CN109507796B - 一种基于动态网格的阵列质心提取方法及变形镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于动态网格的阵列质心提取方法及变形镜系统，所述方法，包括：调整阵列网格使每个光斑接近对应的子网格的中心；计算每个子网格中的光斑的坐标并输出。本发明通过动态网格提取光斑质心，从而简单、快速、精确地获得激光束波前相位。

Description

一种基于动态网格的阵列质心提取方法及变形镜系统
技术领域
本发明涉及激光自适应光学应用领域，尤其是一种基于动态网格的阵列质心提取方法及变形镜系统。
背景技术
激光光束质量控制是依靠自适应光学技术来实现的，而目前该技术大都是通过校正激光束像差来实现。故光束像差即波前的实时在线监测是自适应光学系统的关键之一。
目前检测波前大都用H-S波前传感器。激光束通过H-S波前波前传感器后，输出带有阵列光斑的图像，从这些光斑的质心坐标中就能得到光束波前，提取的波前用以计算能驱动变形镜变形的电压。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为解决如何简单、快速、精确地获得激光束波前相位，本发明的目的是提供一种动态网格的阵列质心提取方法即变形镜系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于动态网格的阵列质心提取方法，包括：调整阵列网格使每个光斑接近对应的子网格的中心；然后计算每个子网格中的光斑的坐标并输出。
进一步，所述调整阵列网格使每个光斑接近对应的子网格的中心的方法包括：
(1)通过扫描第一个光斑确定阵列网格的初始位置；
(2)计算每个光斑到阵列网格的网格中心的距离的平方和；
(3)将每个光斑到阵列网格中心的距离的平方和的最小值作为阵列网格的调整位置，叠加所述阵列网格的初始位置后，得到阵列网格调整后的最终位置。
进一步，所述通过扫描第一个光斑确定阵列网格的初始位置的方法包括：
(1.1)设阵列网格的左上角为坐标原点(0,0)，在一个h×h的子网格中，从坐标原点开始逐点扫描，获取每次扫描的最大灰度值Imax；
(1.2)判断最大灰度值Imax是否大于等于光斑检测阈值IT；若最大灰度值Imax小于光斑检测阈值IT，则该点没有光斑；若最大灰度值Imax大于等于光斑检测阈值IT，则该点有光斑；
(1.3)将扫描出第一哥光斑时的阵列网格的位置作为阵列网格的初始位置。
进一步，所述计算每个光斑到阵列网格的网格中心的距离的平方和的方法包括：
(2.1)以阵列网格的初始位置为起点，向图像右下方的所有子网格内逐行逐列按像素点扫描，识别出所有子网格的光斑坐标(xImax,m，yImax,n)；
(2.2)计算每个光斑到阵列网格中心的距离的平方和Sk：
Figure BDA0001913602640000021
其中，k<h×h；(xm，yn)为阵列网格的网格中心坐标。
进一步，所述计算每个子网格中的光斑的坐标的方法包括：
(4.1)在每个子网格内计算相对于阵列网格左上角的光斑坐标(xr，yr)：
Figure BDA0001913602640000031
其中，Ii,j为每个像素光强，xi,j，yi,j为像素相对于整个网格左上角坐标；
(4.2)计算相对于标准参考网格中心(x0，y0)的相对坐标(xc，yc)：
xc＝xr-x0，yc＝yr-y0。
一种变形镜系统，包括：激光光源、衰减片、变形镜、H-S波前传感器、图像处理器、变形镜控制器和变形镜驱动器；
所述图像处理器，用于应用上述基于动态网格的阵列质心提取方法进行质心提取。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过动态网格提取光斑质心，从而简单、快速、精确地获得激光束波前相位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于动态网格的阵列质心提取方法的光路系统结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种基于动态网格的阵列质心提取方法，其光路系统如图1所示，包括：激光光源、衰减片、变形镜、H-S波前传感器、图像处理器、变形镜控制器和变形镜驱动器；
所述光源为激光光源，用于产生固定波长的激光束。
所述衰减片为与激光光源匹配的衰减片。
所述发变形镜用于产生不同质量的光斑图像。
所述H-S波前传感器，用于检测光束波前像差，其输出为带有阵列光斑的图像。
所述图像处理器为本发明的硬件处理平台，质心提取即在该平台中进行，一般为基于FPGA的嵌入式系统。
所述变形镜控制器为控制变形镜镜面变形的主处理器，一般为基于高速DSP的嵌入式控制系统，其输入为光斑质心阵列坐标，输出为驱动变形镜变形的电压矢量。
所述变形镜驱动器为控制变形镜的电压执行机构，其作用是将电压矢量放大以驱动变形镜镜面变形。
所述H-S输出光斑图像，为H-S波前传感器输出的图像，由于H-S波前传感器内嵌入了一个规整的微透镜阵列，投影到图像即为一个阵列光斑的图像，光斑的分布包含了激光束的波前相位信息，所以准确提取光斑质心非常重要。
所述动态可调整网格是一个等间距的标准网格，网格定位采用模板扫描的方式，用所有光斑距离网格中心距离最近的原则来进行自动识别，以达到将每个光斑都大致处于网格中心的目的。
