本發(fā)明涉及激光調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法。

背景技術(shù)：

激光具有指向性好、能量集中的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)量、加工等眾多領(lǐng)域以及前沿科學(xué)研究。在實(shí)際應(yīng)用中，如精密測(cè)量、激光加工等，往往需要精密控制光束聚焦點(diǎn)位置，快速調(diào)整激光的聚焦距離。而對(duì)于自由空間光通信等需要較長(zhǎng)距離傳輸?shù)膽?yīng)用，由于傳輸路徑中光學(xué)元件的不穩(wěn)定性以及各種環(huán)境擾動(dòng)因素的影響，也需要對(duì)光束聚焦進(jìn)行精密的反饋控制以保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)穩(wěn)定性。因此對(duì)光束聚焦控制方法的研究具有重要的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法，基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光束聚焦點(diǎn)三維位置的可編程控制，結(jié)合面陣探測(cè)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)反饋控制；對(duì)比傳統(tǒng)的機(jī)電控制方法，本發(fā)明具有速度快、精度高、體積小以及可以便于實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)位置三維控制的優(yōu)點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法，利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生可編程的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)光束進(jìn)行位相或振幅調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束焦點(diǎn)的軸向偏移與橫向偏移的精確調(diào)節(jié)；在此基礎(chǔ)上用面陣探測(cè)器檢測(cè)光束焦點(diǎn)的三維偏移信息，結(jié)合閉環(huán)算法及圖像處理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)光束聚焦點(diǎn)三維位置的實(shí)時(shí)反饋控制。

進(jìn)一步地，所述利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生可編程的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的聚焦控制，液晶空間光調(diào)制器對(duì)光束的調(diào)制方式采用位相調(diào)制或者振幅調(diào)制；

所述對(duì)光束進(jìn)行位相調(diào)制，其具體為：利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生同心圓環(huán)狀的波帶型位相結(jié)構(gòu)，將每個(gè)波帶劃分臺(tái)階；設(shè)波帶數(shù)為n，每個(gè)波帶劃分l個(gè)臺(tái)階，則其中第k個(gè)臺(tái)階調(diào)制的位相φ為：

第j個(gè)波帶的半徑rj為：

式中，λ為入射光波長(zhǎng)，fz為焦距；

所述對(duì)光束進(jìn)行振幅調(diào)制，具體為：

利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生同心圓環(huán)狀的波帶結(jié)構(gòu)，奇數(shù)波帶振幅透過(guò)率為1，偶數(shù)波帶振幅透過(guò)率為0；其中，第j個(gè)波帶的半徑rj為：

式中，λ為入射光波長(zhǎng)，fz為焦距。

進(jìn)一步地，所述對(duì)光束焦點(diǎn)的軸向偏移與橫向偏移的精確調(diào)節(jié)，其中，對(duì)軸向偏移的精確調(diào)節(jié)是通過(guò)改變可編程菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)的波帶半徑實(shí)現(xiàn)的；對(duì)橫向偏移的精確調(diào)節(jié)，是通過(guò)偏心透鏡法實(shí)現(xiàn)的；所述偏心透鏡法，利用平行光束焦點(diǎn)始終落在透鏡光軸上特點(diǎn)，控制菲涅爾波帶中心平移，光束焦點(diǎn)也會(huì)同向平移相同的距離，而焦點(diǎn)位置坐標(biāo)的軸向分量不變。

進(jìn)一步地，所述利用面陣探測(cè)器檢測(cè)光束焦點(diǎn)的軸向偏移與橫向偏移信息，具體為：

其中，光束焦點(diǎn)的橫向偏移由探測(cè)器上的光斑中心坐標(biāo)給出，具體通過(guò)如下一階矩法獲得：

式中，(xi,yi)為探測(cè)器任意像素元的位置坐標(biāo)，i為該像素元測(cè)得的光強(qiáng)度值；

光束焦點(diǎn)的軸向偏移通過(guò)測(cè)量探測(cè)面上的光斑大小間接判斷；所述光斑大小利用如下二階矩法計(jì)算光斑的二維半徑(wx,wy)：

