CN102566590B - 光学元件智能调整系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件智能调整系统及方法，所述光学元件智能调整系统，包括种子光源、带有光学元件调整架的光路放大系统、传感器阵列、数据同步采集处理器、用于实现智能优化算法的主控计算机、步进电机集中控制器，以及步进电机。传感器阵列用来捕获光路放大系统输出光束的光束质量数据，数据同步采集处理器分别与传感器阵列、主控计算机连接，步进电机与主控计算机分别与步进电机集中控制器连接，步进电机与光学元件调整架连接。本发明的光学元件智能调整系统及方法采用智能优化算法实现对光学元件的位置和角度进行自动调整。

Description

光学元件智能调整系统及方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及的是一种光学元件智能调整系统及方法。

背景技术

自1960年激光器诞生以来，激光技术、理论、激光器件及应用得到了飞速发展，在科学研究、医学、工业加工、军事等领域得到了广泛的应用。因此，研究激光光路调节的方法和装置是十分必要和重要的。

现有的激光装置光路调节方法一般采用手动方式，根据试验的结果调整光学元件的位置和角度，如此反复数次，直至光路的输出与期望的光斑质量一致时，才满足设计的要求。在这一过程中，光学元件的位置和角度往往需要反复进行多次，才能找到合适的元件位置和角度，达到光路放大和波形整形的目的，上述操作过程容易引起操作人员的视疲劳，同时手动调节，存在随机性较大，可重复性不高，效率较低等问题，因为对于光斑质量判定由操作者主观判定，差异较大，无定量分析，难以保证输出精度。

对于大型激光装置，由于含有大量激光器件、光学元件和组件，其光路调节难度和复杂度相应增大。传统的手动方式，已不能满足设计的需要。同时对于一个已经预先调整好的激光系统，其元器件的位置均已固定，但由于温度变化、反射镜机械结构蠕变、地基和支撑框架微振动、振荡器输出光束反向漂移和其他随机因素的影响，光束会偏离原定光路，因此在激光装置重新使用前同样需要对光路进行调整。

为解决上述问题，目前，已有采用步进电机方式代替人工调节光学元件的光路调节自动化装置，利用步进电机驱动光学元件调整架，改变光学元件位置和角度，使光路输出满足设计要求。并且已有带有光路输出反馈的自动调节系统，根据反馈的光路输出信息，调整光学元件，使光路输出满足参数要求。

现有的光学元件调节装置，通过CCD等传感器对光路输出进行测量，操作者通过视觉判断或软件方式，对光斑质量进行评定，然后决定如何对光学元件进行调整。现有的方法，一定程度上提高了系统的自动化程度，提高了效率，使系统的精度有所提高。但由于传感器单一，往往只反映光斑质量的某个指标，不能描述光斑的完整信息，因此，以此设计的光路，精度不高，在一些应用要求较高的场合，将无法满足用户的要求。同时，对于一些需要调整光学元件数目较多的复杂系统，调试复杂度增加，难以搜寻到系统最优解，实现困难。

因此，迫切需要设计一种能自动调整光路光学元件的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学元件智能调整系统及方法，旨在解决现有的光学元件调整装置智能化程度不高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种光学元件智能调整系统，包括：

种子光源；

带有光学元件调整架的光路放大系统，所述种子光源向光路放大系统注入输入光；

传感器阵列，用来捕获光路放大系统输出光束的光束质量数据；

数据同步采集处理器，与传感器阵列连接；

主控计算机，与数据同步采集处理器连接，主控计算机首先根据设计要求确定期望目标函数，当种子光源向光路放大系统注入输入光时，主控计算机通过数据同步采集处理器控制传感器阵列捕获输出光束的光束质量数据，数据同步采集处理器对光束质量数据进行处理，得到反映实际光束质量的综合性能指标，主控计算机将设定的期望目标函数与反映实际光束质量的综合性能指标进行比较，得到误差信号，并根据得到的误差信号计算出调整数据；

步进电机，与光学元件调整架连接；

步进电机集中控制器，与主控计算机和步进电机分别连接，主控计算机控制步进电机集中控制器根据计算得到的调整数据向步进电机发送控制信号，步进电机根据控制信号驱动光学元件调整架对光路放大系统中的光学元件进行位置和角度调整。

