專利名稱：一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)裝置，是一種利用壓電陶瓷變形鏡對(duì)連續(xù)激光器的光束進(jìn)行自動(dòng)整形的自適應(yīng)光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
自激光器問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在許多領(lǐng)域，在大多數(shù)領(lǐng)域，僅僅要求激光器輸出質(zhì)量良好的激光束；但是，在某些特定領(lǐng)域，對(duì)激光器輸出光束的形狀還有特殊要求。一般來(lái)說(shuō)，一束理想高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑在一倍衍射極限內(nèi)的能量?jī)H為總能量的84％，在它的旁瓣內(nèi)還有約16％的總能量，事實(shí)上，旁瓣的存在常常會(huì)影響激光光束在某一些領(lǐng)域的成功應(yīng)用。與高斯光束相比，超高斯光束，方形光束等形狀的光束有較少的旁瓣效應(yīng)，這類形態(tài)的光束在一些工業(yè)場(chǎng)合的應(yīng)用有其特有的優(yōu)勢(shì)，例如在信息處理，激光全息照相，激光加工及熱處理，珠寶首飾加工，特殊光學(xué)材料的制作等等領(lǐng)域，就要求激光光束呈方型均勻分布，或呈超高斯分布等。
通常情況下，一臺(tái)激光器輸出的光束即便不含有任何像差，最好情況也只能輸出單模的高斯分布，所以要想得到特定的非高斯分布，必須對(duì)激光器的輸出光束進(jìn)行有針對(duì)的整形。現(xiàn)在，大多利用衍射光學(xué)元件(DOE)對(duì)激光光束進(jìn)行整形，用來(lái)設(shè)計(jì)這些衍射光學(xué)元件的方法有很多，但其理論主要有幾何理論和標(biāo)量理論。利用幾何理論具有計(jì)算直接，計(jì)算量較小的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)所需要的目標(biāo)圖樣比較簡(jiǎn)單時(shí)候，可以利用幾何理論設(shè)計(jì)DOE，但是當(dāng)所需要的目標(biāo)圖樣比較復(fù)雜時(shí)，利用幾何理論的推導(dǎo)過(guò)程就特別復(fù)雜，這時(shí)，利用標(biāo)量理論就比較方便，因?yàn)闃?biāo)量理論大多是循環(huán)迭代方法，不用推導(dǎo)出DOE的輸出輸入關(guān)系式。目前最多的算法大多基于標(biāo)量理論的，例如比較著名的Y-G算法，Gerchberg-Saxton算法等，詳情參見(jiàn)“Efficient beamshaper homogenierdesign combing diffractive optical elements，microlens array and randomphase plate pure”，KOPP C.Appl Opt.P 398-403 1999(1)和“Gerchberg-Saxton and Yang-Gu algorithms for phase retrieval in anonunitary transform systema comparison”，Yang G zh，Dong B Zh，Gu B Yetal.Appl Opt.P 209-218.1994，33(2)。這類算法多基于相位反演的原理，即利用激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)的焦斑信號(hào)通過(guò)迭代運(yùn)算，找出激光近場(chǎng)波面分布的情況。但是，以上標(biāo)量理論也好，幾何理論也罷，都主要是采用各種算法設(shè)計(jì)光學(xué)衍射元件(DOE)，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有突破利用光學(xué)衍射元件整形光束的范疇，而且，光學(xué)衍射元件是一種靜態(tài)器件，對(duì)有含有動(dòng)態(tài)像差的光束不能實(shí)現(xiàn)整形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有的各種對(duì)激光器光束整形方法的不足，提供一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，它采用變形鏡作為整形元件，不僅能夠?qū)硐敫咚构馐M(jìn)行整形，還能對(duì)含有靜態(tài)或動(dòng)態(tài)像差的光束進(jìn)行整形。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于包括主控計(jì)算機(jī)、變密度衰減盤、變形鏡、高壓放大器、CCD相機(jī)、圖像采集卡、聚焦透鏡、D/A轉(zhuǎn)換卡、望遠(yuǎn)鏡、以及基于遺傳算法的控制軟件系統(tǒng)。