CN102636877A - 一种提高液晶光阀光束整形器性能的方法 - Google Patents

一种提高液晶光阀光束整形器性能的方法 Download PDF

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曾小明
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Abstract

本发明公开了一种提高液晶光阀光束整形器的线性响应特性的方法。激光束经过起偏器变成线偏光，经液晶光阀进行光束空间整形，整形后的光束经过检偏器、空间滤波器、取样镜进入科学级CCD相机，通过科学级CCD相机采集的空间强度分布，并输入计算机控制系统，计算机将输入的光束空间强度分布与整形所需空间强度分布进行对比，采用黑白二值位图作为液晶光阀的调控图像，通过改变液晶光阀的透射率调整光束空间强度分布。本发明的方法采用黑白二值位图作为液晶光阀的控制信号，可以克服整形器的透射率对灰度响应的非线性缺点，提高线性响应动态范围，从而提高光束整形性能。本发明适用于激光光束精密整形技术领域。

Description

一种提高液晶光阀光束整形器性能的方法
技术领域
本发明属于激光光束精密整形技术领域，具体涉及一种提高液晶光阀光束整形器性能的方法。
背景技术
高功率激光系统运行在较高的通量下，为避免光束空间分布不均匀造成激光器系统损伤，出现了多种光束空间整形技术，如锯齿光阑、双折射透镜、金属掩模等。这些整形器件都不能实现可编程控制，应用的灵活度不够。中国工程物理研究院激光聚变研究中心的隋展等人于2002年9月11日申报的实用新型专利《一种液晶光阀激光束空间整形装置》（中国专利号01256697.7），提出了一种实现激光光束整形可编程控制的方法。该方法的特点是采用矩阵型液晶光阀作为光束整形器件，采用灰度图像作为驱动信号来控制液晶光阀，驱动图像像素的灰度决定了光束整形器对应像素的透过率，通过改变驱动图像像素的灰度就可以改变光束整形器透过率的空间分布，从而对激光束的空间强度分布实现可编程控制。但是采用灰度图像驱动的液晶光阀光束整形器的透射率对灰度的响应曲线呈现严重的非线性特性，在实际应用中将导致光束整形效果不够理想，存在失真现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高液晶光阀光束整形器线性响应性能的方法。
本发明的提高液晶光阀光束整形器性能的方法包括下列内容：
    激光束经过起偏器变成线偏光，经液晶光阀进行光束空间整形，整形后的光束经过检偏器、空间滤波器、取样镜进入科学级CCD相机，通过科学级CCD相机采集的空间强度分布，并输入计算机控制系统，计算机将输入的光束空间强度分布与整形所需空间强度分布进行对比，采用黑白二值位图作为液晶光阀的调控图像，通过改变液晶光阀的透射率调整光束空间强度分布。
所述采用黑白二值位图作为液晶光阀的调控图像为通过改变液晶光阀中的液晶的黑白像素位置和密度。
本发明的提高液晶光阀光束整形器性能的方法，是在利用液晶光阀进行激光光束整形的过程中采用黑白二值位图作为液晶光阀的控制图像，从而克服液晶光阀对灰度的非线性响应，提高整形器透射率的线性特性。
本发明中采用黑白二值位图控制液晶光阀，即液晶像素仅黑白两种取值状态，通过黑白像素的位置和密度来控制液晶光阀透射率的空间变化。具体为根据光束整形预期目标计算液晶光阀光束整形器的透射率目标函数T0。透射率目标函数T0是一个矩阵，其每个元素的数值是介于0和1之间的实数。
现有的处理方法是将该透射率目标函数T0拉伸成灰度图像，图像的深度与液晶驱动电路数模转换位数相同，通常是8位二进制，对应灰度值是0到255之间的整数。将该灰度图像加载到液晶光阀来控制光束整形器的透射率函数。由于液晶光阀对灰度响应呈非线性关系，导致整形器的实际透射率函数Tn发生畸变偏离目标透射率函数T0，并且不容易校正。
本发明提出的方法是将透射率目标函数T0作二值化处理，转换成只有黑白两种状态的二值位图，黑色像素对应数值0，白色对应数值255。将该二值位图加载到液晶光阀，黑色像素对应的相对透射率为0，白色像素对应的相对透射率为100%，没有中间状态从而避免了液晶光阀对灰度响应的失真。在将透射率目标函数T0作二值化处理的过程中，通过黑白像素的位置和密度来体现透射率的空间变化。该方法使得原本连续分布（数值介于0～1之间）的透射率目标函数T0变成离散（数值为0或1）的透射率函数Tn。得益于空间滤波器的低通滤波和光束匀滑效应，离散过程引入的高频噪声被低通滤波器滤除，透射率函数Tn被匀滑，从而获得预期的透射率目标函数T0。
