專利名稱：一種空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于樣t納光子器件制備控制工程領域，涉及一種空間光場合成自適 應系統(tǒng)的控制方法。
背景技術：
在微納光子器件制備技術中，空間域光場合成技術的一種重要應用是通過 多光束干涉，使得光場強度分布的空間分辨率達到微米與亞微米量級，并使用 光敏材料記錄所建立的光場分布，這種應用技術被稱為全息印刷制備技術。它
被廣泛應用于布拉格反射鏡、光子晶體與集成光子器件的制備。我國的多個科 研院所與大專院校在全息印刷制備的理論與實驗研究方面也取得了一些優(yōu)異成 果。
目前，微納光子器件制備方法主要有以下幾類(1 )化學自組織生長法，(2 ) 逐點微加工法、(3)光學全息印刷術與(4)多步驟組合法。這些方法各有優(yōu)缺 點，化學自組織生長發(fā)能夠制作大面積均勻的微納結構，制作費用低，但一般 只可以制作結構簡單的光子晶體，而不能精確制作各種不同功能和結構的微納 光子器件。逐點微加工法包括電子束刻蝕，離子束刻蝕，雙光子吸收光刻與激 光直寫等技術，該方法可以精確制作各種三維微納結構，但是制作費用高，制 作周期長，而且纟艮難制作大面積的材料。光學全息印刷術具有無缺陷，大體積， 成本低，效率高，品質好的優(yōu)點，卻僅僅局限于簡單的周期微納結構的材料制 備。隨著加工步驟的不斷增多，加工成本更高，精確度也隨之下降。對于意義 更為重大的功能性微納光子器件的制備，當前尚無簡單實用的制備方法。如果 能夠結合空間復雜光場的合成技術，將光場合成模塊化，建立常規(guī)的周期模塊 和特殊的缺陷模塊，并很好的對兩個模塊進行重疊組合，可望將光學全息印刷 制備技術擴展其制備功能性光子晶體的能力。這一方法的核心問題，就是合成微納光子器件制備所需的空間光強分布，并在光敏材料中記錄這種空間圖案，
通過后續(xù)工藝，精確而快速地制備功能性微納光子器件。
發(fā)明內容
針對現有技術的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種精度高且效率高的空間光 場合成自適應系統(tǒng)的控制方法。
為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案為 一種空間光場合成自適應系統(tǒng)的 控制方法，該系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)、液晶空間光調制器及計算機控制系統(tǒng)，該方 法包括以下步驟
a. 計算機控制系統(tǒng)產生目標光場分布圖及與液晶空間光調制器中液晶像素 對應的電壓值，并把電壓值加至液晶空間光調制器上；
b. 由光學系統(tǒng)產生的多束相干光通過液晶空間光調制器調制后干涉，得到 光場分布c. 計算^/L控制系統(tǒng)釆集光場分布圖，并與目標光場分布圖利用誤差函數進 行比較，得到一個差值A;
d. 計算機控制系統(tǒng)在液晶空間光調制器液晶像素的電壓值上增加一小增量
△ U,對多束相干光重新調制，得到新光場分布圖，并與目標光場分布圖利用誤 差函數進行比較，得到差值B,將差值A與差值B進行比較，當差值B比差值A 小時，計算機控制系統(tǒng)將此時采集到的光場分布圖進行保存，并將差值A更新 為差值B，執(zhí)行下一步驟；當差值B比差值A大時，則計算接收容許度，若差值 B在當前溫度的容許范圍之內時，則差值A仍更新為差值B,電壓值也保持為11+
△ U,否則，若差值B在當前溫度超出容許范圍時，差值A不更新，電壓值變?yōu)?U;
e. 在當前溫度下步驟d重復執(zhí)行n次，然后降溫；
f. 當前溫度降到預定溫度或差值A達到預定值時，完成液晶空間光調制器 自適應控制，否則返回步驟e。
當前溫度的容許度？由以下式子計算P與尸'比較，F是指在0到l之間的預設參數，c為預設系數，當尸大于尸， 差值A的改變將#皮才矣收，否則不接收。
差值A由此誤差函數式子得出」=2]2](^>'，力-4^力',力)2 ,其中，^為
z=i 乂.=1
光場分布圖的坐標，N為分布圖像素個數。
計算機控制系統(tǒng)采集到的光場分布圖與目標光場分布圖具有由多個256級 灰度像素組成的圖。
該計算機控制系統(tǒng)包括用于采集光場分布圖的CMOS或CCD及產生目標光場 分布圖、將目標光場分布圖與光場分布圖進行運算比較的處理系統(tǒng)。
圖1為本發(fā)明的模擬退火算法流程控制流程示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。
