CN107065124B - 一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，利用液晶空间光调制器产生可编程的菲涅尔透镜结构，通过对光束进行位相或振幅调制，实现对光束焦点的轴向偏移与横向偏移的精确调节；在此基础上利用面阵探测器检测光束焦点的三维偏移信息，结合闭环算法及图像处理，进一步实现对光束聚焦点三维位置的实时反馈控制。本发明具有速度快、精度高、体积小以及可以便于实现聚焦位置三维控制的优点。

Description

一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法

技术领域

本发明涉及激光调控技术领域，尤其涉及一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法。

背景技术

激光具有指向性好、能量集中的特点，被广泛应用于通信、测量、加工等众多领域以及前沿科学研究。在实际应用中，如精密测量、激光加工等，往往需要精密控制光束聚焦点位置，快速调整激光的聚焦距离。而对于自由空间光通信等需要较长距离传输的应用，由于传输路径中光学元件的不稳定性以及各种环境扰动因素的影响，也需要对光束聚焦进行精密的反馈控制以保证传输的实时稳定性。因此对光束聚焦控制方法的研究具有重要的实际意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，基于液晶空间光调制器实现对光束聚焦点三维位置的可编程控制，结合面阵探测可进一步实现对聚焦点位置的实时反馈控制；对比传统的机电控制方法，本发明具有速度快、精度高、体积小以及可以便于实现聚焦点位置三维控制的优点。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，利用液晶空间光调制器产生可编程的菲涅尔透镜结构，通过对光束进行位相或振幅调制，实现对光束焦点的轴向偏移与横向偏移的精确调节；在此基础上用面阵探测器检测光束焦点的三维偏移信息，结合闭环算法及图像处理，进一步实现对光束聚焦点三维位置的实时反馈控制。

进一步地，所述利用液晶空间光调制器产生可编程的菲涅尔透镜结构以实现动态的聚焦控制，液晶空间光调制器对光束的调制方式采用位相调制或者振幅调制；

所述对光束进行位相调制，其具体为：利用液晶空间光调制器产生同心圆环状的波带型位相结构，将每个波带划分台阶；设波带数为N，每个波带划分L个台阶，则其中第k个台阶调制的位相φ为：

第j个波带的半径r_j为：

式中，λ为入射光波长，f_z为焦距；

所述对光束进行振幅调制，具体为：

利用液晶空间光调制器产生同心圆环状的波带结构，奇数波带振幅透过率为1，偶数波带振幅透过率为0；其中，第j个波带的半径r_j为：

式中，λ为入射光波长，f_z为焦距。

进一步地，所述对光束焦点的轴向偏移与横向偏移的精确调节，其中，对轴向偏移的精确调节是通过改变可编程菲涅尔透镜结构的波带半径实现的；对横向偏移的精确调节，是通过偏心透镜法实现的；所述偏心透镜法，利用平行光束焦点始终落在透镜光轴上特点，控制菲涅尔波带中心平移，光束焦点也会同向平移相同的距离，而焦点位置坐标的轴向分量不变。

进一步地，所述利用面阵探测器检测光束焦点的轴向偏移与横向偏移信息，具体为：

其中，光束焦点的横向偏移由探测器上的光斑中心坐标

给出，具体通过如下一阶矩法获得：

式中，(x_i,y_i)为探测器任意像素元的位置坐标，I为该像素元测得的光强度值；

光束焦点的轴向偏移通过测量探测面上的光斑大小间接判断；所述光斑大小利用如下二阶矩法计算光斑的二维半径(w_x,w_y)：

光斑的平均半径R＝(w_x+w_y)/2反映了轴向的离焦程度，R越大表明实际焦面距离探测面越远。

进一步地，所述结合闭环算法及图像处理，其具体为：由计算机程序对液晶空间光调制器和面阵探测器进行统一控制，所述闭环算法采用比例-积分-微分算法进行闭环控制，具体控制步骤为：

S31、程序初始化：设定光束焦点的目标位置，目标位置包括轴向目标位置和横向二维目标位置；在实际应用中，光束焦点的轴向目标位置对应光斑平均半径R取极小的点，而横向二维目标位置由后端系统决定，或者由控制程序初始设定；

S32、面阵探测器采集光斑图像，计算光斑半径以及中心位置坐标，结合光束焦点的目标位置信息判断轴向与横向的偏移量；

S33、根据PID算法确定焦点的轴向和横向位置的调整量，调整动态菲涅尔透镜结构分布并重新加载到液晶空间光调制器中；

S34、重复步骤S31-S33，直至光斑平均半径R以及光斑中心的横向二维偏离量降至最小或低于误差上限。

进一步地，所述步骤S32中面阵探测器采集光斑图像，在面阵探测器获取的光斑图像质量较差的情况下，先对光斑图像进行滤波去噪处理，具体为：先将光斑图像数据变换到小波域，滤波后进行逆小波变换并对其阈值化处理。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明利用液晶空间光调制器产生可编程的菲涅尔透镜结构，同时运用PID算法高速地反馈调控，实现激光聚焦焦点三维位置的精密、快速控制；

