CN102692714B - 一种可调式光斑截取装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调式光斑截取装置，包括光开关阵列，所述光开关阵列由输入的二值图像控制各像素点的开、关，所述二值图像的中间为亮像素点从而使所述光开关阵列形成透光窗口，所述二值图像的边缘具有过渡带，所述过渡带中亮像素点密度逐渐由最大过渡至最小，暗像素点密度逐渐由最小过渡至最小大。本发明能够避免光斑出现内部调制；便于调整所截取光斑的形状、大小；可以使用DMD等光开关的阵列即可实现光斑的截取，适用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体地说，本发明涉及一种可调式光斑截取装置和方法。
背景技术
现有技术中，激光光路中一般使用光阑来截取光斑，从而对后续光路中传播的光斑形状进行限制。现有的光阑一般采用金属材料制作，典型的光阑结构如图1所示，其小孔形状根据需要确定，例如矩形或圆形等。然而，采用现有的光阑来截取光斑时，存在以下缺点：
1、光斑经过光阑后，内部会出现调制，影响了光束质量（如图2所示）。
2、如果想调整光阑的形状、大小，只有更换新的光阑，操作十分不便。
因此，当前迫切需要一种能够避免光斑出现内部调制、便于调整光斑的形状、大小的光斑截取装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够避免光斑出现内部调制、便于调整光斑的形状、大小的光斑截取装置和方法。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种可调式光斑截取装置，包括光开关阵列，所述光开关阵列由输入的二值图像控制各像素点的开、关，所述二值图像的中间为亮像素点从而使所述光开关阵列形成透光窗口，所述二值图像的边缘具有过渡带，所述过渡带中亮像素点密度逐渐由最大过渡至最小，暗像素点密度逐渐由最小过渡至最小大。
其中，所述光开关阵列由液晶空间光调制器实现。
其中，所述可调式光斑截取装置还包括沿着光路依次设置的起偏器、左旋45°转子、右旋45°转子和检偏器，所述液晶空间光调制器设置在左旋45°转子和右旋45°转子之间，所述起偏器和检偏器呈正交放置。
其中，所述可调式光斑截取装置还包括沿着光路依次设置的起偏器、两个二分之一玻片和检偏器，所述液晶空间光调制器设置在两个所述二分之一玻片之间，所述起偏器和检偏器呈正交放置。
其中，所述起偏器为偏振分光棱镜或偏振片。
其中，所述光开关阵列为数字微镜器件阵列。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种基于上述的可调式光斑截取装置的截取光斑的方法，包括下列步骤：
1）生成灰度图像，该灰度图像的边缘处具有过渡带，该过渡带中的像素灰度逐渐由最大变为最小；
2）将所述灰度图像二值化，得到边缘处具有过渡带的二值图像；
3）将所述边缘处具有过渡带的二值图像写入所述光开关阵列；
4）完成步骤3）后，使光束通过所述光开关阵列从而截取光斑。
其中，所述步骤2）包括下列子步骤：
21）对所述灰度图像进行阈值分割，得到由亮、暗像素点构成的原始二值图像；
22）采用误差扩散算法对原始二值图像进行修正，得到最终的边缘处具有过渡带的二值图像。
其中，所述步骤22）中，所采用的误差扩散算法为Floyd-Steinberg算法或者Barnard算法。
与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：
1、本发明能够避免光斑出现内部调制。
2、本发明便于调整所截取光斑的形状、大小。
3、本发明可以使用DMD等光开关即可实现光斑的截取，适用范围较广。
4、本发明使用空间光调制器实现光斑截取时，不需要其图像灰度连续变化，因此能够省去调整Gamma曲线使其线性化的步骤。
附图说明
图1示出了现有技术中一种典型的光阑结构；
图2示出了经过现有光阑后内部出现调制的光斑图像；
图3示出了本发明一个实施例中的可调式光斑截取装置；
图4示出了本发明一个实施例中写入液晶空间光调制器的带软化的方形光阑；
图5示出了本发明一个实施例中写入液晶空间光调制器的带软化的圆形光阑；
图6示出了本发明一个实施例中写入液晶空间光调制器的带软化的圆形光阑一角；
图7示出了本发明一个实施例中的CCD上所采集到光斑；
图8示出了本发明另一个实施例中的可调式光斑截取装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