激光器的輸出光束被望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)大到與變形鏡的口徑相匹配，該光束經(jīng)過(guò)變形鏡反射，并經(jīng)過(guò)變密度衰減盤衰減后入射到聚焦透鏡，再被聚焦透鏡匯聚到焦平面上的CCD相機(jī)的靶面之上，主控計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡將CCD相機(jī)靶面上的光斑信號(hào)采集下來(lái)，利用此信號(hào)與預(yù)先儲(chǔ)存在主控計(jì)算機(jī)中的目標(biāo)光斑信號(hào)在對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)上作絕對(duì)差運(yùn)算，絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為遺傳算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)也作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，執(zhí)行主控計(jì)算機(jī)內(nèi)的基于遺傳算法的控制程序，把經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算得出的多路數(shù)字電壓，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)高壓放大器放大，施加在變形鏡的驅(qū)動(dòng)器上，使變形鏡朝著讓目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方向發(fā)生形變，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)即絕對(duì)差運(yùn)算的均方根最小(為零)時(shí)，激光器的輸出光束就可以整形成預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)光束。
所述的變形鏡為鍍高反射膜系的反射式變形鏡，它靠鏡面背后的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)來(lái)發(fā)生相應(yīng)形變施加正電壓，發(fā)生正變形，施加負(fù)電壓，產(chǎn)生負(fù)變形，因此變形鏡能夠產(chǎn)生正負(fù)波前校正量，它主要由薄反射鏡面，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，基板和電極引線組成，基板主要用來(lái)支撐壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一端與基板相連，另一端與薄反射鏡面相連，電極引線也連接在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，通過(guò)基板上的通孔引出去，與控制系統(tǒng)中的高壓放大器相連，為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生伸縮從而推動(dòng)薄鏡面發(fā)生形變提供相應(yīng)的電壓。
所述的遺傳算法是一種全局尋優(yōu)算法，它以待整形激光光束的焦斑形狀與目標(biāo)焦斑形狀的絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為適應(yīng)度函數(shù)，利用此函數(shù)作為遺傳算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。遺傳控制算法的步驟如下(1)遺傳算法的第一步是初始化種群，其中，種群由一定數(shù)量的個(gè)體組成，每個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)于優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)可能解，本發(fā)明中每個(gè)個(gè)體分別對(duì)應(yīng)一個(gè)變形鏡面形，變形鏡面形由變形鏡后面驅(qū)動(dòng)器上施加的電壓值決定。
(2)初始化種群后，就要對(duì)種群中個(gè)體進(jìn)行編碼操作，個(gè)體可以通過(guò)二進(jìn)制編碼，也可以通過(guò)實(shí)數(shù)編碼，編碼后的個(gè)體稱之為染色體。本發(fā)明采用實(shí)數(shù)編碼的編碼方式。
(3)編碼后，計(jì)算每個(gè)鏡面?zhèn)€體的適應(yīng)度，適應(yīng)度是用來(lái)衡量種群中每個(gè)個(gè)體可能達(dá)到或接近于最優(yōu)解的優(yōu)良程度，個(gè)體適應(yīng)度越大，就越逼近最優(yōu)解，它被選出參與后期交叉操作與變異操作的概率就越大，本發(fā)明以待整形激光光束的焦斑形狀與目標(biāo)形狀的絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為適應(yīng)度函數(shù)，利用此函數(shù)作為遺傳算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。
(4)在各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度被計(jì)算出來(lái)以后，根據(jù)與適應(yīng)度成正比例的原則，遺傳算法再依據(jù)輪盤賭方式進(jìn)行選擇操作，然后再按照一個(gè)在0.5-0.99之間的交叉概率pc對(duì)種群中被選擇出來(lái)的的個(gè)體兩兩進(jìn)行交叉操作，緊接著再按照一個(gè)在0.001-0.9之間的變異概率pm對(duì)種群中的部分個(gè)體本身進(jìn)行變異操作。選擇、交叉和變異操作是遺傳算法的三個(gè)最主要的操作，它們一起決定了遺傳控制算法的全局尋優(yōu)性能和收斂能力。
