンを表示させてもよい。
また、上記実施形態および各変形例では、補償光学システムが一つの空間光変調器を備えている場合について示されているが、補償光学システムは、光学的に結合された複数の空間光変調器を備えてもよい。その複数の空間光変調器が直列に結合される場合、一つの空間光変調器に位相パターンＰＡ（若しくはＰＤ）を表示し、他の空間光変調器には例えば略均一な位相パターンを表示させておくことにより、該一つの空間光変調器と波面センサとの角度ずれ量や結像倍率の検出を行うことができる。また、複数の空間光変調器が並列に結合される場合、一つの空間光変調器に位相パターンＰＡ（若しくはＰＤ）を表示させ、他の空間光変調器には例えば略均一な位相パターンを表示させておくか、或いは、他の空間光変調器に入射する前若しくは後の光像を遮蔽することにより、該一つの空間光変調器と波面センサとの角度ずれ量や結像倍率の検出を行うことができる。そして、そのような作業を複数の空間光変調器それぞれについて行うことにより、全ての空間光変調器と波面センサとの角度ずれ量や結像倍率の検出を行うことができる。
本発明の一側面に係る補償光学システムの角度ずれ検出方法及び補償光学システムによれば、空間光変調器の変調面と波面センサとの間での光軸周りの角度ずれを容易に検出することができる。また、本発明の一側面に係る補償光学システムの結像倍率検出方法及び補償光学システムによれば、空間光変調器の変調面と波面センサとの間の結像倍率を容易に検出することができる。
１０…補償光学システム、１１…空間光変調器、１１ａ…変調面、１２…波面センサ、１３…制御部、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、１２２ａ…受光面、１２２ｂ…画素、１２４…レンズ、Ｂ１…第１の領域、Ｂ２…第２の領域、Ｄ１，Ｄ２，ＤＡ〜ＤＤ…光強度分布データ、Ｌａ…光像、Ｐ…集光スポット、ＰＡ〜ＰＤ…位相パターン。

Claims (16)

  1. 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、複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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、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前記空間光変調器に表示される位相パターンを制御することにより波面歪みを補償する補償光学システムにおいて、前記変調面と前記波面センサとの角度ずれ量を算出する方法であって、
    前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する前記変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１及び第２の領域を囲む領域に他方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光強度分布取得ステップと、
    前記光強度分布取得ステップにおいて得られた前記光強度分布に含まれる、前記第１の領域に対応する前記集光スポットと前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの相対位置関係に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの角度ずれ量を求める角度算出ステップと、
    を備える補償光学システムの角度ずれ検出方法。
  2. 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、複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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、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前記空間光変調器に表示される位相パターンを制御することにより波面歪みを補償する補償光学システムにおいて、前記変調面と前記波面センサとの角度ずれ量を算出する方法であって、
    前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する前記変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第１の前記光強度分布を取得する第１の光強度分布取得ステップと、
    前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており前記第１の領域とは別の領域である前記変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第２の前記光強度分布を取得する第２の光強度分布取得ステップと、
    前記第１の光強度分布に含まれる前記第１の領域に対応する前記集光スポットと、前記第２の光強度分布に含まれる前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの相対位置関係に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの角度ずれ量を求める角度算出ステップと、
    を備える補償光学システムの角度ずれ検出方法。
  3. 前記角度算出ステップにより算出された前記角度ずれ量が小さくなるように、前記変調面及び前記波面センサのうち少なくとも一方の前記光像周りの角度を調整する調整ステップを更に備える請求項１または２に記載の補償光学システムの角度ずれ検出方法。
  4. 前記第１及び第２の領域が互いに隣接する領域である請求項１〜３のいずれか一項に記載の補償光学システムの角度ずれ検出方法。
  5. 前記第１及び第２の領域が互いに離間した領域である請求項１〜３のいずれか一項に記載の補償光学システムの角度ずれ検出方法。
  6. 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、複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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、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前記空間光変調器に表示される位相パターンを制御することにより波面歪みを補償する補償光学システムにおいて、前記変調面と前記波面センサとの間の結像倍率を検出する方法であって、
    前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する前記変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１及び第２の領域を囲む領域に他方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光強度分布取得ステップと、
    前記光強度分布取得ステップにおいて得られた前記光強度分布に含まれる、前記第１の領域に対応する前記集光スポットと前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの距離に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの間の結像倍率を求める倍率算出ステップと、
    を備える補償光学システムの結像倍率検出方法。
  7. 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、複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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、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前記空間光変調器に表示される位相パターンを制御することにより波面歪みを補償する補償光学システムにおいて、前記変調面と前記波面センサとの間の結像倍率を検出する方法であって、