所述输出质心阵列坐标即是以该网格的正中心为基准的相对质心阵列坐标。
本实施的基于动态网格的阵列质心提取方法：包括：调整阵列网格使每个光斑接近对应的子网格的中心；然后计算每个子网格中的光斑的坐标并输出。
进一步地，所述调整阵列网格使每个光斑接近对应的子网格的中心的方法包括：
(1)通过扫描第一个光斑确定阵列网格的初始位置；输入带阵列网格的光斑的图像，确定标准网格大小由H-S波前传感器微透镜阵列维数M×N确定，子网格边长h固定为微透镜的子孔径正方形窗口边长对应像素数。
(1.1)设阵列网格的左上角为坐标原点(0,0)，在一个h×h的子网格中，从坐标原点开始逐点扫描，获取每次扫描的最大灰度值Imax；
(1.2)判断最大灰度值Imax是否大于等于光斑检测阈值IT；若最大灰度值Imax小于光斑检测阈值IT，则该点没有光斑；若最大灰度值Imax大于等于光斑检测阈值IT，则该点有光斑；
(1.3)将扫描出第一个光斑时的阵列网格的位置作为阵列网格的初始位置。
初始位置只保证第一个光斑在第一个子网格内，且不保证在第一个子网格的中心，因此为了保证所有光斑都尽量处于各自对应的子网格的中心，需要进一步进行调整。
(2)计算每个光斑到阵列网格的网格中心的距离的平方和；
(2.1)以阵列网格的初始位置为起点，向图像右下方的所有子网格内逐行逐列按像素点扫描，识别出所有子网格的光斑坐标(xImax,m，yImax,n)；
(2.2)计算每个光斑到阵列网格中心的距离的平方和Sk：
Figure BDA0001913602640000061
其中，k<h×h；(xm，yn)为阵列网格的网格中心坐标。(m,n)为子网格在阵列网格中的位置，即每个网格中心相对于初始第一个网格左上角坐标，网格大小和边长确定后的一个固定不变的坐标矩阵。
(3)将每个光斑到阵列网格中心的距离的平方和的最小值作为阵列网格的调整位置，叠加所述阵列网格的初始位置后，得到阵列网格调整后的最终位置。即，相对于M×N维的阵列网格，有M×N个光斑，就有M×N个Sk值，使Sk最小的位置作为阵列网格的调整位置。
进一步地，计算每个子网格中的光斑的坐标的方法包括：
(4.1)在每个子网格内计算相对于阵列网格左上角的光斑坐标(xr，yr)：
Figure BDA0001913602640000062
其中，Ii,j为每个像素光强，xi,j，yi,j为像素相对于整个网格左上角坐标；
(4.2)计算相对于标准参考网格中心(x0，y0)的相对坐标(xc，yc)：
xc＝xr-x0，yc＝yr-y0；
因此由(xc，yc)组成的坐标阵列为本方法的最终输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于动态网格的阵列质心提取方法，其特征在于，包括：调整阵列网格使每个光斑接近对应的子网格的中心；然后计算每个子网格中的光斑的坐标并输出；
所述调整阵列网格使每个光斑接近对应的子网格的中心的方法包括：
(1)通过扫描第一个光斑确定阵列网格的初始位置；
(2)计算每个光斑到阵列网格的网格中心的距离的平方和；
(3)将每个光斑到阵列网格中心的距离的平方和的最小值作为阵列网格的调整位置，叠加所述阵列网格的初始位置后，得到阵列网格调整后的最终位置；
所述通过扫描第一个光斑确定阵列网格的初始位置的方法包括：
(1.1)设阵列网格的左上角为坐标原点(0,0)，在一个h×h的子网格中，从坐标原点开始逐点扫描，获取每次扫描的最大灰度值Imax；
(1.2)判断最大灰度值Imax是否大于等于光斑检测阈值IT；若最大灰度值Imax小于光斑检测阈值IT，则该点没有光斑；若最大灰度值Imax大于等于光斑检测阈值IT，则该点有光斑；
(1.3)将扫描出第一个光斑时的阵列网格的位置作为阵列网格的初始位置。
2.如权利要求1所述的基于动态网格的阵列质心提取方法，其特征在于，所述计算每个光斑到阵列网格的网格中心的距离的平方和的方法包括：
(2.1)以阵列网格的初始位置为起点，向图像右下方的所有子网格内逐行逐列按像素点扫描，识别出所有子网格的光斑坐标(xImax,m，yImax,n)；
(2.2)计算每个光斑到阵列网格中心的距离的平方和Sk：
Figure FDA0002652133250000021
其中，k<h×h；(xm，yn)为阵列网格的网格中心坐标。
3.如权利要求1所述的基于动态网格的阵列质心提取方法，其特征在于，所述计算每个子网格中的光斑的坐标的方法包括：
(4.1)在每个子网格内计算相对于阵列网格左上角的光斑坐标(xr，yr)：
Figure FDA0002652133250000022
其中，Ii,j为每个像素光强，xi,j，yi,j为像素相对于整个网格左上角坐标；
(4.2)计算相对于标准参考网格中心(x0，y0)的相对坐标(xc，yc)：
xc＝xr-x0，yc＝yr-y0。
4.一种变形镜系统，其特征在于，包括：激光光源、衰减片、变形镜、H-S波前传感器、图像处理器、变形镜控制器和变形镜驱动器；
所述图像处理器，用于应用如权利要求1-3任一项所述的基于动态网格的阵列质心提取方法进行质心提取。
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