2、本发明所采用方法在调节过程中不同偏移量之间不存在耦合影响，且横向偏移调节对光传输距离不敏感，因而有利于调节速度和精度的提高；

3、本发明利用可编程的菲涅尔透镜代替传统电控机械移动的方式控制激光光束聚焦偏移，对比传统方式，本方法具有速度快、精度高、体积小以及可以实现偏转与聚焦控制于一体的优点；

4、本发明中稳定快速的数字图像处理方法，使用多贝西小波变换结合自适应的阈值处理方案，实现高效快速的图像去噪算法；

5、本发明使用PID控制算法，大幅优化控制速度，同时建立闭环反馈控制流程，实现对激光束聚焦和偏移的自动控制。

附图说明

图1为本发明一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法中使用的光路系统原理图；

图2为本发明一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法中光斑图像小波变换处理后的三维图；

图3为本发明一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法中闭环控制流程图；

图4为本发明一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法中光束轴向聚焦控制流程图；

图5为本发明一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法中光束横向偏移调节原理图；

图6为本发明一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法中光束横向偏移控制流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本发明提供了一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，利用液晶空间光调制器产生可编程的菲涅尔透镜结构，通过对光束进行位相或振幅调制，实现对光束焦点的轴向偏移与横向偏移的精确调节；在此基础上利用面阵探测器检测光束焦点的三维偏移信息，结合闭环算法及图像处理，进一步实现对光束聚焦点三维位置的实时反馈控制。

本发明对光束聚焦控制的核心原理是利用可编程的菲涅尔透镜调控光束。

可编程菲涅尔透镜是利用液晶空间光调制器动态调制激光位相或振幅，从而产生动态相息图(呈菲涅尔波带分布)予以实现的。光束通过相息图发生衍射会聚在对应焦距的位置上，并且该焦点总是在菲涅尔透镜中心轴线上，通过编程改变相息图中菲涅尔透镜的环带分布，可以改变其有效焦距，从而实现对光束聚焦点的轴向控制。此外，使用偏心透镜法，通过编程移动菲涅尔透镜，使得其中心与光轴产生一定的偏移，实现焦点在该焦面上的二维移动，即实现了光束聚焦点的横向偏移。

调制方式可以采用位相或振幅调制。对于位相调制，利用液晶空间光调制器产生同心圆环状的波带型位相结构，将每个波带划分台阶；设波带数为N，每个波带划分L个台阶，则其中第k个台阶调制的位相φ为：

第j个波带的半径r_j为：

式中，λ为入射光波长，f_z为焦距；

对于振幅调制，利用液晶空间光调制器产生同心圆环状的波带结构，奇数波带振幅透过率为1，偶数波带振幅透过率为0；其中，第j个波带的半径r_j为：

式中，λ为入射光波长，f_z为焦距。

结合使用面阵探测器，可进一步实现光束焦点三维位置的实时反馈控制。面阵探测器采集记录聚焦光斑图像反馈回计算机。计算机根据相应算法调节可编程菲涅尔透镜，使光束焦点移动并将其光斑图像再次采集与反馈。如此不断反馈调节，直到光束聚焦在指定空间三维位置。此时，光束完成自动聚焦和自动偏移。

系统的整体架构及光路原理如图1所示，1为扩束准直器，2、4为偏振片，3为空间光调制器，5为分束器，6为衰减片，7为面阵探测器，其中空间光调制器3和探测器7连接计算机构建反馈调节系统。激光(Laser)进入系统后，经过扩束准直器1并通过偏振片2到达空间光调制器3(LC-SLM)，经过调制后的聚焦光斑经分束器5分光后被面阵探测器7所接收，分束器5另一侧光束用于后续的工作系统。

由于空间光调制器本身固有的像素结构导致了入射相干光的衍射，容易产生多个次级衍射光斑，所以系统工作前，可由人工调整面阵探测器或可编程菲涅尔透镜使零级衍射像入射到面阵探测器中，方便后续应用。系统工作时，面阵探测器实时测得的光斑图像输入到基于C++开发的计算机(PC)软件中，计算光斑半径以及中心位置坐标，结合光束焦点的目标位置信息判断轴向与横向的偏移量，反馈调控可编程菲涅尔透镜的参数，使激光光束聚焦到指定空间位置。