(5)遺傳算法經(jīng)過(guò)以上4個(gè)步驟執(zhí)行一次，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的種群，每一個(gè)新的種群稱為一代。遺傳算法不斷迭代執(zhí)行以上4個(gè)步驟，直到算法終止條件滿足，此時(shí)，找到的個(gè)體就對(duì)應(yīng)于最大適應(yīng)度的那個(gè)鏡面面型，該面型就整形光束的所需的最好面型。
所述的主控計(jì)算機(jī)為工控計(jì)算機(jī)，它既用為主要控制設(shè)備，又是執(zhí)行遺傳算法的核心器件，還是整形結(jié)果的顯示終端。
所述的CCD相機(jī)的響應(yīng)波段頻譜很廣，從淺紫外光到近紅外光都能相應(yīng)，而且，量子效率高，可以很好的對(duì)較弱的光強(qiáng)進(jìn)行響應(yīng)，且所采用的相機(jī)是一種高速相機(jī)，采樣速率達(dá)到千幀每秒。
所述的激光器的種類不局限于某一類，可以是連續(xù)激光器，也可以是脈沖激光器，可以是固體激光器，也可以是氣體激光器等。
本發(fā)明的原理是利用變形鏡作為整形器件，對(duì)激光器的輸出光束進(jìn)行整形把激光器輸出光束在遠(yuǎn)場(chǎng)CCD相機(jī)上的焦斑信號(hào)，與預(yù)先儲(chǔ)存在主控計(jì)算機(jī)中的目標(biāo)光斑信號(hào)在對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)上作絕對(duì)差運(yùn)算，絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為遺傳算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)也作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，執(zhí)行主控計(jì)算機(jī)內(nèi)的基于遺傳算法的控制算法，把經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算得出的多路數(shù)字電壓，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)高壓放大器放大，施加在變形鏡的驅(qū)動(dòng)器上，使變形鏡朝著讓目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方向發(fā)生形變，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)即絕對(duì)差運(yùn)算的均方根最小時(shí)，激光器的輸出光束就可以整形成預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)光束。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明利用遺傳算法控制變形鏡，通過(guò)改變激光光束的近場(chǎng)波面的相位分布，從而達(dá)到改變其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑形態(tài)的目的，在不需要計(jì)算出遠(yuǎn)場(chǎng)光斑形狀與近場(chǎng)相位的關(guān)系式的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)激光光束整形，在變形鏡的容許變形范圍內(nèi)，可以把高斯激光光束整形成超高斯光束、方形光束等實(shí)際應(yīng)用中需要的光束，不僅如此，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光光束中包含的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)像差的有效校正。
(2)本發(fā)明采用的變形鏡為鍍高反射膜系的反射式變形鏡，這種變形鏡諧振頻率高(104Hz級(jí))，響應(yīng)時(shí)間快(微秒級(jí))，非線性滯后小(＜±3％)，動(dòng)態(tài)行程范圍大(幾個(gè)微米)，能承受高功率密度激光(達(dá)數(shù)千瓦/厘米2)，它不僅能夠校正低階像差，也能校正高階像差，并且對(duì)近紅到淺紫波段的光線都有校正效果。
(3)本發(fā)明所采用的遺傳算法是一種模仿自然界生物適者生存進(jìn)化原理的全局搜索算法。目前已經(jīng)用在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的爬山法的最大缺點(diǎn)是它的搜索每次都是從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始，是個(gè)串行的過(guò)程，容易使搜索陷于局部最優(yōu)值。而本發(fā)明所采用的遺傳算法的搜索是從一個(gè)種群開(kāi)始，搜索空間更大，并且具有內(nèi)在并行性，只要參數(shù)選擇得當(dāng)，算法能以百分之百的概率搜索到問(wèn)題的全局最優(yōu)值，因此能確保望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的各種像差得到完全校正。
