專利名稱：一種基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于液晶空間光調(diào)制器的波前 校正方法。
背景技術(shù)：
波前校正就是利用波前校正器來改變光波波前的光程或相位分布，以及校 正各種誤差因素對光波波前造成的畸變。傳統(tǒng)的波前校正器主要采用變形鏡， 但是變形鏡存在分辨率低、致動器單元變形量小、有機械慣性、成本高等缺點， 限制了它在工業(yè)和醫(yī)療等方面的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對高精度、 高分辨、大行程波前校正技術(shù)的需求越來越大，在這樣的背景下，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的饒長輝等人于2007年8月22日申報的發(fā)明專利《基于共軛 成像的多變形鏡串連組合式波前校正器》，如圖1所示，利用4f成像系統(tǒng)13 將兩個以上的變形鏡11連接起來，構(gòu)成一個組合式波前校正器，使每個波前 校正器都處在光學(xué)共軛成像位置，因此增加波前校正行程，克服單個變形鏡 11變形量小對波前校正行程的制約。但是該發(fā)明無法克服變形鏡11分辨率低 的不足，并且依靠增加變形鏡的數(shù)量來加大波前校正行程，會成倍地增加成本。中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所張雨東等人于2007年1月3日申報的《基于 共軛成像的組合式波前校正器》的發(fā)明專利，同樣利用4f成像系統(tǒng)將兩個以 上的變形鏡連接起來，構(gòu)成一個組合式波前校正器，與《基于共軛成像的多變 形鏡串連組合式波前校正器》不同之處在于該發(fā)明將一個密集的驅(qū)動單元排列 方案和排列數(shù)量的點陣分布，拆分成對稱操作的幾個部分，每一部分對應(yīng)到一 個波前校正器上，那么所有波前校正器組合到一起，形成了拆分前的驅(qū)動單元 密集分布，其原理如圖2所示。該發(fā)明雖然能提高波前校正的分辨率，但是無 法克服致動器變形量小對波前校正行程的制約，并且依靠增加變形鏡的數(shù)量提 高分辨率，會成倍地增加成本。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的波前校正方法主要采用變形鏡做為波前校正器校正波前，但是這種方法存在波前校正的分辨率低、行程受限制、有機械慣性， 以及成本較高的問題，從而提供一種基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波 前校正方法。一種基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法，它是基于以下 系統(tǒng)實現(xiàn)的所述系統(tǒng)包括數(shù)字相移干涉儀、偏振片、液晶空間光調(diào)制器和波 前控制器，數(shù)字相移干涉儀發(fā)出的激光光束經(jīng)偏振片偏振后入射至待測試件， 經(jīng)待測試件透射后入射至液晶空間光調(diào)制器，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器調(diào)制后沿入 射光路反射至待測試件，經(jīng)待測試件透射至偏振片，經(jīng)偏振片透射至數(shù)字相移 干涉儀；數(shù)字相移干涉儀的信號輸出端與波前控制器的信號輸入端連接，所述 波前控制器的控制信號輸出端與液晶空間光調(diào)制器的控制信號輸入端連接；所述基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法由以下步驟完成步驟一、控制液晶空間光調(diào)制器，使其產(chǎn)生等相位面，測量所述等相位面 各像素點的相位數(shù)據(jù)外(/，刀，并根據(jù)公式-將所述各相位數(shù)據(jù)^(/，力轉(zhuǎn)換成灰度數(shù)據(jù)g。(/，力；所述《為正整數(shù)； 步驟二、采用Roberts梯度算子，對所述灰i數(shù)據(jù)g。(/,力做差分運算，并 根據(jù)公式g。'("力H g。("力- g0 0. +1， _/ +1) I +1 g0 (z. +1，力-g0 (/， / +1) I獲得梯度數(shù)據(jù)g。(W);步驟三、將所述梯度數(shù)據(jù)g。