本发明采用黑白二值位图作为液晶光阀的控制图像，提高了液晶光阀光束整形器的线性响应特性，从而克服了液晶光阀光束整形器由于透射率对灰度响应的非线性失真现象。
附图说明
图1为现有技术与本发明的加载图像对比图；
图2为本发明中的液晶光阀光束整形器的结构框图；
图3为本发明中的液晶光阀的灰度响应测试曲线；
图4为本发明中的二值位图与传统灰度图像控制方法的性能测试对比曲线；
图中：1.起偏器     2.液晶调制器     3.检偏器     4.空间滤波器     5.取样镜     6.科学级CCD相机    7.计算机控制系统。
 具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为现有技术与本发明的加载图像对比图，图1中显示了现有的灰度图像加载方式与二值位图加载方式的区别，图1上排是灰度加载图像透射率目标T0从左至右分别为5%、25%和75%，下排是二值位图加载图像透射率目标T0从左至右分别为5%、25%和75%。可见二值化处理后原本连续的透射目标函数被离散化，只有黑、白两种状态，通过黑白像素的位置和密度来控制透射率的空间变化，从而避免了液晶对灰度图像响应的非线性特性，有效地提高了线性响应性能。
图2为本发明的液晶光阀光束整形器的结构框图，如图2所示，本发明的方法利用传统的液晶光阀光束整形器，整形器包含起偏器1、液晶光阀2、检偏器3、空间滤波器4、取样镜5、科学级CCD相机6、计算机控制系统7。
激光经过起偏器1变成线偏光，经液晶光阀2进行光束空间整形，整形后的光束经过检偏器3、空间滤波器4、取样镜5进入科学级CCD相机6，通过科学级CCD相机6采集激光束的空间强度分布，并输入计算机控制系统7，计算机7根据激光空间强度分布采用黑白二值位图作为液晶光阀2的控制图像，调控液晶光阀2。
图3为本发明中的液晶光阀的灰度响应测试曲线，如图3所示，实验测试二值位图与传统灰度图像控制方法的性能测试对比。实验测试时所用的液晶光阀型号是HOLOEYE-LC2002，工作波长1053nm，测试结果表明液晶光阀对驱动图像灰度的响应呈现非线性关系，线性响应区间非常有限。为了对比测试本发明的有效性，首先将测试光源扩束选择强度分布较均匀的区域作为测试系统的入射光源。以液晶光阀光束整形器的透射率目标函数                                                
Figure 206524DEST_PATH_IMAGE001
为例，即沿x方向倾斜的平顶分布函数，其沿x方向的分布如图4中的实线所示。利用数字图像处理算法将该目标函数T0二值化处理成黑白二值位图Tb（黑色像素对应数值0，白色像素对应数值255），作为对比，将其处理成8位灰度图像Tg。分别将这两种图像通过计算机控制系统7加载到液晶光阀2上，用科学级CCD相机6测量相应激光束的强度分布，将测量的强度分布与透射率目标函数相比较，如果光束整形系统是线性响应则测量结果将与目标函数吻合。
图4为本发明中的二值位图与传统灰度图像控制方法的性能测试对比曲线，如图4所示，采用灰度图像驱动时，测量结果明显偏离目标函数；而采用二值位图驱动时，测量结果与目标函数基本上完全吻合。另外在目标值较大的区域，灰度图像驱动与二值图像驱动的结果基本吻合，这是因为它们处于液晶光阀的线性响应区间。从图4中可以看出本发明所述二值位图控制方法具有优良的线性响应特性，而传统灰度图像控制方法存在较严重的非线性失真。

Claims (2)

1.一种提高液晶光阀光束整形器性能的方法，其特征包括下列内容：
    激光束经过起偏器变成线偏光，经液晶光阀进行光束空间整形，整形后的光束经过检偏器、空间滤波器、取样镜进入科学级CCD相机，通过科学级CCD相机采集的空间强度分布，并输入计算机控制系统，计算机将输入的光束空间强度分布与整形所需空间强度分布进行对比，采用黑白二值位图作为液晶光阀的调控图像，通过改变液晶光阀的透射率调整光束空间强度分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述采用黑白二值位图作为液晶光阀的调控图像为通过改变液晶光阀中的液晶的黑白像素位置和密度。
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