(4)本發(fā)明只通過(guò)變形鏡和遺傳算法，在硬件上沒(méi)有大的改變，而且主控計(jì)算機(jī)為工控計(jì)算機(jī)，它既用為主要控制設(shè)備，又是執(zhí)行遺傳算法的核心器件，還是整形結(jié)果的顯示終端，因此能夠保證系統(tǒng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制能力，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的集成化水平，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用在對(duì)激光光束形狀有特定要求的場(chǎng)合，可以大大擴(kuò)大激光的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的變形鏡的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明采用的控制算法即遺傳算法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置主要包括激光器1、望遠(yuǎn)鏡2、變形鏡3、變密度衰減盤4、聚焦透鏡5、CCD相機(jī)6、主控計(jì)算機(jī)7以及內(nèi)置其內(nèi)的圖像采集卡、基于遺傳算法的控制軟件，高壓放大器8及內(nèi)置其內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換卡組成，激光器1輸出光束被望遠(yuǎn)鏡2擴(kuò)大到與變形鏡3的口徑相匹配，該光束經(jīng)過(guò)變形鏡3反射后再被變密度衰減盤4衰減，然后入射到聚焦透鏡5，并被匯聚到焦平面上的CCD相機(jī)6的靶面之上，主控計(jì)算機(jī)7內(nèi)的圖像采集卡將CCD相機(jī)6上的光斑信號(hào)采集下來(lái)，利用此信號(hào)與預(yù)先儲(chǔ)存在主控計(jì)算機(jī)7中的目標(biāo)光斑信號(hào)在對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)上作絕對(duì)差運(yùn)算，絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為遺傳算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)也作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，執(zhí)行主控計(jì)算機(jī)7內(nèi)的基于遺傳算法的控制算法，把經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算得出的數(shù)字控制電壓，經(jīng)由高壓放大器8內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)高壓放大器8放大，施加在變形鏡3的驅(qū)動(dòng)器上，使變形鏡3朝著讓目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方向發(fā)生形變，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)即絕對(duì)差運(yùn)算的均方根最小時(shí)，激光器的輸出光束就可以整形成預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)光束。
如圖2所示，本發(fā)明的變形鏡3為鍍高反射膜系的反射式變形鏡，該變形鏡的變形是靠鏡面背后的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)產(chǎn)生的，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器上電極施加電壓，使鏡面產(chǎn)生變形。這種變形鏡諧振頻率高(104Hz級(jí))，響應(yīng)時(shí)間快(可達(dá)微秒級(jí))，非線性滯后小(＜±3％)，能承受高功率密度激光(達(dá)達(dá)數(shù)千瓦/厘米2)，動(dòng)態(tài)行程范圍大(幾個(gè)微米)。
如圖2所示的鍍高反射膜系的反射式變形鏡3主要由薄反射鏡面31，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器32，基板33和電極引線34組成，變形鏡3是一種連續(xù)鏡面變形鏡，連續(xù)鏡面具有擬合誤差小，光能損失少，能保持波前相位連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。所采用的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器32的位移分辨率很高，控制很方便給壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器施加電壓，利用逆壓電效應(yīng)就可以產(chǎn)生位移。由于單片壓電陶瓷片在數(shù)百伏的電壓下也只能產(chǎn)生0.1～0.2微米的變形，所以，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器32由很多壓電陶瓷片疊加而成，各個(gè)陶瓷片在電路上是并聯(lián)的而變形量是疊加的，這樣就可以增大變形鏡3的變形量。基板33主要用來(lái)支撐壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器32，多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器32的一端與剛性基板33相連，另一端與薄反射鏡面31相連，電極引線34連接在各個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，通過(guò)基板33上的通孔引出去，與控制系統(tǒng)中的高壓放大器8相連，為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器32產(chǎn)生伸縮從而推動(dòng)薄反射鏡面31發(fā)生形變提供相應(yīng)的電壓。