(/,/)中的梯度最大值對應(yīng)的像素點作為邊界 點，確定有效數(shù)據(jù)邊界；步驟四、將波前控制器的控制信號置0;步驟五、采用數(shù)字相移干涉儀測量待測試件，獲得待校正相位％(/，_/)，并 判斷所述待校正相位^(^)是否大于2te;如果判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟五一； 如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟六；步驟五一、對所述待測試件的待校正相位％(/,力以2兀為周期進行量化， 然后取余數(shù)作為其待校正相位，并執(zhí)行步驟六；所述待測試件量化后的待校正 相位的表達式為對待校正相位^a力取共軛，并將其轉(zhuǎn)換為控制信號g力，力，將所述控制信號保存至波前控制器；步驟七、波前控制器(5)根據(jù)所述控制信號g"(/,刀驅(qū)動液晶空間光調(diào)制 器(4)對待校正波前相位％(/，/)進行調(diào)制，其相位調(diào)制量為<(/，/ ，然后采用 數(shù)字相移干涉儀(1)測量調(diào)制后的波前殘余相位％+1(/,力，所述波前殘余相位 %+1(/，力的值為獲得波前殘余相位的均方根值9^,式中％+力',力為第11+1次波前校正后的 殘余相位，"為正整數(shù)，(/，力為像素點坐標，所述/、 /為正整數(shù)；^為第n+l 次波前相位平均值，N為灰度數(shù)據(jù)值g。(W)對應(yīng)像素點的行數(shù)，M為灰度數(shù)據(jù) g。(/,力對應(yīng)像素點的列數(shù)，所述N、 M均為正整數(shù)；步驟九、判斷步驟八獲得的均方根值9^是否達到預(yù)定值，如果判斷結(jié)果 為否，則執(zhí)行步驟五；如果判斷結(jié)果為是，則完成波前校正過程。有益效果本發(fā)明利用邊界定義法，通過對波前相位數(shù)據(jù)的邊界定義，能 夠準確分離有效數(shù)據(jù)與無效數(shù)據(jù)，保證波前相位數(shù)據(jù)與控制信號從像素上對 準，提高波前校正精度；利用循環(huán)反饋迭加控制法，通過循環(huán)反饋相位數(shù)據(jù)與 逐次累加控制信號，使任意波前逐次逼近理想平面波，從而實現(xiàn)相位超過2兀步驟六、根據(jù)公式:步驟八、根據(jù)公式-的大行程的波前校正。并且本發(fā)明采用液晶空間光調(diào)制器代替變形鏡作為波前校正器，具有功耗小、分辨率高、波前校正行程不受致動器單元變形量制約、不存在機械慣性、成本低的優(yōu)點。
圖1是背景技術(shù)所述《基于共軛成像的多變形鏡串連組合式波前校正器》
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是背景技術(shù)中所述《基于共軛成像的組合式波前校正器》的原理示意圖；圖3是本發(fā)明的方法的流程示意圖，圖4是本發(fā)明的方法所采用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一、結(jié)合圖1說明本具體實施方式
， 一種基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法，它是基于以下系統(tǒng)實現(xiàn)的所述系統(tǒng)包括數(shù)字相移干涉儀l、偏振片2、液晶空間光調(diào)制器4和波前控制器5，數(shù)字相移干涉儀1發(fā)出的激光光束經(jīng)偏振片2偏振后入射至待測試件，經(jīng)待測試件透射后入射至液晶空間光調(diào)制器4，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器4調(diào)制后沿入射光路反射至待測試件，經(jīng)待測試件透射至偏振片2，經(jīng)偏振片2透射至數(shù)字相移干涉儀1;數(shù)字相移干涉儀1的信號輸出端與波前控制器5的信號輸入端連接，所述波前控制器5的控制信號輸出端與液晶空間光調(diào)制器4的控制信號輸入端連
接；
所述基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法由以下步驟完
成
步驟一、控制液晶空間光調(diào)制器4，使其產(chǎn)生等相位面，測量所述等相位面各像素點的相位數(shù)據(jù)外(/，/),并根據(jù)公式<formula>formula see original document page 7</formula>將所述各相位數(shù)據(jù)P。(/,y)轉(zhuǎn)換成灰度數(shù)據(jù)g。a/);所述K為正整數(shù)；步驟二、采用Roberts梯度算子，對所述灰度數(shù)據(jù)g。(z'，力做差分運算，并根據(jù)公式


<formula>formula see original document page 8</formula>
獲得梯度數(shù)據(jù)g。U力；
步驟三、將所述梯度數(shù)據(jù)g。(/,力中的梯度最大值對應(yīng)的像素點作為邊界
