CN112099229B - 基于远场的高速自适应光学闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于远场的高速自适应光学闭环控制方法，该方法利用的装置由远场采集模块，远场到波前复原模块，高压放大器和波前校正器模块组成，远场采集模块实时记录远场图像变化过程，波前复原模块根据当前帧远场光强分布和前一帧的远场光强分布复原波前，根据复原获得的波前信息驱动高压放大器控制波前校正器校正光路中的相差。采用单远场光强分布进行闭环控制，无需增加额外的远场信息，如离焦面上的远场光斑分布，可以简化光路结构，同时提高光能利用率；可以根据前后两帧远场确定入射波前的位相，特别是经过次数较少的自适应光学校正或输入像差较小的情况下，可以准确的获得像差数据，从而实现快速的对像差进行准确校正，实时性更强。

Description

基于远场的高速自适应光学闭环控制方法

技术领域

本发明涉及一种波前闭环控制方法，特别是一种基于远场的高速自适应光学闭环控制方法。

背景技术

自适应光学波前控制方法是自适应光学技术的一个重要组成部分。目前的自适应光学波前控制主要采用有：基于哈特曼波前传感器的控制方法、基于相位差(PD)远场的波前控制方法，以及基于四棱锥和曲率传感器等波前控制方法。

与其他的波前测量方法相比，相位差控制方法具有更高的光能利用率，在天文、生物医学等需要较高光能量利用率的领域具有比较大的优势。基于单远场的自适应光学波前控制方法(无波前传感器自适应光学控制算法)在近些年有很大的发展，如随机梯度下降控制算法，遗传算法，蚁群算法等在自适应光学的应用，进一步拓宽了自适应光学在弱光领域的应用。

然而，作为光能利用率最高的无波前传感器自适应光学控制算法在进行闭环控制过程中存在的主要困难是：闭环收敛速度慢，虽然近些年来提出的各种优化的无波前控制算法已经在不同程度的提高了闭环的收敛速度，如黄林海等在文献《Wavefrontsensorless adaptive optics:a general model-based approach》提出了一种高效的基于远场的波前控制算法，但是，与传统的基于哈特曼波前探测器的闭环速度相比仍然较低。对于一个由前十项Zernike组成的像差，无波前传感器自适应光学控制算法最少需要探测11次才能收敛(而哈特曼理论上只需1次)，运算用时长，因而无法运用到诸如天文等快速动态变化的领域中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对无波前传感器自适应光学控制算法中收敛速度慢的问题，提供一种快速的闭环收敛算法。本方法直接利用成像远场数据进行闭环控制，无需增加额外的远场信息。

本发明采用的技术方案为：基于远场的高速自适应光学闭环控制方法，该方法利用的装置由远场图像采集模块、波前复原模块、高压放大器和波前校正器模块组成。该方法工作过程是：远场图像采集模块采集第1帧远场光强变化图像，并将采集图像保存在计算机中；高压放大器驱动波前校正器产生一个特定的波前分布，使远场光强分布产生变化，远场图像采集模块采集第2帧远场光强变化图像，根据上述采集的两帧远场光强变化图像，波前复原模块利用相位差波前复原算法迭代产出校正波前Φ₁，并驱动高压放大器使波前校正器模块形成与校正波前Φ₁互补的面型分布，最终得到经过第1次校正后的远场光强分布，远场图像采集模块记录第3帧远场光强分布，利用当前帧远场光强分布、上一帧的远场光强分布以及互补的波前Φ₁，结合相位差波前复原算法迭代产出校正波前Φ₂，并驱动高压放大器使波前校正器模块形成与校正波前Φ₂互补的面型分布，得到经过第2次校正后的远场光强分布，重复上述校正步骤，持续对动态变化的像差进行实时的校正。