圖3是本發(fā)明的所用控制算法即自適應(yīng)遺傳算法的執(zhí)行流程圖。如圖3所示遺傳算法首先產(chǎn)生一個(gè)初始種群，種群包含一定數(shù)量的變形鏡面形個(gè)體。由于實(shí)數(shù)編碼的方法可以提高遺傳算法的運(yùn)算效率，改善遺傳算法的復(fù)雜性，所以采取實(shí)數(shù)編碼的方式對(duì)各個(gè)面型個(gè)體編碼。各個(gè)個(gè)體可用下面的形式表示Vi＝[V1V2，...，Vn](i＝1，2，...，M)(1)其中，Vi表示種群中的一個(gè)鏡面面型個(gè)體，對(duì)應(yīng)于遺傳算法的一個(gè)染色體，M表示種群的規(guī)模；Vj(j＝1，2，...n)是實(shí)數(shù)，代表的是次鏡1驅(qū)動(dòng)器上施加的電壓值，它們又分別對(duì)應(yīng)遺傳算法的一個(gè)基因位，取值在[VminVmax]之間，Vmin代表最小電壓，Vmax代表最大電壓，n是變形鏡上驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù)。根據(jù)整形精度要求，可以選擇不同驅(qū)動(dòng)器數(shù)量的變形鏡。
激光器首先發(fā)出一束光束，被聚焦透鏡焦平面上CCD相機(jī)的靶面接收，焦斑信號(hào)被采集到主控計(jì)算機(jī)，利用此信號(hào)，計(jì)算出在各個(gè)變形鏡面型個(gè)體作用下對(duì)應(yīng)的絕對(duì)差運(yùn)算的均方根，以之作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)。
選擇操作采用輪盤賭的選擇策略，輪盤賭選擇是與適應(yīng)度函數(shù)成正比的選擇方式，為了采用這一原則，本發(fā)明對(duì)適應(yīng)度函數(shù)作如下變換設(shè)在變形鏡動(dòng)作下在CCD上產(chǎn)生的焦斑為FDM，而目標(biāo)圖像為Ftarget，則，絕對(duì)差函數(shù)的均方根為F=ΣxΣy(Ftarget(x,y)-FDM(x,y))2---(2)]]>(2)式中的Ftarget是目標(biāo)圖像的表達(dá)式，例如若目標(biāo)圖像是超高斯圖像，則有
Ftarget＝exp[-(a(x-x0))M-(b(y(y-y0))N)](M＝N＞2)(3)其中x，y為目標(biāo)圖像上的坐標(biāo)，x0，y0為目標(biāo)圖像的中心坐標(biāo)x0=ΣXiIiΣIi]]>y0=ΣYiIiΣIi---(4)]]>(4)中Xi，Yi，是目標(biāo)圖像上第i個(gè)像素的橫縱坐標(biāo)，i是目標(biāo)圖像上第i個(gè)像素的光強(qiáng)值。
F′＝C-F(5)其中C是一個(gè)選取的大于F的正實(shí)數(shù)，通過(guò)(5)式變換，使得F’非負(fù)，因?yàn)檩啽P賭的選擇策略需要適應(yīng)度函數(shù)非負(fù)，且個(gè)體適應(yīng)度越大，被選擇的概率就越高，所以F’越大，也即F越小，其對(duì)應(yīng)個(gè)體被選擇到的可能性就越大，故經(jīng)過(guò)(5)式變換，采用F’作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，可以很好的利用輪盤賭選擇策略。
交叉操作是遺傳算法產(chǎn)生新個(gè)體的主要方式，本發(fā)明采用單點(diǎn)算術(shù)交叉的的方式，它通過(guò)對(duì)父代的兩個(gè)鏡面面形個(gè)體發(fā)生互換部分基因的方式來(lái)產(chǎn)生新的個(gè)體，交叉率為pc，其取值一般在0.5-0.99之間。交叉操作的具體過(guò)程如下設(shè)要交叉的兩個(gè)變形鏡面型個(gè)體分別為V1，V2，則經(jīng)過(guò)交叉產(chǎn)生的兩個(gè)新面型個(gè)體V1’，V2’由下面等式產(chǎn)生V1’＝λ1.V1+λ2.V2(6)V2’＝λ1.V2+λ2.V1(7)(6)，(7)式樣中，參數(shù)λ1+λ2≤2且0＜λ1，0＜λ2變異操作是決定遺傳算法局部搜索能力的操作方式，它是產(chǎn)生新個(gè)體的輔助方式，本發(fā)明采用非均勻變異算子。具體實(shí)現(xiàn)方式如下設(shè)某一代中變異率Pm確定出的要進(jìn)行變異的次鏡1的面型為Vi＝[v1v2...，vk...，vn]，變異位為vk，則經(jīng)過(guò)變異后新個(gè)體為V’i＝[v1v2...，v’k...，vn]，新基因位vk’由下式獲得vk’＝vk-Δ(t，vk-vkmin)(8)(8)式中，vkmin是vk可取的下限值，函數(shù)Δ(t，y)返回一個(gè)在
區(qū)間內(nèi)的值，可用以下式子描述Δ(t，y)＝y(tǒng).r(1-t/T)a(9)(9)式中，r是個(gè)在
內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，T是遺傳算法總的迭代次數(shù)，t代表算法執(zhí)行代數(shù)，a是個(gè)權(quán)重因子，由(9)式可知，當(dāng)t趨近于T時(shí)Δ(t，y)趨近于零。變異率Pm的取值范圍一般為0.001-0.9。
