一种空间光场合成自适应系统的控制方法

摘要

本发明公开一种空间光场合成自适应系统的控制方法，包括以下步骤：a.计算机控制系统产生目标光场分布图及电压信号，把电压信号加至液晶空间光调制器；b.多束相干光通过调制干涉，得到光场分布图；c.采集光场分布图，与目标光场分布图利用误差函数进行比较，得到差值A；d.选择液晶像素使其电压值增加小增量，对相干光重新调制，得到新光场分布图，与目标光场分布图比较，得到差值B，B比A小时，将光场分布图保存，将A更新为B，执行下一步骤；B比A大时，计算接收容许度，B在容许度内将A更新为B，否则保留A；e.在当前温度下重复步骤d N次，然后降温，当降到预定温度或A达到预定值时，完成液晶空间光调制器自适应控制。

说明书

技术领域

本发明属于微纳光子器件制备控制工程领域，涉及一种空间光场合成自适应系统的控制方法。

背景技术

在微纳光子器件制备技术中，空间域光场合成技术的一种重要应用是通过多光束干涉，使得光场强度分布的空间分辨率达到微米与亚微米量级，并使用光敏材料记录所建立的光场分布，这种应用技术被称为全息印刷制备技术。它被广泛应用于布拉格反射镜、光子晶体与集成光子器件的制备。我国的多个科研院所与大专院校在全息印刷制备的理论与实验研究方面也取得了一些优异成果。

目前，微纳光子器件制备方法主要有以下几类：(1)化学自组织生长法，(2)逐点微加工法、(3)光学全息印刷术与(4)多步骤组合法。这些方法各有优缺点，化学自组织生长发能够制作大面积均匀的微纳结构，制作费用低，但一般只可以制作结构简单的光子晶体，而不能精确制作各种不同功能和结构的微纳光子器件。逐点微加工法包括电子束刻蚀，离子束刻蚀，双光子吸收光刻与激光直写等技术，该方法可以精确制作各种三维微纳结构，但是制作费用高，制作周期长，而且很难制作大面积的材料。光学全息印刷术具有无缺陷，大体积，成本低，效率高，品质好的优点，却仅仅局限于简单的周期微纳结构的材料制备。随着加工步骤的不断增多，加工成本更高，精确度也随之下降。对于意义更为重大的功能性微纳光子器件的制备，当前尚无简单实用的制备方法。如果能够结合空间复杂光场的合成技术，将光场合成模块化，建立常规的周期模块和特殊的缺陷模块，并很好的对两个模块进行重叠组合，可望将光学全息印刷制备技术扩展其制备功能性光子晶体的能力。这一方法的核心问题，就是合成微纳光子器件制备所需的空间光强分布，并在光敏材料中记录这种空间图案，通过后续工艺，精确而快速地制备功能性微纳光子器件。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种精度高且效率高的空间光场合成自适应系统的控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种空间光场合成自适应系统的控制方法，该系统包括光学系统、液晶空间光调制器及计算机控制系统，该方法包括以下步骤：

a.计算机控制系统产生目标光场分布图及与液晶空间光调制器中液晶像素对应的电压值，并把电压值加至液晶空间光调制器上；

b.由光学系统产生的多束相干光通过液晶空间光调制器调制后干涉，得到光场分布图；

c.计算机控制系统采集光场分布图，并与目标光场分布图利用误差函数进行比较，得到一个差值A；

d.计算机控制系统在液晶空间光调制器液晶像素的电压值上增加一小增量ΔU，对多束相干光重新调制，得到新光场分布图，并与目标光场分布图利用误差函数进行比较，得到差值B，将差值A与差值B进行比较，当差值B比差值A小时，计算机控制系统将此时采集到的光场分布图进行保存，并将差值A更新为差值B，执行下一步骤；当差值B比差值A大时，则计算接收容许度，若差值B在当前温度的容许范围之内时，则差值A仍更新为差值B，电压值也保持为U+ΔU，否则，若差值B在当前温度超出容许范围时，差值A不更新，电压值变为U；

e.在当前温度下步骤d重复执行n次，然后降温；

f.当前温度降到预定温度或差值A达到预定值时，完成液晶空间光调制器自适应控制，否则返回步骤e。

当前温度的容许度P由以下式子计算：

                P＝e^-C·(B-A)/T，

P与P′比较，P′是指在0到1之间的预设参数，C为预设系数，当P大于P′，差值A的改变将被接收，否则不接收。

差值A由此误差函数式子得出：$A=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(I(i,j)-I_{t\arg \mathrm{et}}(i,j))}^2,$其中，i，j为光场分布图的坐标，N为分布图像素个数。

计算机控制系统采集到的光场分布图与目标光场分布图具有由多个256级灰度像素组成的图。

该计算机控制系统包括用于采集光场分布图的CMOS或CCD及产生目标光场分布图、将目标光场分布图与光场分布图进行运算比较的处理系统。

附图说明

图1为本发明的模拟退火算法流程控制流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

本实验室(中山大学光电材料与技术国家重点实验室)在一维和二维功能性光子晶体研究和材料制备方面已取得了一定的成果。实验室致力于空间干涉光场的合成研究，已经实现空间干涉光场的自适应反馈控制合成。在我们原有在一维和二维功能性光子晶体研究基础上，采用本发明的闭环回路的自适应算法控制，实现空间光场的“直接”合成。而我们采用的是实用性强的模拟退火算法。模拟退火算法，是用固体退火模拟组合优化问题，将内能E模拟为目标函数值f，温度T演化成参数t，即得到解组合优化问题的模拟退火算法：由初始解i和控制参数初值t开始，对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代，并逐步衰减t值，算法终止时的当前解即为所得近似最优解。退火过程由初值t及其衰减因子Δt、每个t值时的迭代次数N和停止条件S。

