[发明专利]一种应用于光斑整形的二值图像的生成方法

说明书

本发明提供一种应用于光斑整形的二值图像的生成方法，生成的二值调制图像亮暗像素点随机分布且满足调制要求的空间分布比例，不带有过多细节，没有周期性明暗分布，不能对输入光斑产生明显的衍射作用，整形后输出光斑中没有明显衍射场强度分布，提升整形质量；同时，亮暗像素的随机分布对输入光斑具有局部匀光作用，可使输出光斑的光强分布更加均匀；最后，本发明所提供的技术同样适用于传统的利用液晶阵列、照相胶片、干版等可呈现灰度图的显示设备及材料作为显像介质对光斑进行振幅调制整形的系统。

技术领域

本发明属于光斑整形领域，尤其涉及一种应用于光斑整形的二值图像的生成方法。

背景技术

光斑整形是一种光学领域常用的技术，用于将光斑的原始振幅分布转换为需要的振幅分布。目前，实现光斑整形的技术有很多种，例如利用数字微镜阵列(DMD)对光斑进行振幅调制从而实现整形，然而利用数字微镜阵列、液晶阵列等显示设备及照相胶片、干版等显像材料呈现灰度图来调制原始光斑空间振幅分布的方式具有很强的自主性，理论上可以实现任意振幅分布光斑的整形。而数字微镜阵列、液晶阵列等显示设备可以动态显示调制图像，所以利用数字微镜阵列、液晶阵列并添加反馈还可实现光斑的实时动态整形。

上述调制技术的典型系统如下图所示，上图为透射式系统，主要应用于透射式显示器件(例如透射式液晶空间光调制器)或者显像材料(例如照相胶片)作为调制图像显示介质的情况。下图为反射式系统，主要应用于反射式空间光振幅调制器件(例如硅上液晶器件LCoS、数字微镜阵列DMD)作为调制图像显示介质的情况，输入光斑经过准直系统、扩束系统后变为尺寸与调制图像尺寸相匹配的准平行光，之后投射到显示介质呈现的调制图像上，调制图像对光斑进行空间振幅调制，最终实现对输入光斑的整形。

上述调制图像分为两种：灰度图像和二值图像，以灰度级0-255为例，灰度图像每个像素点可呈现0-255共256个灰度级，而二值图像只有0和255两个灰度级，当利用图像对输入光斑进行调制时，不同的灰度级对光的衰减不同，灰度值越高说明此像素点对投射其上的光衰减越小，则经此像素点调制后输出的光强则越强，灰度值越低说明此像素点对投射其上的光衰减越大，则经此像素点调制后输出的光强则越弱，而DMD是通过时序脉冲式地转动微镜，使投射到显像方向地光通量形成时间积分上的差异从而呈现出灰度的效果，即当灰度值为0时，微镜的方向处于完全关闭状态，光无法投射到显像方向，当灰度值为255时，微镜的方向处于完全开启状态，光全部投射到显像方向，而当灰度介于0和255之间时，微镜的方向则不断地在关闭和开启之间转换，并通过控制开启时间占比来控制投射到显像方向的光通量从而呈现出需要的灰度。如上所述，灰度图像在应用于使用液晶阵列、照相底片等无机械振动的设备及材料作为显像介质进行光斑整形时更具优势，而对于使用DMD设备作为显像介质时，因为其呈现灰度值需要时序转动微镜方向，而这一过程存在机械转动，会使整形过程产生杂散光，同时会影响输入光斑的光束质量，而二值图像只有0和255两个灰度级，分别对应于DMD微镜的完全关闭和完全开启状态，所以用DMD呈现二值图像时不存在微镜的机械转动，不会引入杂散光，不影响光斑的光束质量，整形质量更好。

如上所述，原始光斑经准直扩束后投射到调制图像显示介质，调制图像显示介质上呈现的调制图像对光斑进行调制，从而改变光斑的光强空间分布进而实现对输入光斑的整形。显示介质呈现的调制图像为所述技术的核心部分，直接影响光斑整形的质量。因为二值图像只有0和255两个灰度级，只能通过0和255两个灰度值的空间分布比例来调制入射光斑的空间强度分布，常见的二值调制图像通常为使用Floyd-Stenberg方法、Hauck方法、Barnard方法等误差扩散算法将灰度图像转化而成的二值图像，因为上述误差算法最初是应用于图像处理的，所以转化而成的二值图像保留了很多原灰度图像的细节，同时会使生成的二值图像带有周期性明暗分布，当这类二值图像用于光斑调制时这些细节和明暗分布往往会对光形成衍射，使调制后的输出光斑带有衍射场分布，降低整形质量。

图3所示为使用Floyd-Stenberg方法将图2所示灰度图像转化而成的二值图像，明显可见其保留了原始灰度图像的太多细节且明暗分布周期性太强，这会使输出光斑带有明显的衍射场强度分布。