遺傳算法經(jīng)過(guò)適應(yīng)度計(jì)算、選擇、交叉、變異一系列操作后就要判定一次算法是否達(dá)到終止條件，如果不滿足終止條件，則進(jìn)入到下一代重復(fù)迭代計(jì)算，再一次進(jìn)行各種遺傳操作；如果滿足終止條件則結(jié)束算法，找到對(duì)應(yīng)于最大適應(yīng)度的那個(gè)鏡面面型，該面型就整形光束的所需的最好面型。遺傳算法的終止條件可以用用算法執(zhí)行的總次數(shù)，或者連續(xù)兩代種群中個(gè)體平均適應(yīng)度的相對(duì)變化量來(lái)判定。本發(fā)明采用后一種判定方式。設(shè)F(t+1)和F(t)分別代表第t代和第t+1代種群個(gè)體的平均適應(yīng)度，則判定條件可以表示為(F(t+1)-F(t))/F(t)≤δ(10)(10)式中，δ是個(gè)可以根據(jù)算法精度要求而預(yù)先設(shè)定的非常小的正實(shí)數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于主要包括激光器、望遠(yuǎn)鏡、變密度衰減盤、變形鏡、聚焦透鏡、CCD相機(jī)、主控計(jì)算機(jī)以及內(nèi)置其內(nèi)的圖像采集卡、基于遺傳算法的控制軟件，高壓放大器及內(nèi)置其中的D/A轉(zhuǎn)換卡，激光器輸出光束被望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)大到與變形鏡的口徑相匹配，該光束經(jīng)過(guò)變形鏡反射，再經(jīng)過(guò)變密度衰減盤衰減光器后入射到聚焦透鏡，然后被匯聚到焦平面上的CCD相機(jī)的靶面之上，主控計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡將CCD相機(jī)靶面上的光斑信號(hào)采集下來(lái)，利用此信號(hào)與預(yù)先儲(chǔ)存在主控計(jì)算機(jī)中的目標(biāo)光斑信號(hào)在對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)上作絕對(duì)差運(yùn)算，絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為遺傳算法要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)也作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，執(zhí)行主控計(jì)算機(jī)內(nèi)的基于遺傳算法的控制算法，把經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算得出的數(shù)字控制電壓，經(jīng)由高壓放大器內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)高壓放大器放大，施加在變形鏡的驅(qū)動(dòng)器上，使變形鏡朝著讓目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方向發(fā)生形變，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)即絕對(duì)差運(yùn)算的均方根最小時(shí)，激光器的輸出光束就可以整形成預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于所述的變形鏡為鍍高反射膜系的反射式變形鏡，它靠鏡面背后的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)來(lái)發(fā)生相應(yīng)形變施加正電壓，發(fā)生正變形，施加負(fù)電壓，產(chǎn)生負(fù)變形，這個(gè)特性可以使變形鏡產(chǎn)生正負(fù)波前校正量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于反射式變形鏡主要由薄反射鏡面，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，基板和電極引線組成，基板主要用來(lái)支撐壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一端與基板相連，另一端與薄反射鏡面相連，電極引線也連接在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，通過(guò)基板上的通孔引出去，與控制系統(tǒng)中的高壓放大器相連，為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生伸縮從而推動(dòng)薄反射鏡面發(fā)生形變提供相應(yīng)的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器由多個(gè)壓電陶瓷片疊加而成，各個(gè)陶瓷片在電路上是并聯(lián)的而變形量是疊加的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于所述的遺傳控制算法是一種內(nèi)含并行機(jī)制的全局尋優(yōu)算法，它以待整形激光光束的焦斑形狀與目標(biāo)形狀的絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為適應(yīng)度函數(shù)，利用此函數(shù)作為遺傳算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，遺傳控制算法的步驟如下(1)初始化