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

本发明专利技术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。本发明专利技术具有速度快、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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及激光调控
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术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，本专利技术具有速度快、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，本专利技术提供如下技术方案：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rj为：式中，λ为入射光波长，fz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rj为：式中，λ为入射光波长，fz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，(xi,yi)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(wx,wy)：光斑的平均半径R＝(wx+wy)/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，本专利技术至少具有如下有益效果：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术使用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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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rj为：式中，λ为入射光波长，fz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rj为：式中，λ为入本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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rj为：式中，λ为入射光波长，fz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rj为：式中，λ为入射光波长，fz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。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：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志峰，谢志坤，钱伟岸，张金辉，李少锋，卫冠，邓荣标，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44