图3示出了根据本发明一个实施例的可调式光斑截取装置的光路，参考图3，该可调式光斑截取装置包括沿着光路依次设置的偏振分光棱镜1（即Polarization Cube Beamsplitter，缩写为PBS）、左旋45°转子2、液晶空间光调制器3、右旋45°转子4和偏振分光棱镜5。
本实施例中，第一个PBS起到起偏器的作用（容易理解，PBS也可以用偏振片代替），它使光的偏振态水平。左旋45°转子将偏振态水平的光左旋45°，这样可以使光的偏振态与液晶空间光调制器的液晶分子长轴成45°，从而使液晶空间光调制器的振幅调制达到最大。偏振态左旋45°的光经过液晶空间光调制器时偏振态被旋转90°，再由右旋45°转子使光偏振态转为垂直，最后通过垂直放置的偏振分光棱镜5（起到检偏器的作用）出射。从上述实施例中可以看出，液晶空间光调制器前后要有一对正交的偏振装置(即前偏器和检偏器垂直)。可以是一对PBS，也可以是一对偏振片。前面的偏振装置负责起偏，水平偏振态经过，后面的偏振装置负责检偏，垂直偏振态经过。另外，根据本发明的另一实施例，上述左旋45°转子和右旋45°转子也可以用两个二分之一波片代替，入射的线偏光与二分之一波片的光轴夹角为22.5°,同样能够起到使光的偏振态旋转45°的效果。
在液晶空间光调制器上可以写入各种形状和大小的灰度图像，当在液晶上写入的灰度图像灰度值为0时，对应的透过率为0；灰度值为255时，透过率最大。为方便描述，下文中，用亮像素点代表透光率最大的像素点（例如灰度值为255的点），暗像素点代表透光率最小的像素点（例如灰度值为0的点）。利用上述亮像素点和暗像素点的密度可以实现图像边缘的软化，从而制作边缘带软化的光阑。所谓软化，就是透过率逐渐变化，不像传统光阑边缘处直接由全透变为不透，没有过渡。
在一个实施例中，首先生成灰度连续变化的带软化带的灰度图像，然后再将该灰度图像二值化，得到带软化带的二值图像。灰度图像二值化可采用不同的算法实现，所生成的二值图像也略有不同。根据本发明的一个实施例，采用阈值分割算法实现灰度图像的二值化。阈值分割主要是根据设定的阈值对图象中各像素点进行重新赋值，如果大于阈值，则将该像素点设定成亮像素点（例如将其灰度值设为255），否则，将该像素点设定成暗像素点（为例如将其灰度值设为0）。为方便描述，本发明将进行阈值分割后得到的二值图像称为原始二值图像。得到原始二值图像后，可以采用误差扩散算法对其做进一步处理，使得最终的二值图像更加接近于原始的灰度图像。其中，误差扩散算法可采用（但不限于）Floyd-Steinberg算法或者Barnard算法。图4和图5分别示出了写入液晶空间光调制器的带软化的方形和圆形二值图像。图6示出了放大的写入液晶空间光调制器的带软化的圆形二值图像一角，由此图可看出该圆形灰度图像由里到外的软化过程。将上述二值图像写入液晶空间光调制器，实际上就在不透光的遮蔽区中形成了一个与所写入的二值图像一致的透光窗口。并且，该透光窗口的边缘处（即透光窗口与遮蔽区交界处）具有过渡带，该过渡带中的透过率逐渐由全透变为不透，从而形成边缘带软化的光阑。
在利用上述可调式光斑截取装置截取光斑时，首先，在所述液晶空间光调制器写入上述二值图像，该二值图像的边缘处具有过渡带，该过渡带中的像素灰度逐渐由最大变为最小（即带软化的二值图像）；然后使光束通过所述液晶空间光调制器从而截取光斑。其中，二值图像的形状由所期望的截取后光斑形状确定。二值图像的尺寸也由所期望的截取后光斑尺寸确定。
带软化的二值图像可以用matlab编程制作也可以通过photoshop绘制而成。容易看出，利用上述实施例的可调式光斑截取装置，可以快速、实时的改变光阑的形状（例如圆形、矩形、菱形等）和大小，光阑的软化程度也可以根据情况灵活设置。
在实际测试中，当上述实施例的可调式光斑截取装置中写入图4所示的矩形二值图像时，用CCD进行检测所采集到的光斑如图7所示，可以看出光斑的质量非常好，不存在内部调制现象。
另外，在一个实施例中，需要根据液晶空间光调整器的可用面积、像素个数，把光斑尺寸转换为液晶空间光调整器的二值矩阵。例如，若要制作一个10mm×10mm的方光斑，若所用的液晶空间光调整器的可用面积为：26,6mm×20,0mm，像素个数为：832x624。则10/(26.6/832)=313。若用matlab制作光斑，则需写入一个313×313的二值矩阵。
