CN109633891B - 一种波前控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波前控制方法，属于自适应光学技术领域，所述方法为利用波前传感器获得入射光束的波前像差，分析得到低阶像差和高阶像差，根据变形镜响应函数、低阶像差和高阶像差特征，驱动变形镜的驱动器处于互锁模式，以校正低阶像差，驱动变形镜的驱动器处于解锁模式，以校正高阶像差，相比于传统的波前控制方法，本发明中变形镜的驱动器通过互锁模式和解锁模式的切换，实现了变形镜响应函数的变化，进而实现对低阶像差和高阶像差的同时校正，仅使用一个变形镜达到传统波前控制方法中两个变形镜的校正效果，降低了系统的复杂度及制作成本，具有较好的应用推广前景。

Description

一种波前控制方法
技术领域
本发明属于自适应光学技术领域，具体地说涉及一种波前控制方法。
背景技术
波前畸变严重影响了激光光束质量，为了消除波前畸变，自适应光学技术被广泛应用，如Performance of a MEMS-based AO-OCT System using FourierReconstruction，《Proc.of SPIE》,Vol.7209，pp.720905,2009.以及Double-deformable-mirror adaptive optics system for phase compensation,《APPLIED OPTICS》,Vol.45,pp.2638-2642,2006.。传统波前畸变控制技术需要利用两个变形镜分别对波前畸变的低阶成分和高阶成分进行校正，不仅增加了系统的复杂性，而且增加了系统制作成本。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种波前控制方法，利用一个变形镜同时对波前畸变的低阶成分和高阶成分进行高精度的波前校正。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种波前控制方法，包括以下步骤：
S1：利用波前传感器获得入射光束的波前像差，分析得到低阶像差和高阶像差；
S2：根据变形镜响应函数、低阶像差和高阶像差特征，驱动变形镜的驱动器处于互锁模式，以校正低阶像差，驱动变形镜的驱动器处于解锁模式，以校正高阶像差。
进一步地，所述入射光束入射至由分光片、变形镜、反射镜、波前传感器和控制器组成的闭环光学系统，所述分光片倾斜设置，且分光片与变形镜同光轴设置，入射光束经分光片后透射至变形镜，经变形镜反射回的入射光束经分光片后分为取样光束和输出光束，所述反射镜和波前传感器同光轴设置，且反射镜与分光片对应设置，取样光束依次入射至反射镜和波前传感器，所述控制器分别与波前传感器、变形镜电连接。
进一步地，所述步骤2中，控制器根据变形镜响应函数、低阶像差和高阶像差特征，得到最优化的驱动器组合方式，控制器下达编组指令，驱动器进行编组，控制器对位于同一编组内的驱动器施加相同的控制电压，促使变形镜的驱动器处于互锁模式。
进一步地，变形镜的驱动器组合方式为有限种组合，根据每种组合方式模拟出对应的波前校正效果，寻优搜索得到最优化的驱动器组合方式。
进一步地，驱动器编组方法为：
所述最优化的驱动器组合方式包括多个驱动器模块，将相邻的多个驱动器划分为一组形成一个驱动器模块。
进一步地，所述控制器撤销编组指令，驱动器恢复独立工作状态，驱动器处于解锁模式。
进一步地，所述变形镜响应函数为
Figure BDA0001947022620000031
其中，Si(x，y)表示第i个驱动器的响应函数，A0表示驱动器的冲程，ω表示响应函数的交联值，xi、yi表示第i个驱动器的中心位置坐标，d表示驱动器的间隔，α表示高斯型响应函数的指数。
进一步地，处于互锁模式的驱动器相较于处于解锁模式的驱动器，其响应函数改变了驱动器的数目、冲程、中心位置和间距。
本发明的有益效果是：
相比于传统的波前控制方法，本发明中变形镜的驱动器通过互锁模式和解锁模式的切换，实现了变形镜响应函数的变化，进而实现对低阶像差和高阶像差的同时校正，仅使用一个变形镜达到传统波前控制方法中两个变形镜的校正效果，降低了系统的复杂度及制作成本，具有较好的应用推广前景。
附图说明
图1是本发明中闭环光学系统的结构示意图；
图2是入射光束的波前像差示意图；
图3(a)是波前像差中包含的低阶像差的示意图；
图3(b)是波前像差中包含的高阶像差的示意图；
图4是校正低阶像差后的入射光束的波前像差示意图；
图5是校正高阶像差后的入射光束的波前像差示意图。
附图中：1-入射光束、2-分光片、3-反射镜、4-波前传感器、5-变形镜、6-控制器、7-校正输出光束。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，所述入射光束1入射至由分光片2、变形镜5、反射镜3、波前传感器4和控制器6组成的闭环光学系统，所述分光片2倾斜设置，且分光片2与变形镜5同光轴设置，入射光束1经分光片2后透射至变形镜5，经变形镜5反射回的入射光束1经分光片2后分为取样光束和校正输出光束7，所述反射镜3和波前传感器4同光轴设置，且反射镜3与分光片2对应设置，取样光束依次入射至反射镜3和波前传感器4，所述控制器6分别与波前传感器4、变形镜5电连接。
一种波前控制方法，包括以下步骤：
S1：利用波前传感器4获得入射光束1的波前像差，分析得到低阶像差和高阶像差。
