一种基于液晶空间光调制器的循环反馈控制波前校正方法

摘要

一种基于液晶空间光调制器的循环反馈控制波前校正方法，它涉及自适应光学技术领域。现有的波前校正方法主要采用变形镜做为波前校正器校正波前，但是这种方法存在波前校正的分辨率低、行程受限制、有机械惯性的问题。本发明的方法是利用液晶空间光调制器代替变形镜作为波前校正器，采用边界定义法和循环反馈迭加控制法实施波前校正，不但能保证控制信号与待校正波前从像素上对准，提高波前校正的精度，而且还能实现超过2π相位的波前校正。本发明适用于高精度、高分辨的波前校正过程。

说明书

技术领域

本发明涉及自适应光学领域，具体涉及一种基于液晶空间光调制器的波前校正方法。

背景技术

波前校正就是利用波前校正器来改变光波波前的光程或相位分布，以及校正各种误差因素对光波波前造成的畸变。传统的波前校正器主要采用变形镜，但是变形镜存在分辨率低、致动器单元变形量小、有机械惯性、成本高等缺点，限制了它在工业和医疗等方面的应用。随着现代光学技术的发展，对高精度、高分辨、大行程波前校正技术的需求越来越大，在这样的背景下，中国科学院光电技术研究所的饶长辉等人于2007年8月22日申报的发明专利《基于共轭成像的多变形镜串连组合式波前校正器》，如图1所示，利用4f成像系统13将两个以上的变形镜11连接起来，构成一个组合式波前校正器，使每个波前    校正器都处在光学共轭成像位置，因此增加波前校正行程，克服单个变形镜11变形量小对波前校正行程的制约。但是该发明无法克服变形镜11分辨率低的不足，并且依靠增加变形镜的数量来加大波前校正行程，会成倍地增加成本。

中国科学院光电技术研究所张雨东等人于2007年1月3日申报的《基于共轭成像的组合式波前校正器》的发明专利，同样利用4f成像系统将两个以上的变形镜连接起来，构成一个组合式波前校正器，与《基于共轭成像的多变形镜串连组合式波前校正器》不同之处在于该发明将一个密集的驱动单元排列方案和排列数量的点阵分布，拆分成对称操作的几个部分，每一部分对应到一个波前校正器上，那么所有波前校正器组合到一起，形成了拆分前的驱动单元密集分布，其原理如图2所示。该发明虽然能提高波前校正的分辨率，但是无法克服致动器变形量小对波前校正行程的制约，并且依靠增加变形镜的数量提高分辨率，会成倍地增加成本。

发明内容

本发明是为了解决现有的波前校正方法主要采用变形镜做为波前校正器校正波前，但是这种方法存在波前校正的分辨率低、行程受限制、有机械惯性，以及成本较高的问题，从而提供一种基于液晶空间光调制器的循环反馈控制波前校正方法。

一种基于液晶空间光调制器的循环反馈控制波前校正方法，它是基于以下系统实现的：所述系统包括数字相移干涉仪、偏振片、液晶空间光调制器和波前控制器，数字相移干涉仪发出的激光光束经偏振片偏振后入射至待测试件，经待测试件透射后入射至液晶空间光调制器，经液晶空间光调制器调制后沿入射光路反射至待测试件，经待测试件透射至偏振片，经偏振片透射至数字相移干涉仪；数字相移干涉仪的信号输出端与波前控制器的信号输入端连接，所述波前控制器的控制信号输出端与液晶空间光调制器的控制信号输入端连接；

所述基于液晶空间光调制器的循环反馈控制波前校正方法由以下步骤完成：

步骤一、控制液晶空间光调制器，使其产生等相位面，测量所述等相位面各像素点的相位数据并根据公式：

将所述各相位数据转换成灰度数据g₀(i，j)；所述K为正整数；

步骤二、采用Roberts梯度算子，对所述灰度数据g₀(i，j)做差分运算，并根据公式：

g₀′(i，j)＝|g₀(i，j)-g₀(i+1，j+1)|+|g₀(i+1，j)-g₀(i，j+1)|

获得梯度数据g₀′(i，j)；

步骤三、将所述梯度数据g₀′(i，j)中的梯度最大值对应的像素点作为边界点，确定有效数据边界；

步骤四、将波前控制器的控制信号置0；

步骤五、采用数字相移干涉仪测量待测试件，获得待校正相位并判断所述待校正相位是否大于2π；如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤六；

步骤五一、对所述待测试件的待校正相位以2π为周期进行量化，然后取余数作为其待校正相位，并执行步骤六；所述待测试件量化后的待校正相位的表达式为：

步骤六、根据公式：

对待校正相位取共轭，并将其转换为控制信号g_n(i，j)，将所述控制信号保存至波前控制器；

步骤七、波前控制器(5)根据所述控制信号g_n(i，j)驱动液晶空间光调制器(4)对待校正波前相位进行调制，其相位调制量为然后采用数字相移干涉仪(1)测量调制后的波前残余相位所述波前残余相位的值为：

步骤八、根据公式：

获得波前残余相位的均方根值式中为第n+1次波前校正后的残余相位，n为正整数，(i，j)为像素点坐标，所述i、j为正整数；为第n+1次波前相位平均值，N为灰度数据值g₀(i，j)对应像素点的行数，M为灰度数据g₀(i，j)对应像素点的列数，所述N、M均为正整数；