下面对系统各部分的实施方案进行论述。

一、数字处理算法及参数计算

要对激光束实现实时的聚焦控制，首先要在面阵探测器上对其进行定位。由上述光路原理可知，对激光束定位实际上是要确定面阵探测器上的光斑中心坐标。采用CMOS、CCD等面阵探测器，相比于较常用于光电定向的四象限探测器而言，可以获得聚焦光斑的绝对位置以及全面的光强横向分布，对于一般的聚焦光斑图像经过基本的阈值处理后使用一阶矩法和二阶矩法就可以得到较好的效果。但一些实际应用中光束通过LC-SLM后存在多级衍射环，且各类噪声及背景光会干扰后续光斑参数的计算，以上方法难以胜任，因此可以先用小波算法进行去噪处理。

具体而言，先将光斑图像变换到小波域，滤波后进行逆小波变换并对其阈值化处理。处理后的光斑图像质量将得到明显改善，但不会改变原光斑特征。此处选择使用多分辨率多贝西小波变换，在保证运算速度的同时尽量有效去噪，处理效果如图2所示。

通过处理面阵探测器采集的光斑图像，计算光斑中心坐标与半径大小。光斑中心坐标利用一阶矩法计算，此方法能够充分利用面阵探测器采集的光斑图像数据，对光斑落在感光面上的任意情形均可获得精确的光斑中心坐标信息，一阶矩计算式如下：

通过计算光强分布的二阶矩可以获得光斑半径大小w_x、w_y，二阶矩计算式如下：

二、控制方案

本方法可以实现光束聚焦的闭环反馈控制，具体控制方案如图3所示，具体闭环控制流程如下：

1.通过面阵探测器编程采集激光聚焦光斑图像；

2.对聚焦光斑图像进行数字图像处理，滤波并计算聚焦光斑中心坐标与半径大小；

3.利用自动控制算法调整生成的菲涅尔透镜重新输出到空间光调制器；

4.重复1-3步，直到聚焦光斑位置达到设定的预期值。

闭环反馈控制的基本算法是PID算法，如下公式是一个典型PID算法：

其中u(n)为闭环控制中第n次输出的值，e(n)为第n次输入的值，即设定值与实际值的差值，K_P、K_i、K_d分别为比例、积分、微分放大系数。

针对反馈控制中的不同环节调节各个放大系数参数，可使实测值快速收敛到预期值，提高调控精度、调节速度以及稳定性。具体应用到本方法中主要分轴向自动聚焦控制和横向自动偏移控制。

1、激光轴向聚焦控制

以振幅调制方式为例，在轴向自动聚焦方面采用PID算法。大体的控制流程是根据面阵探测器所采集光斑半径的大小R，通过算法计算后产生新的波带半径参数r_j，然后根据新的r_j重新产生菲涅尔透镜结构，从而改变激光聚焦的轴向位置，即在面阵探测器上再次获得了新的光斑半径大小R。重复以上步骤，最终使焦点位置落在面阵探测器的中心上。此时光斑半径R最小。

具体的算法运用，如图4所示，其中ΔR_i是当前的偏差，ΔR_i-1,ΔR_i-2是之前的偏差，K_p是比例系数，K_i是积分系数，K_d是微分系数，Δr是波带半径的增量。程序一开始假设第一次获得的光斑半径R为最小值。在之后的运算过程中，每当找到比当前最小值小的半径时就令此半径为最小值。当长时间出现当前的半径R与最小的半径R_min相等的情况时，则说明焦点已落在面阵探测器的中心位置。在实际中，根据面阵探测器的像素大小且经过多次的验证后，我们将光斑半径的最小值直接设为20um。若出现光斑半径小于或等于这个最小值，则可认为调节已经完成。当出现收敛较慢时，我们则调节PID各项系数，以提高聚焦速度。总的来说，运用PID算法后能够大幅度地提高控制速度。

2、激光横向偏移控制实现方案

在激光横向偏移方面，如图5所示，由于焦点位置总是跟随菲涅尔透镜的光轴位置变化而变化，所以通过偏心透镜法，编程控制菲涅耳透镜平移，使透镜中心与入射激光光轴偏离一定距离，从而实现激光焦点的横向偏移。

使用基于可编程的菲涅尔透镜的控制方案可以实现小角度偏移调控，且理论精度为LC-SLM像素间距和面阵探测器像素间距的较小者d_min，即最小可分辨光斑聚焦中心d_min距离的偏移。通过更换具有更小像素元的LC-SLM和面阵探测器有利于提高控制精度。为了提高控制速度，可借助PID算法加快控制值收敛于预期值，具体偏移控制细节如下：