所述的光学元件智能调整系统，其中，传感器阵列包括霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪，数据同步采集处理器包括模数转换器、现场可编程门阵列、数字信号处理器、随机存储器，其中，霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪分别与模数转换器连接，模数转换器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器还与主控计算机连接，数字随机存储器分别与信号处理器和现场可编程门阵列连接。

所述的光学元件智能调整系统，其中，数据同步采集处理器通过PCI或网线连接到主控计算机。

一种光学元件智能调整方法，包括：

S1：根据设计要求，确定期望目标函数；

S2：种子光源向光路放大系统注入输入光；

S3：主控计算机通过数据同步采集处理器控制传感器阵列捕获输出光束的光束质量数据；

S4：数据同步采集处理器对光束质量数据进行数字滤波，得到真实反映光束质量的数据；

S5：判断实际光束质量是否满足设计要求，如果是，则结束；否则，执行S6；

S6：将滤波后的数字信号进行归一化处理，并根据其在期望目标函数中的各自权重，得到反映实际光束质量的综合性能指标；

S7：将系统设定的期望目标与反映实际光束质量的综合性能指标进行比较，得到指标的误差信号；

S8：根据得到的误差信号，计算各步进电机移动的步数和移动方向；

S9：步进电机驱动光学元件调整架对相应的光学元件进行位置和角度调整，得到新的光束输出；然后执行S3。

所述的光学元件智能调整方法，其中，传感器阵列包括霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪，数据同步采集处理器包括模数转换器、现场可编程门阵列、数字信号处理器、随机存储器，其中，霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪分别与模数转换器连接，模数转换器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器还与主控计算机连接，数字随机存储器分别与信号处理器和现场可编程门阵列连接。

本发明的有益效果：

本发明的光学元件智能调整系统采用智能优化算法搜寻最佳的光学元件位置和角度，摆脱了传统的手动处理方法，采用高灵敏度的传感器阵列捕获输出光束质量信息，采用高速的电子线路对信号进行采集、调理、存储，并利用步进电机控制和驱动阵列，完成自动调节的目的。其优势在于采用智能优化算法搜寻最佳的光学元件位置和角度，信号采集系统记录了光束输出的多个性能指标信息，从而提供了更全面的实际输出光束信息，以此为基础可提高光学系统输出光束的精度和质量。

附图说明

图1是本发明光学元件智能调整系统的示意图；

图2是图1中传感器阵列及数据同步采集处理器的示意图；

图3为本发明光学元件智能调整方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

为克服现有光路调节技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于智能优化算法的光路系统光学元件智能调整方法，通过光路信息反馈传感器阵列、可高速、高灵敏度地采集、记录融合时间、空间和频谱等指标的光路输出光束质量信息，借助电机驱动阵列达到最优调节光路系统光学元件的方法。

本发明还提供了实现上述方法的光学元件智能调整系统。

请参阅图1，实现上述光学元件智能调整方法的光学元件智能调整系统包括种子光源、带有光学元件调整架的光路放大系统(包括需要调整的二维俯仰镜片、转台波片、液晶光阀)、传感器阵列、数据同步采集处理器、用于实现智能优化算法的主控计算机、步进电机集中控制器、步进电机。传感器阵列分布于光路放大系统中待调整光学元件位置，其输出接入数据同步采集处理器，数据同步采集处理器完成模数转换，数据同步采集处理器通过PCI或网线等方式连接到主控计算机。

请参阅图2，传感器阵列包括霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪等传感器。数据同步采集处理器包括模数转换器(AD)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、随机存储器(RAM)。其中，霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪分别与模数转换器连接，模数转换器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器还与主控计算机连接，数字随机存储器分别与信号处理器和现场可编程门阵列连接。

数据同步采集处理器内的数据流向为：信号由模数转换器至现场可编程门阵列再至数字信号处理器和随机存储器，数据自数字信号处理器传至主控计算机。

现场可编程门阵列控制信号的模数转换、数据的缓冲并在缓冲区半满或全满时向数字信号处理器发送数据；数字信号处理器用于数据的读取、分析或传输，分析结果的输出或传输；随机存储器用于存储中间数据。

为节省现场可编程门阵列(现场可编程门阵列)的管脚资源，多路模数转换采用了共享数据总线技术，在完成模数转换后，现场可编程门阵列通过分时读取多路模数转换的转换结果，所有读取结果读取完成后，向主控计算机发出中断请求，通知主控计算机读取光束质量的采集数据。