进一步地，所述的一个特定的波前分布指利用变形镜的单个或多个影响函数组成的波前分布。

进一步地，所述的相位差波前复原算法，具体过程可以描述如下：

第一步，首先构造入射光瞳处的广义光瞳函数P_k(r)＝p(r)*exp[i(Ψ_k(r)+Φ_k(r))]，其中，r表示瞳面坐标，Ψ_k(r)表示光瞳处待测畸变波前的初始相位分布(一般假定为0)，Φ_k(r)表示光瞳处波前校正器产生的第k帧相位分布，p(r)为入射光瞳的孔径函数，孔径内值为1，其余为0；

第二步，对光瞳的复振幅分布进行傅里叶变换计算出焦面光场的复振幅分布U_k＝|U_k(w)|*exp[i*Ω_k]，w为像面坐标，|U_k(w)|表示第k次迭代中当前帧的光场振幅分布，Ω_k为焦面光场相位分布；

第三步，根据远场图像采集模块(1)记录到的当前帧光强分布I_k(w)，计算其平方根值sqrt[I_k(w)]，取代第二步傅里叶变换得到的振幅分布，组成新的焦面光场复振幅E_k(k)＝sqrt[I_k(w)]*exp[i*Ω_k]；

第四步，对E_k(k)进行傅里叶逆变换，可计算得到光瞳处复振幅分布Q_k＝q_k*exp[i*(Θ_k+Φ_k)]，q_k表示光瞳函数的振幅分布，Θ_k表示光瞳处波前畸变的相位分布；

第五步，将上一步计算得到的光瞳处复振幅的振幅分布修改为均匀分布的孔径函数p(r)，同时将位相中波前校正器产生的像差Φ_k移除，可组成一个新的光瞳函数P_k ^N(r)＝p(r)*exp[i*(Θ_k)]；

第六步，对新的光瞳函数P_k ^N(r)进行傅里叶变换，计算出新的光场振幅分布U_k ^N(w)＝|U_k ^N(w)|*exp[i*Ω_k ^N]；

第七步，将上一帧采集到的光强分布I _k-1(w)的平方根值取代光场振幅分布|U_k ^N(w)|，组成新的复振幅E_k ^N(k)＝sqrt[I_k-1(w)]*exp[i*Ω_k ^N]；

第八步，对新的复振幅E_k ^N(k)进行傅里叶变换，可计算得到光瞳处复振幅分布Q_k ^N＝q_k ^N*exp[i*Θ_k ^N]；按照上述步骤完成一次迭代后，比较前后两次迭代位相Θ_k ^N的差异的均方根值，如果两次位相差异小于目标函数E则迭代结束，并输出最终位相Θ_k ^-Φ_k(r)，其中，E为预先给定的大于零实数，E一般小于0.01。

本发明的原理是：

a、本发明采用了与相位差相似的波前探测方法，波前探测过程中均采用了两个远场光强分布数据，不同的是，相位差方法需要同时采集两个远场，本发明采用的远场为前后两帧的远场，并且相位差方法中使用的两个远场具有固定的相位差，而本发明使用的前后两帧远场不具有固定的相位差，相位差随闭环过程变化；

b、本发明工作的前提是前后两帧动态像差之间存在较大相关性，即在高速采样条件下，两帧像差之间是连续变化的，并且这两帧像差之间的差异较波前校正器产生的像差小；

因此，在上述两个前提情况下，通过前后两帧的信息连续闭环控制逐步消除光路中的像差，包括系统静态像差和动态像差。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明采用单远场光强分布进行闭环控制，无需增加额外的远场信息，如离焦面上的远场光斑分布，可以简化光路结构，同时提高光能利用率；

(2)本发明可以根据前后两帧远场确定入射波前的位相，特别是经过次数较少的自适应光学校正或输入像差较小的情况下，可以准确的获得像差数据，从而实现快速的对像差进行准确校正，因此，本发明较其他迭代控制算法具有更快的收敛速度，实时性更强。