種群，其中，種群由一定數(shù)量的個(gè)體組成，每個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)于優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)可能解，本發(fā)明中每個(gè)個(gè)體分別對(duì)應(yīng)一個(gè)變形鏡面形，變形鏡面形由變形鏡背后驅(qū)動(dòng)器上施加的電壓值決定；(2)初始化種群后，就要對(duì)種群中個(gè)體進(jìn)行編碼操作，個(gè)體可以通過(guò)二進(jìn)制編碼，也可以通過(guò)實(shí)數(shù)編碼，編碼后的個(gè)體稱之為染色體，本發(fā)明采用實(shí)數(shù)編碼的編碼方式；(3)編碼后，計(jì)算每個(gè)鏡面?zhèn)€體的適應(yīng)度，適應(yīng)度是用來(lái)衡量種群中每個(gè)個(gè)體可能達(dá)到或接近于最優(yōu)解的優(yōu)良程度，個(gè)體適應(yīng)度越大，就越逼近最優(yōu)解，它被選出參與后期交叉操作與變異操作的概率就越大，本發(fā)明以待整形激光光束的焦斑形狀與目標(biāo)形狀的絕對(duì)差運(yùn)算的均方根作為適應(yīng)度函數(shù)，利用此函數(shù)作為遺傳算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；(4)在各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度被計(jì)算出來(lái)以后，根據(jù)與適應(yīng)度成正比例的原則，遺傳算法再依據(jù)輪盤賭方式進(jìn)行選擇操作，然后再按照一個(gè)在0.5-0.99之間的交叉概率Pc對(duì)種群中被選擇出來(lái)的的個(gè)體兩兩進(jìn)行交叉操作，再按照一個(gè)在0.001-0.9之間的變異概率Pm對(duì)種群中的部分個(gè)體本身進(jìn)行變異操作；(5)經(jīng)過(guò)以上4個(gè)步驟執(zhí)行一次，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的種群，每一個(gè)新的種群稱為一代，不斷迭代執(zhí)行以上4個(gè)步驟，直到算法終止條件滿足，此時(shí)，找到的個(gè)體就對(duì)應(yīng)于最大適應(yīng)度的那個(gè)鏡面面型，該面型就整形光束的所需的最好面型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于所述的CCD相機(jī)的響應(yīng)波段頻譜為寬譜段，從淺紫外光到近紅外光，且量子效率高，很好的對(duì)較弱的光強(qiáng)進(jìn)行響應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于所述的CCD相機(jī)是高速相機(jī)，采樣速率達(dá)到千幀每秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于所述的激光器是連續(xù)激光器，或脈沖激光器，可固體激光器，可氣體激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，其特征在于所述的主控計(jì)算機(jī)為工控計(jì)算機(jī)，它既用為主要控制設(shè)備，又是執(zhí)行遺傳算法的核心器件，還是整形結(jié)果的顯示終端。
全文摘要
一種利用變形鏡實(shí)現(xiàn)光束自動(dòng)整形的裝置，由激光器、望遠(yuǎn)鏡、變形鏡、CCD相機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換卡、高壓放大器、變密度衰減盤、主控計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、聚焦透鏡、遺傳控制算法組成，本發(fā)明利用遺傳算法控制變形鏡，通過(guò)改變激光光束的近場(chǎng)波面的相位分布，從而達(dá)到改變其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑形態(tài)的目的，在不需要計(jì)算出遠(yuǎn)場(chǎng)光斑形狀與近場(chǎng)相位的關(guān)系式的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)激光光束整形不僅可以把高斯激光光束整形成超高斯光束、方形光束等實(shí)際應(yīng)用中需要的光束，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光光束中包含的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)像差的有效校正。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用在對(duì)激光光束形狀有特定要求的場(chǎng)合，可以大大擴(kuò)大激光的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G06N3/00GK1987546SQ20061016988
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月30日
發(fā)明者楊平, 許冰, 楊偉, 陳善球, 胡詩(shī)杰, 劉淵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所