步骤九、判断步骤八获得的均方根值是否达到预定值，如果判断结果为否，则执行步骤五；如果判断结果为是，则完成波前校正过程。

有益效果：本发明利用边界定义法，通过对波前相位数据的边界定义，能够准确分离有效数据与无效数据，保证波前相位数据与控制信号从像素上对准，提高波前校正精度；利用循环反馈迭加控制法，通过循环反馈相位数据与逐次累加控制信号，使任意波前逐次逼近理想平面波，从而实现相位超过2π的大行程的波前校正。并且本发明采用液晶空间光调制器代替变形镜作为波前校正器，具有功耗小、分辨率高、波前校正行程不受致动器单元变形量制约、不存在机械惯性、成本低的优点。

附图说明

图1是背景技术所述《基于共轭成像的多变形镜串连组合式波前校正器》的结构示意图；图2是背景技术中所述《基于共轭成像的组合式波前校正器》的原理示意图；图3是本发明的方法的流程示意图，图4是本发明的方法所采用装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，一种基于液晶空间光调制器的循环反馈控制波前校正方法，它是基于以下系统实现的：所述系统包括数字相移干涉仪1、偏振片2、液晶空间光调制器4和波前控制器5，数字相移干涉仪1发出的激光光束经偏振片2偏振后入射至待测试件，经待测试件透射后入射至液晶空间光调制器4，经液晶空间光调制器4调制后沿入射光路反射至待测试件，经待测试件透射至偏振片2，经偏振片2透射至数字相移干涉仪1；数字相移干涉仪1的信号输出端与波前控制器5的信号输入端连接，所述波前控制器5的控制信号输出端与液晶空间光调制器4的控制信号输入端连接；

所述基于液晶空间光调制器的循环反馈控制波前校正方法由以下步骤完成：

步骤一、控制液晶空间光调制器4，使其产生等相位面，测量所述等相位面各像素点的相位数据并根据公式：

将所述各相位数据转换成灰度数据g₀(i，j)；所述K为正整数；

步骤二、采用Roberts梯度算子，对所述灰度数据g₀(i，j)做差分运算，并根据公式：

g₀′(i，j)＝|g₀(i，j)-g₀(i+1，j+1)|+|g₀(i+1，j)-g₀(i，j+1)|

获得梯度数据g₀′(i，j)；

步骤三、将所述梯度数据g₀′(i，j)中的梯度最大值对应的像素点作为边界点，确定有效数据边界；

步骤四、将波前控制器5的控制信号置0；

步骤五、采用数字相移干涉仪1测量待测试件，获得待校正相位并判断所述待校正相位是否大于2π；如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤六；

步骤五一、对所述待测试件的待校正相位以2π为周期进行量化，然后取余数作为其待校正相位，并执行步骤六；所述待测试件量化后的待校正相位的表达式为：

步骤六、根据公式：

对待校正相位取共轭，并将其转换为控制信号g_n(i，j)，将所述控制信号保存至波前控制器5；

步骤七、波前控制器5根据所述控制信号g_n(i，j)驱动液晶空间光调制器4对待校正波前相位进行调制，其相位调制量为然后采用数字相移干涉仪1测量调制后的波前残余相位所述波前残余相位的值为：

步骤八、根据公式：

获得波前残余相位的均方根值式中为第n+1次波前校正后的残余相位，n为正整数，(i，j)为像素点坐标，所述i、j为正整数；为第n+1次波前相位平均值，N为灰度数据值g₀(i，j)对应像素点的行数，M为灰度数据g₀(i，j)对应像素点的列数，所述N、M均为正整数；

步骤九、判断步骤八获得的均方根值是否达到预定值，如果判断结果为否，则执行步骤五；如果判断结果为是，则完成波前校正过程。

本发明的原理如下：

控制液晶空间光调制器4，使其产生等相位面，测量该相位面，所获得的数据包含有效数据与无效数据，只有准确找到边界，分离有效数据与无效数据，才能使反馈控制信号与待校正波前从像素上对准，实现高精度的波前校正。为此，将相位数据转换成控制信号之前，本发明采用一种边界定义法来准确定义测量数据的边界。选取大于有效边界范围的相位数据将其转换成灰度数据g₀(i，j)：

对g₀(i，j)采用Roberts梯度算子求差分：

g₀′(i，j)＝|g₀(i，j)-g₀(i+1，j+1)|+|g₀(i+1，j)-g₀(i，j+1)|

得到梯度数据g₀′(i，j)，连接梯度最大值所对应的像素作为边界点，并计算边界内的质心坐标：

$Z(i,j)=Z(\frac{x_n-x_m}{2},\frac{y_l-y_k}{2})$

利用边界点和质心坐标，就能够准确定义出有效数据的边界。

液晶空间光调制器4在线性工作范围内最大相位调制量为2π，那么一次波前校正量最大不超过2π。对于超过2π的相位的波前，本发明采用循环反馈迭加控制法，循环反馈残余的波前相位数据，逐次累加控制信号，循环校正残余波前，使任意波前逐次逼近理想平面波。

初次测量波前相位为(i，j)为任意像素点坐标，当波前相位超过2π，甚至是2π的几倍时，对以2π为周期进行量化，然后取余数作为初始相位：

当小于2π时，直接将作为初始相位。对初始相位取共轭后，将其转换为控制信号g₁(i，j)：

驱动液晶空间光调制器4对波前产生相位调制，相位调制量为测量波前残余相位取共轭后将其转换为控制信号g₂(i，j)：

累加控制信号，循环波前校正过程m次：

g′_m(i，j)＝g₁(i，j)+g₂(i，j)+…+g_m(i，j)

计算波前残余相位的均方根值：

直到波前残余相位的均方根值达到预定值，不再有明显减小为止，完成波前校正过程。