附图说明

图1为基于远场的高速自适应光学闭环控制方法原理示意图；

图2为开环图样；

图3为经过10次闭环控制结果。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明基于远场的高速自适应光学闭环控制方法，包括：该方法利用的装置由远场图像采集模块1、波前复原模块2、高压放大器3和波前校正器模块4组成。其中，远场图像采集模块1一般采用CCD等图像记录设备，波前复原模块2指高性能计算机或者信号处理电路，高压放大器3和波前校正器模块4指用于改变光路中波前分布规律的变形镜及其响应的驱动装置。系统准备完成后，远场图像采集模块1采集第1帧远场光强变化图像，并将采集图像保存在计算机中；高压放大器3驱动波前校正器模块4产生一个近似离焦的波前分布ΔΦ(不需要精确的生成离焦面型)，使远场光强分布产生变化，远场图像采集模块1采集第2帧远场光强变化图像，根据上述采集的两帧远场光强变化图像和波前分布ΔΦ，波前复原模块2利用相位差波前复原算法迭代产出校正波前Φ₁，并驱动高压放大器3使波前校正器模块4形成与校正波前Φ₁互相补偿的面型分布，最终得到经过第1次校正后的远场光强分布，远场图像采集模块1记录第3帧远场光强分布，利用当前帧远场光强分布、上一帧的远场光强分布以及互补的波前Φ₁，结合相位差波前复原算法迭代产出校正波前Φ₂，并驱动高压放大器3使波前校正器模块4形成与校正波前Φ₂互相补偿的面型分布，得到经过第2次校正后的远场光强分布，重复上述校正步骤，持续对动态变化的像差进行实时的校正。

所述的相位差波前复原算法，具体过程可以描述如下：

第一步，首先构造入射光瞳处的广义光瞳函数P_k(r)＝p(r)*exp[i(Ψ_k(r)+Φ_k(r))]，其中，r表示瞳面坐标，Ψ_k(r)表示光瞳处待测畸变波前的初始相位分布(一般假定为0)，Φ_k(r)表示光瞳处波前校正器产生的第k帧相位分布，p(r)为入射光瞳的孔径函数，孔径内值为1，其余为0；

第二步，对光瞳的复振幅分布进行傅里叶变换计算出焦面光场的复振幅分布U_k＝|U_k(w)|*exp[i*Ω_k]，w为像面坐标，|U_k(w)|表示第k次迭代中当前帧的光场振幅分布，Ω_k为焦面光场相位分布；

第三步，根据远场图像采集模块(1)记录到的当前帧光强分布I_k(w)，计算其平方根值sqrt[I_k(w)]，取代第二步傅里叶变换得到的振幅分布，组成新的焦面光场复振幅E_k(k)＝sqrt[I_k(w)]*exp[i*Ω_k]；

第四步，对E_k(k)进行傅里叶逆变换，可计算得到光瞳处复振幅分布Q_k＝q_k*exp[i*(Θ_k+Φ_k)]，q_k表示光瞳函数的振幅分布，Θ_k表示光瞳处波前畸变的相位分布；

第五步，将上一步计算得到的光瞳处复振幅的振幅分布修改为均匀分布的孔径函数p(r)，同时将位相中波前校正器产生的像差Φ_k移除，可组成一个新的光瞳函数P_k ^N(r)＝p(r)*exp[i*(Θ_k)]；

第六步，对新的光瞳函数P_k ^N(r)进行傅里叶变换，计算出新的光场振幅分布U_k ^N(w)＝|U_k ^N(w)|*exp[i*Ω_k ^N]；

第七步，将上一帧采集到的光强分布I _k-1(w)的平方根值取代光场振幅分布|U_k ^N(w)|，组成新的复振幅E_k ^N(k)＝sqrt[I_k-1(w)]*exp[i*Ω_k ^N]；

第八步，对新的复振幅E_k ^N(k)进行傅里叶变换，可计算得到光瞳处复振幅分布Q_k ^N＝q_k ^N*exp[i*Θ_k ^N]；按照上述步骤完成一次迭代后，比较前后两次迭代位相Θ_k ^N的差异的均方根值，如果两次位相差异小于目标函数E则迭代结束，并输出最终位相Θ_k ^-Φ_k(r)，其中，E为预先给定的大于零实数，E一般小于0.01。