光斑的平均半徑r＝(wx+wy)/2反映了軸向的離焦程度，r越大表明實(shí)際焦面距離探測(cè)面越遠(yuǎn)。

進(jìn)一步地，所述結(jié)合閉環(huán)算法及圖像處理，其具體為：由計(jì)算機(jī)程序?qū)σ壕Э臻g光調(diào)制器和面陣探測(cè)器進(jìn)行統(tǒng)一控制，所述閉環(huán)算法采用比例-積分-微分算法進(jìn)行閉環(huán)控制，具體控制步驟為：

s31、程序初始化：設(shè)定光束焦點(diǎn)的目標(biāo)位置，目標(biāo)位置包括軸向目標(biāo)位置和橫向二維目標(biāo)位置；在實(shí)際應(yīng)用中，光束焦點(diǎn)的軸向目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)光斑平均半徑r取極小的點(diǎn)，而橫向二維目標(biāo)位置由后端系統(tǒng)決定，或者由控制程序初始設(shè)定；

s32、面陣探測(cè)器采集光斑圖像，計(jì)算光斑半徑以及中心位置坐標(biāo)，結(jié)合光束焦點(diǎn)的目標(biāo)位置信息判斷軸向與橫向的偏移量；

s33、根據(jù)pid算法確定焦點(diǎn)的軸向和橫向位置的調(diào)整量，調(diào)整動(dòng)態(tài)菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)分布并重新加載到液晶空間光調(diào)制器中；

s34、重復(fù)步驟s31-s33，直至光斑平均半徑r以及光斑中心的橫向二維偏離量降至最小或低于誤差上限。

進(jìn)一步地，所述步驟s32中面陣探測(cè)器采集光斑圖像，在面陣探測(cè)器獲取的光斑圖像質(zhì)量較差的情況下，先對(duì)光斑圖像進(jìn)行濾波去噪處理，具體為：先將光斑圖像數(shù)據(jù)變換到小波域，濾波后進(jìn)行逆小波變換并對(duì)其閾值化處理。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

1、本發(fā)明利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生可編程的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)，同時(shí)運(yùn)用pid算法高速地反饋調(diào)控，實(shí)現(xiàn)激光聚焦焦點(diǎn)三維位置的精密、快速控制；

2、本發(fā)明所采用方法在調(diào)節(jié)過(guò)程中不同偏移量之間不存在耦合影響，且橫向偏移調(diào)節(jié)對(duì)光傳輸距離不敏感，因而有利于調(diào)節(jié)速度和精度的提高；

3、本發(fā)明利用可編程的菲涅爾透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)電控機(jī)械移動(dòng)的方式控制激光光束聚焦偏移，對(duì)比傳統(tǒng)方式，本方法具有速度快、精度高、體積小以及可以實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)與聚焦控制于一體的優(yōu)點(diǎn)；

4、本發(fā)明中穩(wěn)定快速的數(shù)字圖像處理方法，使用多貝西小波變換結(jié)合自適應(yīng)的閾值處理方案，實(shí)現(xiàn)高效快速的圖像去噪算法；

5、本發(fā)明使用pid控制算法，大幅優(yōu)化控制速度，同時(shí)建立閉環(huán)反饋控制流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束聚焦和偏移的自動(dòng)控制。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法中使用的光路系統(tǒng)原理圖；

圖2為本發(fā)明一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法中光斑圖像小波變換處理后的三維圖；

圖3為本發(fā)明一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法中閉環(huán)控制流程圖；

圖4為本發(fā)明一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法中光束軸向聚焦控制流程圖；

圖5為本發(fā)明一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法中光束橫向偏移調(diào)節(jié)原理圖；