點，確定有效數(shù)據(jù)邊界；
步驟四、將波前控制器5的控制信號置0;
步驟五、采用數(shù)字相移干涉儀1測量待測試件，獲得待校正相位％(/,/)，并判斷所述待校正相位％(/,/)是否大于2兀；如果判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟五一；如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟六；
步驟五一、對所述待測試件的待校正相位^a力以2兀為周期進行量化，然后取余數(shù)作為其待校正相位，并執(zhí)行步驟六；所述待測試件量化后的待校正相位的表達式為
步驟六、根據(jù)公式
<formula>formula see original document page 8</formula>
對待校正相位A(/,y)取共軛，并將其轉(zhuǎn)換為控制信號g"a力，將所述控制信號
保存至波前控制器5;
步驟七、波前控制器5根據(jù)所述控制信號g"(/,力驅(qū)動液晶空間光調(diào)制器4
對待校正波前相位^(/,力進行調(diào)制，其相位調(diào)制量為^'a力，然后采用數(shù)字相移干涉儀i測量調(diào)制后的波前殘余相位^力w)，所述波前殘余相位％+1(/,力的
值為 ，步驟八、根據(jù)公式
<formula>formula see original document page 8</formula>
獲得波前殘余相位的均方根值《；，式中^+々，力為第n+l次波前校正后的殘余相位，"為正整數(shù)，(/,力為像素點坐標，所述/、 J'為正整數(shù)；》為第n+l次波前相位平均值，N為灰度數(shù)據(jù)值g。(/,力對應(yīng)像素點的行數(shù)，M為灰度數(shù)據(jù)g。(/J)對應(yīng)像素點的列數(shù)，所述N、 M均為正整數(shù)；
步驟九、判斷步驟八獲得的均方根值p，是否達到預(yù)定值，如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟五；如果判斷結(jié)果為是，則完成波前校正過程。
本發(fā)明的原理如下
控制液晶空間光調(diào)制器4，使其產(chǎn)生等相位面，測量該相位面，所獲得的數(shù)據(jù)包含有效數(shù)據(jù)與無效數(shù)據(jù)，只有準確找到邊界，分離有效數(shù)據(jù)與無效數(shù)據(jù)，才能使反饋控制信號與待校正波前從像素上對準，實現(xiàn)高精度的波前校正。為此，將相位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制信號之前，本發(fā)明采用一種邊界定義法來準確定義測量數(shù)據(jù)的邊界。選取大于有效邊界范圍的相位數(shù)據(jù)外(/，y)，將其轉(zhuǎn)換成灰度數(shù)據(jù)g。(/,力
'>00',/).
2;r
對g。(!'J)采用Roberts梯度算子求差分:
"(";.)H g0 (" /) - g0 0.+W +1) H g0 0' +1,力- g0 (/, / +1) I
得到梯度數(shù)據(jù)g。'(/，/)，連接梯度最大值所對應(yīng)的像素作為邊界點，并計算邊界
內(nèi)的質(zhì)心坐標
利用邊界點和質(zhì)心坐標，就能夠準確定義出有效數(shù)據(jù)的邊界。
液晶空間光調(diào)制器4在線性工作范圍內(nèi)最大相位調(diào)制量為2it，那么一次
波前校正量最大不超過2ti。對于超過2;c的相位的波前，本發(fā)明采用循環(huán)反饋
迭加控制法，循環(huán)反饋殘余的波前相位數(shù)據(jù)，逐次累加控制信號，循環(huán)校正殘
余波前，使任意波前逐次逼近理想平面波。
初次測量波前相位為仍(U')， (/,力為任意像素點坐標，當波前相位^(/,力超
過2;t，甚至是2兀的幾倍時，對仍(/，/)以2兀為周期進行量化，然后取余數(shù)作為
初始相位
咖 畫/咖、<formula>formula see original document page 9</formula>當一力)小于2兀時，直接將A(/,力作為初始相位。對初始相位^(i,力取共軛后，將其轉(zhuǎn)換為控制信號g^J):
驅(qū)動液晶空間光調(diào)制器4對波前產(chǎn)生相位調(diào)制，相位調(diào)制量為^(/,y),測量波前殘余相位^(/,力，取共軛后將其轉(zhuǎn)換為控制信號g力w):
巧《,力=<^,力_侖"力
&0'，力=/]>^(/，力]
累加控制信號，循環(huán)波前校正過程m次
gnO;y)=/F^(o〕]
^附0',力=經(jīng)(4力+&(0.)+.