Claims (2)

1.基于远场的高速自适应光学闭环控制方法，其特征在于：该方法利用的装置由远场图像采集模块(1)、波前复原模块(2)，高压放大器(3)和波前校正器模块(4)组成，该方法工作过程是：远场图像采集模块(1)采集第1帧远场光强变化图像，并将采集图像保存在计算机中；高压放大器(3)驱动波前校正器产生利用变形镜的单个或多个影响函数组成的波前分布，使远场光强分布产生变化，远场图像采集模块(1)采集第2帧远场光强变化图像，根据上述采集的两帧远场光强变化图像，波前复原模块(2)利用相位差波前复原算法迭代生成校正波前Φ₁，并驱动高压放大器(3)使波前校正器模块(4)形成与校正波前Φ₁互补的面型分布，最终得到经过第1次校正后的远场光强分布，远场图像采集模块(1)记录第3帧远场光强分布，利用当前帧远场光强分布和上一帧的远场光强分布以及互补的波前Φ₁，结合相位差波前复原算法迭代产出校正波前Φ₂，并驱动高压放大器(3)使波前校正器模块(4)形成与校正波前Φ₂互补的面型分布，得到经过第2次校正后的远场光强分布，重复上述步骤，持续对动态变化的像差进行实时的校正。

2.根据权利要求1所述的基于远场的高速自适应光学闭环控制方法，其特征在于：所述的相位差波前复原算法，具体过程可以描述如下：

第一步，首先构造入射光瞳处的广义光瞳函数P_k(r)＝p(r)*exp[i(Ψ_k(r)+Φ_k(r))]，其中，r表示瞳面坐标，Ψ_k(r)表示光瞳处待测畸变波前的初始相位分布，Φ_k(r)表示光瞳处波前校正器产生的第k帧相位分布，p(r)为入射光瞳的孔径函数，孔径内值为1，其余为0；

第二步，对光瞳的复振幅分布进行傅里叶变换计算出焦面光场的复振幅分布U_k＝|U_k(w)|*exp[i*Ω_k]，w为像面坐标，|U_k(w)|表示第k次迭代中当前帧的光场振幅分布，Ω_k为焦面光场相位分布；

第三步，根据远场图像采集模块(1)记录到的当前帧光强分布I_k(w)，计算其平方根值sqrt[I_k(w)]，取代第二步傅里叶变换得到的振幅分布，组成新的焦面光场复振幅E_k(k)＝sqrt[I_k(w)]*exp[i*Ω_k]；

第四步，对E_k(k)进行傅里叶逆变换，可计算得到光瞳处复振幅分布Q_k＝q_k*exp[i*(Θ_k+Φ_k)]，q_k表示光瞳函数的振幅分布，Θ_k表示光瞳处波前畸变的相位分布；

第五步，将上一步计算得到的光瞳处复振幅的振幅分布修改为均匀分布的孔径函数p(r)，同时将位相中波前校正器产生的像差Φ_k移除，可组成一个新的光瞳函数P_k ^N(r)＝p(r)*exp[i*(Θ_k)]；

第六步，对新的光瞳函数P_k ^N(r)进行傅里叶变换，计算出新的光场振幅分布U_k ^N(w)＝|U_k ^N(w)|*exp[i*Ω_k ^N]；

第七步，将上一帧采集到的光强分布I_k-1(w)的平方根值取代光场振幅分布|U_k ^N(w)|，组成新的复振幅E_k ^N(k)＝sqrt[I_k-1(w)]*exp[i*Ω_k ^N]；

第八步，对新的复振幅E_k ^N(k)进行傅里叶变换，可计算得到光瞳处复振幅分布Q_k ^N＝q_k ^N*exp[i*Θ_k ^N]；按照上述步骤完成一次迭代后，比较前后两次迭代位相Θ_k ^N的差异的均方根值，如果两次位相差异小于目标函数E则迭代结束，并输出最终位相Θ_k ^-Φ_k(r)，其中，E为预先给定的大于零实数，E小于0.01。

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