圖6為本發(fā)明一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法中光束橫向偏移控制流程圖。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提供了一種基于液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束聚焦反饋控制的方法，利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生可編程的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)光束進(jìn)行位相或振幅調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束焦點(diǎn)的軸向偏移與橫向偏移的精確調(diào)節(jié)；在此基礎(chǔ)上利用面陣探測(cè)器檢測(cè)光束焦點(diǎn)的三維偏移信息，結(jié)合閉環(huán)算法及圖像處理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)光束聚焦點(diǎn)三維位置的實(shí)時(shí)反饋控制。

本發(fā)明對(duì)光束聚焦控制的核心原理是利用可編程的菲涅爾透鏡調(diào)控光束。

可編程菲涅爾透鏡是利用液晶空間光調(diào)制器動(dòng)態(tài)調(diào)制激光位相或振幅，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)相息圖(呈菲涅爾波帶分布)予以實(shí)現(xiàn)的。光束通過(guò)相息圖發(fā)生衍射會(huì)聚在對(duì)應(yīng)焦距的位置上，并且該焦點(diǎn)總是在菲涅爾透鏡中心軸線(xiàn)上，通過(guò)編程改變相息圖中菲涅爾透鏡的環(huán)帶分布，可以改變其有效焦距，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光束聚焦點(diǎn)的軸向控制。此外，使用偏心透鏡法，通過(guò)編程移動(dòng)菲涅爾透鏡，使得其中心與光軸產(chǎn)生一定的偏移，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)在該焦面上的二維移動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了光束聚焦點(diǎn)的橫向偏移。

調(diào)制方式可以采用位相或振幅調(diào)制。對(duì)于位相調(diào)制，利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生同心圓環(huán)狀的波帶型位相結(jié)構(gòu)，將每個(gè)波帶劃分臺(tái)階；設(shè)波帶數(shù)為n，每個(gè)波帶劃分l個(gè)臺(tái)階，則其中第k個(gè)臺(tái)階調(diào)制的位相φ為：

第j個(gè)波帶的半徑rj為：

式中，λ為入射光波長(zhǎng)，fz為焦距；

對(duì)于振幅調(diào)制，利用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生同心圓環(huán)狀的波帶結(jié)構(gòu)，奇數(shù)波帶振幅透過(guò)率為1，偶數(shù)波帶振幅透過(guò)率為0；其中，第j個(gè)波帶的半徑rj為：

式中，λ為入射光波長(zhǎng)，fz為焦距。

結(jié)合使用面陣探測(cè)器，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光束焦點(diǎn)三維位置的實(shí)時(shí)反饋控制。面陣探測(cè)器采集記錄聚焦光斑圖像反饋回計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)算法調(diào)節(jié)可編程菲涅爾透鏡，使光束焦點(diǎn)移動(dòng)并將其光斑圖像再次采集與反饋。如此不斷反饋調(diào)節(jié)，直到光束聚焦在指定空間三維位置。此時(shí)，光束完成自動(dòng)聚焦和自動(dòng)偏移。

系統(tǒng)的整體架構(gòu)及光路原理如圖1所示，1為擴(kuò)束準(zhǔn)直器，2、4為偏振片，3為空間光調(diào)制器，5為分束器，6為衰減片，7為面陣探測(cè)器，其中空間光調(diào)制器3和探測(cè)器7連接計(jì)算機(jī)構(gòu)建反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。激光(laser)進(jìn)入系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直器1并通過(guò)偏振片2到達(dá)空間光調(diào)制器3(lc-slm)，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的聚焦光斑經(jīng)分束器5分光后被面陣探測(cè)器7所接收，分束器5另一側(cè)光束用于后續(xù)的工作系統(tǒng)。