計算波前殘余相位的均方根值
直到波前殘余相位的均方根值達到預(yù)定值，不再有明顯減小為止，完成波
前校正過程。
權(quán)利要求
1、一種基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法，它是基于以下系統(tǒng)實現(xiàn)的所述系統(tǒng)包括數(shù)字相移干涉儀(1)、偏振片(2)、液晶空間光調(diào)制器(4)和波前控制器(5)，數(shù)字相移干涉儀(1)發(fā)出的激光光束經(jīng)偏振片(2)偏振后入射至待測試件，經(jīng)待測試件透射后入射至液晶空間光調(diào)制器(4)，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器(4)調(diào)制后沿入射光路反射至待測試件，經(jīng)待測試件透射至偏振片(2)，經(jīng)偏振片(2)透射至數(shù)字相移干涉儀(1)；數(shù)字相移干涉儀(1)的信號輸出端與波前控制器(5)的信號輸入端連接，所述波前控制器(5)的控制信號輸出端與液晶空間光調(diào)制器(4)的控制信號輸入端連接；其特征是所述基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法由以下步驟完成步驟一、控制液晶空間光調(diào)制器(4)，使其產(chǎn)生等相位面，測量所述等相位面各像素點的相位數(shù)據(jù) id="icf0001" file="A2009100726950002C1.tif" wi="14" he="4" top= "142" left = "76" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>并根據(jù)公式將所述各相位數(shù)據(jù) id="icf0003" file="A2009100726950002C3.tif" wi="12" he="4" top= "167" left = "71" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>轉(zhuǎn)換成灰度數(shù)據(jù)g0(i，j)；所述K為正整數(shù)；步驟二、采用Roberts梯度算子，對所述灰度數(shù)據(jù)g0(i，j)做差分運算，并根據(jù)公式g0′(i，j)＝|g0(i，j)-g0(i+1，j+1)|+|g0(i+1，j)-g0(i，j+1)|獲得梯度數(shù)據(jù)g0′(i，j)；步驟三、將所述梯度數(shù)據(jù)g0′(i，j)中的梯度最大值對應(yīng)的像素點作為邊界點，確定有效數(shù)據(jù)邊界；步驟四、將波前控制器(5)的控制信號置0；步驟五、采用數(shù)字相移干涉儀(1)測量待測試件，獲得待校正相位 id="icf0004" file="A2009100726950002C4.tif" wi="14" he="4" top= "242" left = "173" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>并判斷所述待校正相位 id="icf0005" file="A2009100726950002C5.tif" wi="12" he="4" top= "251" left = "71" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>是否大于2π；如果判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟五一；如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟六；步驟五一、對所述待測試件的待校正相位 id="icf0006" file="A2009100726950002C6.tif" wi="12" he="4" top= "270" left = "121" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>以2π為周期進行量化，然后取余數(shù)作為其待校正相位，并執(zhí)行步驟六；所述待測試件量化后的待校正相位的表達式為步驟六、根據(jù)公式對待校正相位 id="icf0009" file="A2009100726950003C3.tif" wi="12" he="4" top= "78" left = "50" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>取共軛，并將其轉(zhuǎn)換為控制信號gn(i，j)，將所述控制信號保存至波前控制器(5)；步驟七、波前控制器(5)根據(jù)所述控制信號gn(i，j)驅(qū)動液晶空間光調(diào)制器(4)對待校正波前相位 id="icf0010" file="A2009100726950003C4.tif" wi="12" he="4" top= "106" left = "76" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>進行調(diào)制，其相位調(diào)制量為 id="icf0011" file="A2009100726950003C5.tif" wi="15" he="4" top= "105" left = "150" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>然后采用數(shù)字相移干涉儀(1)測量調(diào)制后的波前殘余相位 id="icf0012" file="A2009100726950003C6.tif" wi="17" he="4" top= "115" left = "127" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>所述波前殘余相位 id="icf0013" file="A2009100726950003C7.tif" wi="14" he="4" top= "125" left = "20" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的值為步驟八、根據(jù)公式獲得波前殘余相位的均方根值 id="icf0016" file="A2009100726950003C10.tif" wi="8" he="3" top= "169" left = "95" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>式中 id="icf0017" file="A2009100726950003C11.tif" wi="14" he="4" top= "167" left = "116" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為第n+1次波前校正后的殘余相位，n為正整數(shù)，(i，j)為像素點坐標，所述i、j為正整數(shù)； id="icf0018" file="A2009100726950003C12.tif" wi="2" he="4" top= "178" left = "165" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為第n+1次波前相位平均值，N為灰度數(shù)據(jù)值g0(i，j)對應(yīng)像素點的行數(shù)，M為灰度數(shù)據(jù)g0(i，j)對應(yīng)像素點的列數(shù)，所述N、M均為正整數(shù)；步驟九、判斷步驟八獲得的均方根值 id="icf0019" file="A2009100726950003C13.tif" wi="6" he="3" top= "211" left = "110" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>是否達到預(yù)定值，如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟五；如果判斷結(jié)果為是，則完成波前校正過程。
全文摘要
一種基于液晶空間光調(diào)制器的循環(huán)反饋控制波前校正方法，它涉及自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有的波前校正方法主要采用變形鏡做為波前校正器校正波前，但是這種方法存在波前校正的分辨率低、行程受限制、有機械慣性的問題。本發(fā)明的方法是利用液晶空間光調(diào)制器代替變形鏡作為波前校正器，采用邊界定義法和循環(huán)反饋迭加控制法實施波前校正，不但能保證控制信號與待校正波前從像素上對準，提高波前校正的精度，而且還能實現(xiàn)超過2π相位的波前校正。本發(fā)明適用于高精度、高分辨的波前校正過程。
文檔編號G02F1/13GK101630074SQ20091007269
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月18日
發(fā)明者翔 劉, 吳麗瑩, 健 張, 張洪鑫 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)