一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，该方法通过微变形镜控制系统实现对光波波面的控制，引入所需畸变。该方法利用波前传感器、微变形镜及上位机组成闭环控制系统。利用微变形镜对光波整形，HS波前传感器接收整形后的光波后，将子孔径阵列图像传入计算机，计算图像质心偏移得到波前倾斜向量并得到波前相位的Zernike多项式系数，由探测与目标波前的差异，采用SPGD算法调整微变形镜的控制电压。本发明具有一定的光路放置灵活性，通过计算机的软件平台进行控制，具有高效率、便于调试开发的优点，在实际运用中有重要的使用价值。
【专利说明】
一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法
技术领域
[0001] 本发明专利涉及波前畸变的引入，特别是一种基于微变形镜的引入波前畸变光学 闭环控制方法。结合波前测量和计算机编程闭环控制的手段，控制微变形镜面形变化，方便 灵活的实现对大气光学效应引起的波前畸变仿真。
【背景技术】
[0002] 光波在大气中传播时，由于湍流、激波、气动热引起气流密度变化、组成变化、温度 变化等，引起空气折射率的随机变化、光学窗口的变形，导致波面的振幅和相位的快速随机 起伏变化，从而对光学成像探测造成干扰，使目标图像发生偏移、抖动、模糊，造成大气光学 效应。在现代地基、空间光学系统探测成像领域，研究步骤为理论分析、建模仿真、小型化的 模型仿真空间光学效应的测试以及最终的成像探测系统开发等。对大气光学效应及其产生 的波相差进行仿真、模拟，可以更好的完成光学系统成像探测的研究与改善，避免消耗大量 的资金。因此，仿真是至关重要的环节。
[0003] 大气光学效应的仿真手段尚未有系统化的办法，同时大气复杂流场的模拟具有高 精度、高实时性的要求，因此在研究上存在一定的难度。基于此，本发明提出一种方法，即利 用微变形镜对空间光学效应进行仿真，通过对微变形镜的控制改变反射面型，从而使光波 波前相应产生特定的波前畸变。
[0004] 现代微变形镜发展越来越实现了严格的要求:工作带宽高、自然谐振频率高、波前 校正动态范围、适配误差小、小型化以及抗疲劳、低电压、低能耗、高致动单元密度。因此常 用在自适应光学领域，作为波前校正器件校正波前误差以获得良好的成像质量。本发明方 法应用微变形镜的目的与之相反，在于精确引入波前畸变。
[0005] 为精确控制微变形镜面型，本发明中使用随机并行梯度下降（SPGD)算法闭环控制 系统，控制变量即为微变形镜电极电压。SPGD算法是一种特殊的梯度下降算法，同时对所有 的控制变量施加随机扰动，有效提高梯度估计精度，兼具高效的特点。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为实现气动光学效应的仿真，而提出一种基于微变形镜的引入波 前畸变的方法，可以在光学效应分析、模拟研究光学成像等方面提供有效的帮助。
[0007] -种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于通过微变形镜控制系统实 现对光波波面的控制，引入所需畸变。该方法利用波前传感器、微变形镜及上位机组成闭环 控制系统。通过微变形镜对波前进行控制，并利用波前传感器对波前面型进行检测，然后比 较检测到的波前信息与目标波前的差异，建立目标函数，同时结合随机并行梯度下降算法 (SPGD)控制微变形镜面型变化，最终使引入波前与目标畸变波前趋于一致。
[0008] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，将微变形镜放置在光束相匹配的光 路中，对光波波面进行整形；
[0009] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，利用哈特曼-夏克(HS)波前传感器 对所述整形后的波前进行检测；
[0010] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，通过计算机控制所述检测图像的采 集处理并获得CCD子孔径图像阵列；
[0011] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，利用Zernike多项式表示和分析波 前，计算所述子孔径图像阵列的重心偏差，获得检测光波的波前斜率信息，进一步得到检测 波前相位信息Φ ;
[0012] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，计算所述检测波前Φ与参考目标波 前Φο的相位差Α φ，建立目标函数J，即对目标波前畸变与检测波前的波面差异的定量描 述；
[0013] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，采用SPGD闭环控制算法，根据所述 检测波前与目标波前的相位差实时修正控制电压，使其沿目标函数梯度反向变化；
[0014] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，计算机产生控制电压信号输入到相 连接的数模转换单元，经放大器放大后输入到变形镜致动器，驱动镜面形状改变；
[0015] 所述的基于微变形镜的引入波前畸变的方法，闭环控制最终使所述波面差异Δ φ 满足设定的阈值要求，从而实现目标波前畸变的精确引入。
[0016] 有益效果
[0017]本发明具有以下显著特点和积极效果：
[0018] 1.在上位机系统运用多种算法工具进行运算，采用适当的图像采集处理及微变形 镜闭环控制算法，实时性好、效率较高，并且便于试验、调试与二次开发。