从现场可编程门阵列到数字信号处理器的数据流采用了乒乓式的传输模式，即在现场可编程门阵列中开辟一个双口RAM区，当存储数据半满或全满时即向数字信号处理器发送中断。在中断处理程序中，数字信号处理器先判别中断类型(半满或全满)，若为半满则读取前半部分地址上的数据，并通过EMIF总线存入随机存储器中，新采集的数据继续向现场可编程门阵列中的双口RAM区后半部分地址存储；否则，数字信号处理器读取后半部分地址上的数据，新采集的数据从双口RAM区首地址开始存储。这样数据传输与采样同时进行，二者互不影响，提高了信号采集和数据传输的效率。

主控计算机接收到数据同步采集处理器的中断请求信号后，通过PCI、网线等方式读取数字信号处理器中的光束质量信息，并将该信息进行数字滤波处理消除信号中的扰动信息，同时经过数字信号处理(例如进行傅立叶变换或时间频率变换等)，将其变换为描述光束质量的指标信息，同时将其进行归一化处理，并根据各指标信息在光束质量目标函数的权重，得到实际测量的光束质量函数，供给智能优化算法寻找系统最优解使用。

主控计算机中的智能优化算法用于将模数转换后的数字信息与光路输出目标质量函数进行比较得到目标误差信号，然后根据此误差信号计算得到调整数据，也即是步进电机移动的步数和移动方向，步进电机集中控制器根据计算得到的步进电机移动步数和移动方向，向步进电机发送控制信号，驱动相应的步进电机按设定的方向和步数转动，步进电机通过传动丝杆带动光学元件调整架，将光学元件调整到指定的位置和角度。

本发明将传统的光学系统单一传感器方式改为传感器阵列，即将反映光束质量不同指标的传感器密布于光路系统中，即将高灵敏度、高集成度的传感器密布于光路输出的各个监测点，数据同步采集处理器接收主控计算机的控制命令，控制数据同步采集处理器中的多个模数转换器同时工作，保证传感器阵列对输出光束进行同步采样，这样采集到的光束信息就可以真实地反映采样时刻的光束质量。

本发明的光学元件智能调整方法包括如下步骤：

S1：根据设计要求，确定期望目标函数。

根据设计的指标要求，确定光路系统的期望输出，并以数学表达式的方式，对光束的质量进行描述，为了描述完整的光束质量信息，采用线性加权等方式，将反映光束质量的信息融入到一个期望目标函数中，这样将多目标寻优问题转化为单目标寻优问题。

S2：种子光源向光路放大系统注入输入光。

S3：主控计算机通过数据同步采集处理器控制传感器阵列捕获输出光束的光束质量数据。

S4：数据同步采集处理器对光束质量数据进行数字滤波，得到真实反映光束质量的数据。

S5：判断实际光束质量是否满足设计要求，如果是，则结束；否则，执行S6。

S6：将滤波后的数字信号进行归一化处理，并根据其在期望目标函数中的各自权重，得到反映实际光束质量的综合性能指标。

S7：将系统设定的期望目标与反映实际光束质量的综合性能指标进行比较，得到指标的误差信号。

S8：根据得到的误差信号，采用智能优化算法计算各步进电机移动的步数和移动方向。

S9：步进电机驱动相应光学元件进行位置和角度调整，得到新的光束输出。

然后重复执行S3，直至得到系统期望的光路输出。

下面详细介绍智能优化算法：

智能优化算法用于实现光学元件的位置和方向的调整，首先将光学元件的调整问题，转化为系统参数寻优问题，参数寻优问题就是研究根据表征系统特定性能的动态优化指标，求出满足全部约束条件并使目标函数取得极值(极小值或极大值)的优化变量的解，本发明中，约束条件就是在特定范围内，调节光学元件的位置和角度，目标函数就是综合光束质量信息的函数，通过智能优化算法从而达到改善和提高机构性能，解决参数设计试凑工作量大的问题。

智能优化算法是一种新型群体智能进化计算技术，它模仿自然界的生物觅食、繁殖等行为，将问题的搜索空间类比于生物活动的空间，将每个抽象为一个无质量无体积的微粒，用以表征问题的一个候选解，优化所需要寻找的最优解则等同于要寻找的食物或繁殖的优良品种。智能优化算法具有记忆微粒最佳位置的能力和微粒间信息共享的机制，即通过种群间个体的合作与竞争来实现对优化问题的求解。该算法保留了基于种群的全局搜索策略，同时特有的记忆使算法可动态跟踪当前的搜索情况来调整其搜索策略。在本发明中，最优解集对应光学元件在光路系统中的位置和光学元件的角度，每次生物觅食或繁殖的过程，就是一次移动光学元件在光路系统中的位置和调整光学元件的角度的过程。