在一个实施例中，所述液晶空间光调制器可直接使用市场上的成熟产品。在另一个实施例中，可按下述基本制作原理制作液晶空间光调制器：在两片透明电极基板（透过率在90%以上）之间充入10μm左右厚的向列液晶，形成三明治结构，使液晶分子的长轴在基板间发生90°连续的扭曲，制成扭曲向列排列的液晶盒。该液晶空间光调制器工作原理如下：向列扭转液晶（twisted-nematic liquid crystal——TN-LC）分子材料（Sony LCX-016），以向列结构排列，在扭曲液晶元件前后表面，分子平行于表面准线。当有光入射时，线性偏振平行于入射面的准线方向，光经过光阀后偏振态被旋转90°。当有电压加载在TN-LC上时，分子取向改变直到平行于外加电场。分子取向的改变影响光的偏振态、元件的光学厚度，不同电压导致TN-LC的状态可以由Jones矩阵来表示，可以预测偏振态和光场相位。将TN-LC放在两个正交的偏振片之间可以很容易实现振幅调制。加电时，在外加电场的作用下，液晶分子的取向将发生改变，从而使得液晶空间光调制器的透光率发生变化。当外加电场增强时，液晶空间光调制器的透光率也随之增大，直到外加电场的强度大于液晶空间光调制器的阈值电压时，液晶空间光调制器的透光率将保持最大透光率不变。通过VGA数据线导入液晶空间光调制器灰度数据同样可以控制液晶空间光调制器的透过率。本系统就是采用固定电压15V,通过VGA数据线，导入二值图象实现光阀透过率的控制。
上述实施例中，利用了二值图像对液晶空间光调制器的各像素点进行开关控制，因此，液晶空间光调制器是作为一种光开关阵列而应用于可调式光斑截取装置中。
根据本发明的另一实施例，还提供了一种基于数字微镜器件（DigtalMicromurror Device，缩写为DMD）的可调式光斑截取装置。DMD是光开关的一种，能够利用旋转反射镜实现光开关的开合。容易理解，DMD的阵列构成光开关阵列。图8示出了一种基于DMD阵列的可调式光斑截取装置。如图8所示，输入光束为高斯光束，输入光束首先经过扩束镜组L1和扩束镜组L2进行扩束，再通过反射镜M1和反射镜M2入射到DMD阵列（图8中用DMD表示），最后由DMD阵列反射后得到输出光束。该DMD阵列中各DMD单元的开、关由前文所述的边缘处具有过渡带的二值图像控制，从而使输出光被截取为所需的形状，且所截取的光束没有内部调制。
另外，上述实施例中，边缘处具有过渡带的透光窗口的软化因子可以灵活选择，例如可以结合实验，利用CCD采集光斑，根据所采集的光斑图像对软化因子进行合理选择。其中，软化因子是光强度由全强度口径处至零强度口径处的几何间距与光零强度口径的比值。
最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可调式光斑截取装置，包括光开关阵列，所述光开关阵列由输入的二值图像控制各像素点的开、关，所述二值图像的中间为亮像素点从而使所述光开关阵列形成透光窗口，所述二值图像的边缘具有过渡带，所述过渡带中亮像素点密度逐渐由最大过渡至最小，暗像素点密度逐渐由最小过渡至最大，所述光开关阵列由液晶空间光调制器实现；
其中，所述可调式光斑截取装置还包括沿着光路依次设置的起偏器、左旋45°转子、右旋45°转子和检偏器，所述液晶空间光调制器设置在左旋45°转子和右旋45°转子之间，所述起偏器和检偏器呈正交放置。
2.根据权利要求1所述的可调式光斑截取装置，其特征在于，所述起偏器为偏振分光棱镜或偏振片。
3.根据权利要求1所述的可调式光斑截取装置，其特征在于，所述光开关阵列为数字微镜器件阵列。
4.一种基于权利要求1所述的可调式光斑截取装置的截取光斑的方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)生成灰度图像，该灰度图像的边缘处具有过渡带，该过渡带中的像素灰度逐渐由最大变为最小；
2)将所述灰度图像二值化，得到边缘处具有过渡带的二值图像；
3)将所述边缘处具有过渡带的二值图像写入所述光开关阵列；
4)完成步骤3)后，使光束通过所述光开关阵列从而截取光斑。
5.根据权利要求4的截取光斑的方法，其特征在于，所述步骤2)包括下列子步骤：
21)对所述灰度图像进行阈值分割，得到由亮、暗像素点构成的原始二值图像；
22)采用误差扩散算法对原始二值图像进行修正，得到最终的边缘处具有过渡带的二值图像。
6.根据权利要求5的截取光斑的方法，其特征在于，所述步骤22)中，所采用的误差扩散算法为Floyd-Steinberg算法或者Barnard算法。
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