S2：控制器6根据变形镜响应函数、低阶像差和高阶像差特征，加之，变形镜5的驱动器组合方式为有限种组合，根据每种组合方式模拟出对应的波前校正效果，寻优搜索得到最优化的驱动器组合方式，控制器6下达编组指令，驱动器进行编组。具体的，所述最优化的驱动器组合方式包括多个驱动器模块，将相邻的多个驱动器划分为一组形成一个驱动器模块，且一个驱动器模块视为一个大型的驱动器。控制器6对位于同一编组内的驱动器施加相同的控制电压，促使变形镜5的驱动器处于互锁模式，以校正低阶像差。此后，所述控制器6撤销编组指令，驱动器恢复独立工作状态，驱动器处于解锁模式，以校正高阶像差。
所述变形镜响应函数为
Figure BDA0001947022620000051
其中，Si(x，y)表示第i个驱动器的响应函数，A0表示驱动器的冲程，ω表示响应函数的交联值，xi、yi表示第i个驱动器的中心位置坐标，d表示驱动器的间隔，α表示高斯型响应函数的指数。处于互锁模式的驱动器相较于处于解锁模式的驱动器，其响应函数改变了驱动器的数目、冲程、中心位置和间距。也就是说，处于互锁模式的驱动器提高了冲程，降低了空间分辨率，适合校正低阶像差；处于解锁模式的驱动器降低了冲程，提高了空间分辨率，适合校正高阶像差。通过互锁模式和解锁模式的切换实现了对波前像差中低阶像差和高阶像差的同时校正。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
入射光束1的波长为1053nm，光束口径为30×30mm。分光片2的口径为60×60mm，分光比1：1。反射镜3的口径为60×60mm。波前传感器4的测量口径为30×30mm，测量范围为10μm，测量精度为0.1μm。
波前控制过程具体如下：
1、通过波前传感器4测量得到入射光束1的波前像差，如图2所示，其PV值为2.8μm。控制器6对所述波前像差进行分析，其包含的低阶像差和高阶像差，分别如图3(a)、图3(b)所示，其中，低阶像差的PV值为3.5μm，高阶像差的PV值为1.7μm。
2、驱动器处于互锁模式时，变形镜5的技术参数如表1所示。
表1：
技术指标 技术参数
有效工作口径 30mm×30mm
驱动数目 9
驱动器布局 3×3正方形
冲程 8μm
控制精度 0.2μm
控制带宽 50Hz
驱动器处于解锁模式时，变形镜5的技术参数如表2所示。
表2：
技术指标 技术参数
有效工作口径 30mm×30mm
驱动数目 36
驱动器布局 6×6正方形
冲程 2μm
控制精度 0.1μm
控制带宽 50Hz
也就是说，对于6×6正方形布局的驱动器，相邻的2×2驱动器组合形成一个驱动器模块，驱动器由组合前的6×6正方形布局经编组后变成了的3×3正方形布局，提高了冲程，降低了空间分辨率。
3、对低阶像差进行校正后，入射光束1的波前像差如图4所示，其PV值为1.8μm。对高阶像差进行校正后，入射光束1的波前像差如图5所示，其PV值为0.5μm。
综上所述，通过驱动器互锁模式和解锁模式的切换，实现了变形镜响应函数的变化，进而实现对低阶像差和高阶像差的同时校正，波前畸变从校正前的PV 2.8μm减小到校正后的PV 0.5μm。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种波前控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用波前传感器获得入射光束的波前像差，分析得到低阶像差和高阶像差；
S2：根据变形镜响应函数、低阶像差和高阶像差特征，驱动变形镜的驱动器处于互锁模式，以校正低阶像差，所述互锁模式指利用控制器对编组后且位于同一编组内的驱动器施加相同的控制电压，驱动变形镜的驱动器处于解锁模式，以校正高阶像差，所述解锁模式指控制器撤销编组指令，驱动器恢复独立工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种波前控制方法，其特征在于，所述入射光束入射至由分光片、变形镜、反射镜、波前传感器和控制器组成的闭环光学系统，所述分光片倾斜设置，且分光片与变形镜同光轴设置，入射光束经分光片后透射至变形镜，经变形镜反射回的入射光束经分光片后分为取样光束和输出光束，所述反射镜和波前传感器同光轴设置，且反射镜与分光片对应设置，取样光束依次入射至反射镜和波前传感器，所述控制器分别与波前传感器、变形镜电连接。
3.根据权利要求2所述的一种波前控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，控制器根据变形镜响应函数、低阶像差和高阶像差特征，得到最优化的驱动器组合方式，控制器下达编组指令，驱动器进行编组，控制器对位于同一编组内的驱动器施加相同的控制电压，促使变形镜的驱动器处于互锁模式。
4.根据权利要求3所述的一种波前控制方法，其特征在于，变形镜的驱动器组合方式为有限种组合，根据每种组合方式模拟出对应的波前校正效果，寻优搜索得到最优化的驱动器组合方式。
5.根据权利要求4所述的一种波前控制方法，其特征在于，驱动器编组方法为：
所述最优化的驱动器组合方式包括多个驱动器模块，将相邻的多个驱动器划分为一组形成一个驱动器模块。
6.根据权利要求5所述的一种波前控制方法，其特征在于，所述变形镜响应函数为
Figure FDA0002677587900000021
其中，Si(x，y)表示第i个驱动器的响应函数，A0表示驱动器的冲程，ω表示响应函数的交联值，xi、yi表示第i个驱动器的中心位置坐标，d表示驱动器的间隔，α表示高斯型响应函数的指数。
7.根据权利要求6所述的一种波前控制方法，其特征在于，处于互锁模式的驱动器相较于处于解锁模式的驱动器，其响应函数改变了驱动器的数目、冲程、中心位置和间距。
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