本发明提供了一种空间光场合成自适应系统的控制方法，该系统包括光学系统、液晶空间光调制器及计算机控制系统，该方法包括以下步骤：

a.计算机控制系统产生目标光场分布图及与液晶空间光调制器中液晶像素对应的随机电压信号，并把电压信号加至液晶空间光调制器上；

b.由光学系统产生的多束相干光通过液晶空间光调制器调制后干涉，得到光场分布图；

c.计算机控制系统采集光场分布图，并与目标光场分布图利用误差函数进行比较，得到一个差值A；

d.计算机控制系统在液晶空间光调制器液晶像素的电压值上增加一小增量ΔU，对多束相干光重新调制，得到新光场分布图，并与目标光场分布图利用误差函数进行比较，得到差值B，将差值A与差值B进行比较，当差值B比差值A小时，计算机控制系统将此时采集到的光场分布图进行保存，并将差值A更新为差值B，执行下一步骤；当差值B比差值A大时，则计算接收容许度；若差值B在当前温度的容许范围之内时，则差值A仍更新为差值B，电压值也保持为U+ΔU，否则，若差值B在当前温度超出容许范围时，差值A不更新，电压值变为U；

e.在当前温度下步骤d重复执行n次，然后降温；

f.当前温度降到预定温度或差值A达到预定值时，完成液晶空间光调制器自适应控制，否则返回步骤e。

当前温度的容许度P由以下式子计算：

                P＝e^-C·(B-A)T，

其中，P与P′比较，P′是指在0到1之间的预设参数，C为预设系数，当P大于P′时，差值A的改变将被接收，否则不接收。

差值A由此误差函数式子得出：$A=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{(I(i,j)-I_{t\arg \mathrm{et}}(i,j))}^2,$其中，i，j为光场分布图的坐标，N为分布图像素个数。

在我们的实验中，我们可以用一个简单的函数来更新温度：

                    T′＝r·T

其中，r的值在0到1之间，根据我们实验上一般取0.9。从P的表达式可以看出，随着温度T的降低，接受容许度P就会下降，相位的改变变得越来越难被接受了。另一方面，随着探测到的误差函数逐步地改进，光强分布图案也会逐渐地接近目标。

在实验室条件下，如果采用手动方法，逐个地对液晶空间光调制器的每一个像素的电压进行调节，从而控制每一个光束的相位，如果光束的数目为七个，这样要得到带功能缺陷光子晶体结构的目标光场分布也得花上几天的时间。但如果我们采用附图所示的自适应闭环控制系统，此系统工作效率比手动高很多，速度约10-12Hz。CMOS每采集到一幅光场分布图后，就通过USB线传送给计算机，计算机就会把采集到的光场分布图与目标光场分布图比较分析，然后反馈输出液晶电压。系统施加到液晶上的电压并不是简单的改变一下电压，而是运用了模拟退火算法，经过一定地优化运算后，再把运算值转换成电压值加到液晶上，从而大大地提高了系统的工作效率。系统每采集到与目标光场分布图更接近的图像后，都会以bmp的图像格式保存在电脑上，直到CMOS采集到的光场分布符合实验要求。

下面是模拟退火算法流程：如图1所示，

1.labview8.2程序初始化时，设定初始温度，在计算机上产生所要的目标光场分布图、与液晶像素对应的随机电压信号，并把电压信号加在液晶上。

2.多束光分别通过液晶上的像素，当电压加到对应的液晶像素时，通过液晶的光的相位就会发生改变，这些光通过透镜聚焦后，干涉所得到的光场分布相对于原来未改变电压时的光场分布就会发生改变，改变后的光场分布图由CMOS/CCD采集。

3.采集到的光场分布图与目标光场分布图都是由很多个256级灰度像素组成的图，把采集到的光场分布图与目标光场分布图作比较，得到一个数值A。

4.计算机随便选择一部分液晶像素(如10％)，计算机在这些像素电压值的基础上增加一个小增量，并通过液晶电压驱动器重新加到对应的液晶像素上，这时通过这个液晶像素的光束的相位发生新的改变，多光束干涉得到新的光场分布图。然后再做步骤4，得到一个新的数值B。A与B比较，如果B的值比A小，就把此时采集到的光场分布图保存在电脑上面，并把A的值更新为B值，电压值保持为新的值，保存采集到的图像；如果B的值比A大，不保存图像，但如果在当前温度的容许范围之内，刚A的值仍更新为B值，电压值也保持为新的，否则，A的值不更新，电压值变为原来未增加小增量时的值。

5.在同一个温度下，重复步骤4，如果同一个温度下A的值更新了N次，则温度降低为下一个温度。

6.当温度降低为下一个温度，重复步骤4、5。

7.直到温度降到某一个设定的值或A低于某一个值，程序就自动停止。