借助上文所述的PID控制算法，通过面阵探测器采集的图像计算得到光斑中心坐标，运用图6所示的算法，反馈调节波带参数，进而实现焦点横向偏移。其中ΔX_i,ΔY_i是当前的偏差，ΔX_i-1,ΔY_i-1是之前的偏差，X_i+1,Y_i+1为改变波带参数后新焦点的位置坐标，ΔX_target,ΔY_target是设定位置坐标，K_p是比例系数，K_i是积分系数，ΔC是坐标增量，L_x,i+1,L_y,i+1为新的波带中心位置坐标，L_x,i,L_y,i为当前的波带中心位置坐标。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (4)

1.一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，其特征在于，利用液晶空间光调制器产生可编程的菲涅尔透镜结构，通过对光束进行位相或振幅调制，实现对光束焦点的轴向偏移与横向偏移的精确调节；在此基础上用面阵探测器检测光束焦点的三维偏移信息，结合闭环算法及图像处理，进一步实现对光束聚焦点三维位置的实时反馈控制；

所述对光束焦点的轴向偏移与横向偏移的精确调节，其中，对轴向偏移的精确调节是通过改变可编程菲涅尔透镜结构的波带半径实现的；对横向偏移的精确调节，是通过偏心透镜法实现的；所述偏心透镜法，利用平行光束焦点始终落在透镜光轴上的特点，控制菲涅尔波带中心平移，光束焦点也会同向平移相同的距离，而焦点位置坐标的轴向分量不变；

所述结合闭环算法及图像处理，其具体为：由计算机程序对液晶空间光调制器和面阵探测器进行统一控制，所述闭环算法采用比例-积分-微分算法进行闭环控制，具体控制步骤为：

S11、程序初始化：设定光束焦点的目标位置，目标位置包括轴向目标位置和横向二维目标位置；在实际应用中，光束焦点的轴向目标位置对应光斑平均半径R取极小的点，而横向二维目标位置由后端系统决定，或者由控制程序初始设定；

S12、面阵探测器采集光斑图像，计算光斑半径以及光斑中心位置坐标，结合光束焦点的目标位置信息判断轴向与横向的偏移量；

S13、根据PID算法确定焦点的轴向和横向位置的调整量，调整动态菲涅尔透镜结构分布，并重新加载到液晶空间光调制器中；

S14、重复步骤S11-S13，直至光斑平均半径R以及光斑中心的横向二维偏离量降至最小或低于误差上限；

步骤S13中，所述根据PID算法确定焦点的轴向和横向位置的调整量，调整动态菲涅尔透镜结构分布，具体包括：

根据面阵探测器所采集光斑半径的大小，通过PID算法计算后产生新的波带半径参数r_j，然后根据新的r_j重新产生菲涅尔透镜结构，从而改变激光聚焦的轴向位置，即在面阵探测器上再次获得了新的光斑半径大小；

使用基于可编程的菲涅尔透镜的控制方案实现小角度偏移调控，理论精度为液晶空间光调制器像素间距和面阵探测器像素间距的较小者d_min，即最小可分辨光斑聚焦中心d_min距离的偏移。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，其特征在于，所述利用液晶空间光调制器产生可编程的菲涅尔透镜结构以实现动态的聚焦控制，液晶空间光调制器对光束的调制方式采用位相调制或者振幅调制；

所述对光束进行位相调制，其具体为：利用液晶空间光调制器产生同心圆环状的波带型位相结构，将每个波带划分台阶；设波带数为N，每个波带划分L个台阶，则其中第k个台阶调制的位相φ为：

第j个波带的半径r_j为：

式中，λ为入射光波长，f_z为焦距；

所述对光束进行振幅调制，具体为：

利用液晶空间光调制器产生同心圆环状的波带结构，奇数波带振幅透过率为1，偶数波带振幅透过率为0；其中，第j个波带的半径r_j为：

式中，λ为入射光波长，f_z为焦距。

3.根据权利要求1所述的一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，其特征在于，所述利用面阵探测器检测光束焦点的轴向偏移与横向偏移信息，具体为：

其中，光束焦点的横向偏移由探测器上的光斑中心坐标

给出，具体通过如下一阶矩法获得：

式中，(x_i,y_i)为探测器任意像素元的位置坐标，I为该像素元测得的光强度值；

光束焦点的轴向偏移通过测量探测面上的光斑大小间接判断；所述光斑大小利用如下二阶矩法计算光斑的二维半径(w_x,w_y)：

光斑的平均半径R＝(w_x+w_y)/2反映了轴向的离焦程度，R越大表明实际焦面距离探测面越远。

4.根据权利要求1所述的一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法，其特征在于，所述步骤S12中面阵探测器采集光斑图像，在面阵探测器获取的光斑图像质量较差的情况下，先对光斑图像进行滤波去噪处理，具体为：先将光斑图像数据变换到小波域，滤波后进行逆小波变换并对其阈值化处理。

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