本发明将智能优化算法每次计算得到的解集，转化为光学元件移动步数、调整角度和变化的方向，主控计算机将该命令信息发送给步进电机集中控制器，步进电机集中控制器将命令解析后发送控制信号到现场可编程门阵列，为节省资源和减少体积驱动单元采用了共享技术，8路步进电机共享一个H桥驱动电路，步进电机控制采用分时控制方式，现场可编程门阵列根据步进电机集中控制器的控制命令，选中相应的控制电机，向其发送控制命令，使其移动到目标位置。

本发明的光学元件智能调整系统采用智能优化算法搜寻最佳的光学元件位置和角度，摆脱了传统的手动处理方法，采用高灵敏度的传感器阵列捕获输出光束质量信息，采用高速的电子线路对信号进行采集、调理、存储，并利用步进电机控制和驱动阵列，完成自动调节的目的。其优势在于采用智能优化算法搜寻最佳的光学元件位置和角度，信号采集系统记录了光束输出的多个性能指标信息，从而提供了更全面的实际输出光束信息，以此为基础可提高光学系统输出光束的精度和质量。

本发明的应用领域包括激光切割、加工、激光放大等领域。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种光学元件智能调整系统，其特征在于，包括：

种子光源；

带有光学元件调整架的光路放大系统，所述种子光源向光路放大系统注入输入光；

传感器阵列，用来捕获光路放大系统输出光束的光束质量数据；

数据同步采集处理器，与传感器阵列连接；

主控计算机，与数据同步采集处理器连接，主控计算机通过数据同步采集处理器控制传感器阵列捕获输出光束的光束质量数据，所述数据同步采集处理器对光束质量数据进行处理，得到反映实际光束质量的综合性能指标，主控计算机将预设的目标函数与反映实际光束质量的综合性能指标进行比较，得到误差信号，并根据得到的误差信号计算出调整数据；

步进电机，与光学元件调整架连接；

步进电机集中控制器，与主控计算机和步进电机分别连接，主控计算机控制步进电机集中控制器根据计算得到的调整数据向步进电机发送控制信号，步进电机根据控制信号驱动光学元件调整架对光路放大系统中的光学元件进行位置和角度调整；其中，

所述传感器阵列包括霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪；所述数据同步采集处理器包括模数转换器、现场可编程门阵列、数字信号处理器、随机存储器；霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪分别与模数转换器连接，模数转换器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器还与主控计算机连接，数字随机存储器分别与信号处理器和现场可编程门阵列连接。

2.根据权利要求1所述的光学元件智能调整系统，其特征在于，数据同步采集处理器通过PCI或网线连接到主控计算机。

3.根据权利要求1所述的光学元件智能调整系统，其特征在于，所述调整数据为步进电机移动的步数和移动方向。

4.一种光学元件智能调整方法，其特征在于，包括：

S1：根据设计要求，确定期望目标函数；

S2：种子光源向光路放大系统注入输入光；

S3：主控计算机通过数据同步采集处理器控制传感器阵列捕获输出光束的光束质量数据；

S4：数据同步采集处理器对光束质量数据进行数字滤波，得到真实反映光束质量的数据；

S5：判断实际光束质量是否满足设计要求，如果是，则结束；否则，执行S6；

S6：将滤波后的数字信号进行归一化处理，并根据其在期望目标函数中的各自权重，得到反映实际光束质量的综合性能指标；

S7：将系统设定的期望目标与反映实际光束质量的综合性能指标进行比较，得到指标的误差信号；

S8：根据得到的误差信号，计算各步进电机移动的步数和移动方向；

S9：步进电机驱动光学元件调整架对相应的光学元件进行位置和角度调整，得到新的光束输出；然后执行S3；其中，

所述传感器阵列包括霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪；所述数据同步采集处理器包括模数转换器、现场可编程门阵列、数字信号处理器、随机存储器；霍尔传感器、CCD、光电探头、能量计、功率计、光谱仪分别与模数转换器连接，模数转换器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器与现场可编程门阵列连接，数字信号处理器还与主控计算机连接，数字随机存储器分别与信号处理器和现场可编程门阵列连接。

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