本實驗室(中山大學光電材料與技術國家重點實驗室)在一維和二維功能 性光子晶體研究和材料制備方面已取得了 一定的成果。實驗室致力于空間干涉 光場的合成研究，已經實現空間干涉光場的自適應反饋控制合成。在我們原有 在一維和二維功能性光子晶體研究基礎上，采用本發(fā)明的閉環(huán)回路的自適應算 法控制，實現空間光場的"直接，，合成。而我們采用的是實用性強的模擬退火 算法。模擬退火算法，是用固體退火模擬組合優(yōu)化問題，將內能E模擬為目標 函數值f,溫度T演化成參數t,即得到解組合優(yōu)化問題的模擬退火算法由初 始解i和控制參數初值t開始，對當前解重復"產生新解-計算目標函數差-接 受或舍棄"的迭代，并逐步衰減t值，算法終止時的當前解即為所得近似最優(yōu) 解。退火過程由初值t及其衰減因子At、每個t值時的迭代次數N和停止條件 S。
本發(fā)明提供了 一種空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法，該系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)、液晶空間光調制器及計算4幾控制系統(tǒng)，該方法包括以下步驟
a. 計算機控制系統(tǒng)產生目標光場分布圖及與液晶空間光調制器中液晶像素 對應的隨機電壓信號，并把電壓信號加至液晶空間光調制器上；
b. 由光學系統(tǒng)產生的多束相干光通過液晶空間光調制器調制后干涉，得到 光場分布c. 計算機控制系統(tǒng)采集光場分布圖，并與目標光場分布圖利用誤差函數進 行比較，得到一個差值A;
d. 計算機控制系統(tǒng)在液晶空間光調制器液晶像素的電壓值上增加一小增量
△ U，對多束相干光重新調制，得到新光場分布圖，并與目標光場分布圖利用i吳 差函數進行比較，得到差值B,將差值A與差值B進行比較，當差值B比差值A 小時，計算機控制系統(tǒng)將此時采集到的光場分布圖進行保存，并將差值A更新 為差值B，執(zhí)行下一步驟；當差值B比差值A大時，則計算接收容許度；若差值 B在當前溫度的容許范圍之內時，則差值A仍更新為差值B,電壓值也保持為11+
△ U,否則，若差值B在當前溫度超出容許范圍時，差值A不更新，電壓值變?yōu)?U;
e. 在當前溫度下步驟d重復執(zhí)行n次，然后降溫；
f. 當前溫度降到預定溫度或差值A達到預定值時，完成液晶空間光調制器 自適應控制，否則返回步驟e。
當前溫度的容許度戶由以下式子計算
尸=e-c.(u)/r
其中，P與尸'比較，尸'是指在0到l之間的預設參數，C為預設系數，當P 大于P'時，差值A的改變將^皮接收，否則不"l妻收。
差值A由此誤差函數式子得出J = S2]C^'J)-4rge,0'J))2 ，其中，/,y
為光場分布圖的坐標，N為分布圖^f象素個數。
在我們的實驗中，我們可以用一個簡單的函數來更新溫度其中，"的值在0到1之間，根據我們實驗上一般取0. 9。從P的表達式可 以看出，隨著溫度r的降低，接受容許度P就會下降，相位的改變變得越來越難 被接受了。另一方面，隨著探測到的誤差函數逐步地改進，光強分布圖案也會 逐漸地4妄近目標。
在實驗室條件下，如果采用手動方法，逐個地對液晶空間光調制器的每一 個像素的電壓進行調節(jié)，從而控制每一個光束的相位，如果光束的數目為七個， 這樣要得到帶功能缺陷光子晶體結構的目標光場分布也得花上幾天的時間。但 如果我們采用附圖所示的自適應閉環(huán)控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)工作效率比手動高很多， 速度約10-12Hz。 CMOS每采集到一幅光場分布圖后，就通過USB線傳送給計算 機，計算機就會把采集到的光場分布圖與目標光場分布圖比較分析，然后反饋 輸出液晶電壓。系統(tǒng)施加到液晶上的電壓并不是簡單的改變一下電壓，而是運 用了模擬退火算法，經過一定地優(yōu)化運算后，再4巴運算值轉換成電壓值加到液 晶上，從而大大地提高了系統(tǒng)的工作效率。系統(tǒng)每采集到與目標光場分布圖更 接近的圖像后，都會以bmp的圖像格式保存在電腦上，直到CMOS采集到的光場 分布符合實驗要求。
下面是模擬退火算法流程如圖1所示，
1. labview8. 2程序初始化時，設定初始溫度，在計算機上產生所要的目標 光場分布圖、與液晶像素對應的隨機電壓信號，并^l巴電壓信號加在液晶上。
2. 多束光分別通過液晶上的像素，當電壓加到對應的液晶像素時，通過液 晶的光的相位就會發(fā)生改變，這些光通過透鏡聚焦后，干涉所得到的光場分布 相對于原來未改變電壓時的光場分布就會發(fā)生改變，改變后的光場分布圖由 CM0S/CCD采集。
3. 采集到的光場分布圖與目標光場分布圖都是由很多個256級灰度像素組 成的圖，把采集到的光場分布圖與目標光場分布圖作比較，得到一個數值A。
4. 計算機隨便選擇一部分液晶像素(如10%),計算機在這些像素電壓值的基礎上增加一個小增量，并通過液晶電壓驅動器重新加到對應的液晶像素上， 這時通過這個液晶像素的光束的相位發(fā)生新的改變，多光束干涉得到新的光場