    前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する前記変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第１の前記光強度分布を取得する第１の光強度分布取得ステップと、
    前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており前記第１の領域とは別の領域である前記変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第２の前記光強度分布を取得する第２の光強度分布取得ステップと、
    前記第１の光強度分布に含まれる前記第１の領域に対応する前記集光スポットと、前記第２の光強度分布に含まれる前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの距離に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの間の結像倍率を求める倍率算出ステップと、
    を備える補償光学システムの結像倍率検出方法。
  8. 前記倍率算出ステップにより算出された前記結像倍率が所定の結像倍率に近づくように、前記変調面と前記波面センサとの間に配置された導光光学系の倍率を調整する調整ステップを更に備える請求項６または７に記載の補償光学システムの結像倍率検出方法。
  9. 前記倍率算出ステップにより算出された前記結像倍率が所定の結像倍率に近づくように、前記変調面と前記波面センサとの光学距離を調整する調整ステップを更に備える請求項６または７に記載の補償光学システムの結像倍率検出方法。
  10. 前記倍率算出ステップにより算出された前記結像倍率に基づいて、波面歪みを補償するための前記位相パターンが表示される前記変調面上の領域の大きさを調整する調整ステップを更に備える請求項６または７に記載の補償光学システムの結像倍率検出方法。
  11. 前記第１及び第２の領域が互いに隣接する領域である請求項６〜１０のいずれか一項に記載の補償光学システムの結像倍率検出方法。
  12. 前記第１及び第２の領域が互いに離間した領域である請求項６〜１０のいずれか一項に記載の補償光学システムの結像倍率検出方法。
  13. 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、
    複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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前記空間光変調器に表示される位相パターンを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、前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する前記変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１及び第２の領域を囲む領域に他方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し、該光強度分布に含まれる、前記第１の領域に対応する前記集光スポットと前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの相対位置関係に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの角度ずれ量を求める補償光学システム。
  14. 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、
    複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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前記空間光変調器に表示される位相パターンを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、前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する前記変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第１の前記光強度分布を取得し、前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており前記第１の領域とは別の領域である前記変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第２の前記光強度分布を取得し、前記第１の光強度分布に含まれる前記第１の領域に対応する前記集光スポットと、前記第２の光強度分布に含まれる前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの相対位置関係に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの角度ずれ量を求める補償光学システム。
  15. 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、
    複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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前記空間光変調器に表示される位相パターンを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、前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに各々対応する前記変調面上の第１及び第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１及び第２の領域を囲む領域に他方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し、該光強度分布に含まれる、前記第１の領域に対応する前記集光スポットと前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの距離に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの間の結像倍率を求める補償光学システム。
  16. 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、
    複数のレンズが二次元状に配列されたレンズアレイ、並びに前記レンズアレイによって形成された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ており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前記空間光変調器に表示される位相パターンを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、前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応する前記変調面上の第１の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第１の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第１の前記光強度分布を取得し、前記複数のレンズのうちの一若しくは互いに隣接する二以上のレンズに対応しており前記第１の領域とは別の領域である前記変調面上の第２の領域に、少なくとも一方向に線形性を有する位相パターン及び空間的に非線形な位相パターンのうち一方を表示させ、前記第２の領域を囲む領域に他方を表示させた状態で、前記光検出素子により第２の前記光強度分布を取得し、前記第１の光強度分布に含まれる前記第１の領域に対応する前記集光スポットと、前記第２の光強度分布に含まれる前記第２の領域に対応する前記集光スポットとの距離に基づいて、前記変調面と前記波面センサとの間の結像倍率を求める補償光学システム。
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