[0019] 2.采用常用的设备来实现，同时光路的安装灵活方便。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明基于微变形镜的引入波前畸变方法的结构示意图。
[0021 ]图2为本发明方法的闭环算法程序流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合本发明的附图，对本发明作进一步的说明，但不应此限制本发明的保 护范围。
[0023] 如图1所示，本发明基于微变形镜的引入波前畸变的方法，利用光源、微变形镜及 其控制系统(数模转换单元、放大器）、HS波前传感器、计算机控制模块组成闭环控制系统。 利用HS波前传感器获得波面图像后，在上位机系统内完成波前相位的计算、检测与目标波 前差异的比较以及微变形镜控制信号的产生，驱动变形镜面型改变和波前的调整。
[0024] 如图2所示，本发明基于微变形镜的波前畸变引入方法，闭环算法程序流程如下：
[0025] 第一步，初始化后，预置变形镜电压；
[0026] 第二步，在高频控制过程的每个过程中，计算机控制采集并读入波前传感器探测 的子孔径图像阵列；
[0027]第三步，计算该图像阵列的质心偏移，得到单位Zernike多项式的波前斜率向量G; [0028]第四步，采用模式法复原波前，波前相位用Zernike多项式逼近：
[0029] Φ (x,y)=ao+ZakZk(x,y)+e(k = l,2, . . . ,η)
[0030]波前斜率用Zernike函数的偏导数来表示，矩阵表示
[0032] 记成G = DA+e，其中ε为测量误差，m为子孔径采样数目，η为模式阶数。用D的广义逆 矩阵D+和所述波前斜率向量G求Zernike多项式的最小二乘解，即得波前相位信息Zernike 多项式系数向量：
[0033] A = D+G
[0034] 第五步，计算目标评价函数J;
[0035] 第六步，比较检测波前Φ与目标波前Φ0的差异；
[0036] 第七步，判断上述差异是否满足阈值条件，如果满足阈值条件则停止程序;如果不 满足阈值条件则使用SPGD算法，根据检测的波前相位差实时修正控制电压，使其沿目标评 价函数J梯度反向变化，有：
[0037] ui(k+1)=Ui(k)-u5j(k)5ui (k)
[0038] 其中，u为控制电压变量，k为迭代次数；
[0039]虽然已参照典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、 而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所 以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范 围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要 求所涵盖。
【主权项】
1. 一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于通过微变形镜控制系统实现 对光波波面的控制，引入所需畸变。该方法利用波前传感器、微变形镜及上位机组成闭环控 制系统。通过微变形镜对波前进行控制，并利用波前传感器对波前面型进行检测，然后比较 检测到的波前信息与目标波前的差异，建立目标函数，同时结合并行梯度下降算法(SPGD) 控制微变形镜面型变化，最终使引入波前与目标畸变波前趋于一致。2. 权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于将微变形 镜放置在光束相匹配的光路中，对光波波面进行整形。3. 权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于利用哈特 曼-夏克(HS)波前传感器对所述整形后的波前进行检测。4. 权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于通过PC机 控制所述检测图像的采集处理并获得CCD子孔径图像阵列。5. 权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于利用 Zernike多项式表示和分析波前，计算所述子孔径图像阵列的重心偏差，获得检测光波的波 前斜率信息，进一步得到检测波前相位信息φ。6. 权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于计算所述 检测波前Φ与参考目标波前Φ0的相位差△ Φ，建立性能评价目标函数J，对波面差异定量 描述。7. 权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于采用SPGD 闭环控制算法，根据所述检测波前相位差实时修正控制电压，使其沿目标函数梯度反向变 化。8. 权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于计算机产 生控制电压信号输入到相连接的数模转换单元，经放大器放大后输入到变形镜致动器驱动 镜面形状改变； a)权利要求1所述的一种基于微变形镜的引入波前畸变的方法，其特征在于闭环控制 最终使所述波面差异Α Φ满足设定的阈值要求，从而实现目标波前畸变的精确引入。
【文档编号】G02B26/06GK105866939SQ201610424164
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】赵跃进, 王琳, 张励, 田义, 李艳红, 孔令琴, 刘明, 董立泉, 刘小华, 惠梅
【申请人】北京理工大学, 上海机电工程研究所