分布圖。然后再i故步驟4，得到一個新的數值B。 A與B比較，如果B的值比A 小，就把此時采集到的光場分布圖保存在電腦上面，并把A的值更新為B值，電 壓值保持為新的值，保存釆集到的圖像；如果B的值比A大，不保存圖像，但如 果在當前溫度的容許范圍之內，剛A的值仍更新為B值，電壓值也保持為新的， 否則，A的值不更新，電壓值變?yōu)樵瓉砦丛黾有≡隽繒r的值。
5. 在同一個溫度下，重復步驟4，如果同一個溫度下A的值更新了 N次， 則溫度降低為下一個溫度。
6. 當溫度降低為下一個溫度，重復步驟4、 5。
7. 直到溫度降到某一個設定的值或A低于某一個值，程序就自動停止。
權利要求
1、一種空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法，其特征在于該系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)、液晶空間光調制器及計算機控制系統(tǒng)，該方法包括以下步驟a.計算機控制系統(tǒng)產生目標光場分布圖及與液晶空間光調制器中液晶像素對應的電壓值U，并把電壓值U加至液晶空間光調制器上；b.由光學系統(tǒng)產生的多束相干光通過液晶空間光調制器調制后干涉，得到光場分布圖；c.計算機控制系統(tǒng)采集光場分布圖，并與目標光場分布圖利用誤差函數進行比較，得到一個差值A；d.計算機控制系統(tǒng)在液晶空間光調制器液晶像素的電壓值U上增加一小增量ΔU，對多束相干光重新調制，得到新光場分布圖，并與目標光場分布圖利用誤差函數進行比較，得到差值B，將差值A與差值B進行比較，當差值B比差值A小時，計算機控制系統(tǒng)將此時采集到的光場分布圖進行保存，并將差值A更新為差值B，執(zhí)行下一步驟；當差值B比差值A大時，則計算接收容許度，若差值B在當前溫度的容許范圍之內時，則差值A仍更新為差值B，電壓值也保持為U+ΔU，否則，若差值B在當前溫度超出容許范圍時，差值A不更新，電壓值變?yōu)閁；e.在當前溫度下步驟d重復執(zhí)行n次，然后降溫；f.當前溫度降到預定溫度或差值A達到預定值時，完成液晶空間光調制器自適應控制，否則返回步驟e。
2、 根據權利要求l所述的空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法，其特征在于當前溫度的容許度,由以下式子計算<formula>formula see original document page 2</formula>P與尸'比較，尸'是指在0到l之間的預設參數，C為預設系數，當P大于, 時，差值A的改變將被接受，否則不接受。
3、 根據權利要求2所述的空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法，其特征在于差值A由此誤差函數式子得出<formula>formula see original document page 3</formula>,其中，W,=1 乂=1為光場分布圖的坐標，N為分布圖像素個數。
4、 根據權利要求1所述的空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于計算機控制系統(tǒng)采集到的光場分布圖與目標光場分布圖具有由多個256級 灰度像素組成的圖。
5、 根據權利要求1所述的空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于該計算機控制系統(tǒng)包括用于采集光場分布圖的CMOS或CCD及產生目標光場 分布圖、將目標光場分布圖與光場分布圖進行運算比較的處理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種空間光場合成自適應系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟a.計算機控制系統(tǒng)產生目標光場分布圖及電壓信號，把電壓信號加至液晶空間光調制器；b.多束相干光通過調制干涉，得到光場分布圖；c.采集光場分布圖，與目標光場分布圖利用誤差函數進行比較，得到差值A；d.選擇液晶像素使其電壓值增加小增量，對相干光重新調制，得到新光場分布圖，與目標光場分布圖比較，得到差值B，B比A小時，將光場分布圖保存，將A更新為B，執(zhí)行下一步驟；B比A大時，計算接收容許度，B在容許度內將A更新為B，否則保留A；e.在當前溫度下重復步驟d N次，然后降溫，當降到預定溫度或A達到預定值時，完成液晶空間光調制器自適應控制。
文檔編號G05B19/04GK101615006SQ20091004122
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權日2009年7月17日
發(fā)明者關燁鋒, 周建英, 張培晴, 謝向生 申請人:中山大學