由于空間光調(diào)制器本身固有的像素結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了入射相干光的衍射，容易產(chǎn)生多個(gè)次級(jí)衍射光斑，所以系統(tǒng)工作前，可由人工調(diào)整面陣探測(cè)器或可編程菲涅爾透鏡使零級(jí)衍射像入射到面陣探測(cè)器中，方便后續(xù)應(yīng)用。系統(tǒng)工作時(shí)，面陣探測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)得的光斑圖像輸入到基于c++開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)(pc)軟件中，計(jì)算光斑半徑以及中心位置坐標(biāo)，結(jié)合光束焦點(diǎn)的目標(biāo)位置信息判斷軸向與橫向的偏移量，反饋調(diào)控可編程菲涅爾透鏡的參數(shù)，使激光光束聚焦到指定空間位置。

下面對(duì)系統(tǒng)各部分的實(shí)施方案進(jìn)行論述。

一、數(shù)字處理算法及參數(shù)計(jì)算

要對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的聚焦控制，首先要在面陣探測(cè)器上對(duì)其進(jìn)行定位。由上述光路原理可知，對(duì)激光束定位實(shí)際上是要確定面陣探測(cè)器上的光斑中心坐標(biāo)。采用cmos、ccd等面陣探測(cè)器，相比于較常用于光電定向的四象限探測(cè)器而言，可以獲得聚焦光斑的絕對(duì)位置以及全面的光強(qiáng)橫向分布，對(duì)于一般的聚焦光斑圖像經(jīng)過(guò)基本的閾值處理后使用一階矩法和二階矩法就可以得到較好的效果。但一些實(shí)際應(yīng)用中光束通過(guò)lc-slm后存在多級(jí)衍射環(huán)，且各類(lèi)噪聲及背景光會(huì)干擾后續(xù)光斑參數(shù)的計(jì)算，以上方法難以勝任，因此可以先用小波算法進(jìn)行去噪處理。

具體而言，先將光斑圖像變換到小波域，濾波后進(jìn)行逆小波變換并對(duì)其閾值化處理。處理后的光斑圖像質(zhì)量將得到明顯改善，但不會(huì)改變?cè)獍咛卣鳌４颂庍x擇使用多分辨率多貝西小波變換，在保證運(yùn)算速度的同時(shí)盡量有效去噪，處理效果如圖2所示。

通過(guò)處理面陣探測(cè)器采集的光斑圖像，計(jì)算光斑中心坐標(biāo)與半徑大小。光斑中心坐標(biāo)利用一階矩法計(jì)算，此方法能夠充分利用面陣探測(cè)器采集的光斑圖像數(shù)據(jù)，對(duì)光斑落在感光面上的任意情形均可獲得精確的光斑中心坐標(biāo)信息，一階矩計(jì)算式如下：

通過(guò)計(jì)算光強(qiáng)分布的二階矩可以獲得光斑半徑大小wx、wy，二階矩計(jì)算式如下：

二、控制方案

本方法可以實(shí)現(xiàn)光束聚焦的閉環(huán)反饋控制，具體控制方案如圖3所示，具體閉環(huán)控制流程如下：

1.通過(guò)面陣探測(cè)器編程采集激光聚焦光斑圖像；

2.對(duì)聚焦光斑圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，濾波并計(jì)算聚焦光斑中心坐標(biāo)與半徑大小；

3.利用自動(dòng)控制算法調(diào)整生成的菲涅爾透鏡重新輸出到空間光調(diào)制器；

4.重復(fù)1-3步，直到聚焦光斑位置達(dá)到設(shè)定的預(yù)期值。

閉環(huán)反饋控制的基本算法是pid算法，如下公式是一個(gè)典型pid算法：

其中u(n)為閉環(huán)控制中第n次輸出的值，e(n)為第n次輸入的值，即設(shè)定值與實(shí)際值的差值，kp、ki、kd分別為比例、積分、微分放大系數(shù)。

針對(duì)反饋控制中的不同環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)各個(gè)放大系數(shù)參數(shù)，可使實(shí)測(cè)值快速收斂到預(yù)期值，提高調(diào)控精度、調(diào)節(jié)速度以及穩(wěn)定性。具體應(yīng)用到本方法中主要分軸向自動(dòng)聚焦控制和橫向自動(dòng)偏移控制。

1、激光軸向聚焦控制

以振幅調(diào)制方式為例，在軸向自動(dòng)聚焦方面采用pid算法。大體的控制流程是根據(jù)面陣探測(cè)器所采集光斑半徑的大小r，通過(guò)算法計(jì)算后產(chǎn)生新的波帶半徑參數(shù)rj，然后根據(jù)新的rj重新產(chǎn)生菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)，從而改變激光聚焦的軸向位置，即在面陣探測(cè)器上再次獲得了新的光斑半徑大小r。重復(fù)以上步驟，最終使焦點(diǎn)位置落在面陣探測(cè)器的中心上。此時(shí)光斑半徑r最小。

具體的算法運(yùn)用，如圖4所示，其中δri是當(dāng)前的偏差，δri-1,δri-2是之前的偏差，kp是比例系數(shù)，ki是積分系數(shù)，kd是微分系數(shù)，δr是波帶半徑的增量。程序一開(kāi)始假設(shè)第一次獲得的光斑半徑r為最小值。在之后的運(yùn)算過(guò)程中，每當(dāng)找到比當(dāng)前最小值小的半徑時(shí)就令此半徑為最小值。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)當(dāng)前的半徑r與最小的半徑rmin相等的情況時(shí)，則說(shuō)明焦點(diǎn)已落在面陣探測(cè)器的中心位置。在實(shí)際中，根據(jù)面陣探測(cè)器的像素大小且經(jīng)過(guò)多次的驗(yàn)證后，我們將光斑半徑的最小值直接設(shè)為20um。若出現(xiàn)光斑半徑小于或等于這個(gè)最小值，則可認(rèn)為調(diào)節(jié)已經(jīng)完成。當(dāng)出現(xiàn)收斂較慢時(shí)，我們則調(diào)節(jié)pid各項(xiàng)系數(shù)，以提高聚焦速度?？偟膩?lái)說(shuō)，運(yùn)用pid算法后能夠大幅度地提高控制速度。

2、激光橫向偏移控制實(shí)現(xiàn)方案

在激光橫向偏移方面，如圖5所示，由于焦點(diǎn)位置總是跟隨菲涅爾透鏡的光軸位置變化而變化，所以通過(guò)偏心透鏡法，編程控制菲涅耳透鏡平移，使透鏡中心與入射激光光軸偏離一定距離，從而實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)的橫向偏移。

使用基于可編程的菲涅爾透鏡的控制方案可以實(shí)現(xiàn)小角度偏移調(diào)控，且理論精度為lc-slm像素間距和面陣探測(cè)器像素間距的較小者dmin，即最小可分辨光斑聚焦中心dmin距離的偏移。通過(guò)更換具有更小像素元的lc-slm和面陣探測(cè)器有利于提高控制精度。為了提高控制速度，可借助pid算法加快控制值收斂于預(yù)期值，具體偏移控制細(xì)節(jié)如下：

借助上文所述的pid控制算法，通過(guò)面陣探測(cè)器采集的圖像計(jì)算得到光斑中心坐標(biāo)，運(yùn)用圖6所示的算法，反饋調(diào)節(jié)波帶參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)橫向偏移。其中δxi,δyi是當(dāng)前的偏差，δxi-1,δyi-1是之前的偏差，xi+1,yi+1為改變波帶參數(shù)后新焦點(diǎn)的位置坐標(biāo)，δxtarget,δytarget是設(shè)定位置坐標(biāo)，kp是比例系數(shù)，ki是積分系數(shù)，δc是坐標(biāo)增量，lx,i+1,ly,i+1為新的波帶中心位置坐標(biāo)，lx,i,ly,i為當(dāng)前的波帶中心位置坐標(biāo)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。