一种应用于光斑振幅调制整形的调制图像生成方法

本发明属于光斑整形领域，尤其涉及一种应用于光斑振幅调制整形的调制图像生成方法。

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、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，利用呈现的灰度图对入射其上的光斑进行振幅调制从而实现光斑整形；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，调制图像上每个像素点都有其确定的灰度值，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振幅则越强，灰度值越低说明此像素点对投射其上的光衰减越大，经此像素点调制后输出光振幅则越弱，以0-255为例，灰度值为0表示对光衰减最严重，光强衰减为0，灰度值为255表示对光无衰减，光强不变，因此可对输入光斑形成空间振幅调制，从而实现整形的目的。

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振幅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，而常用的灰度调制图像往往会包含明显尖锐的灰度跳变界线，难以实现灰度的连续渐变，如图2和图3所示，图2为完整图，图3为其中心局部放大图，可以明显看到有一圈圈圆环状界线，而这些界线会对输入光斑形成衍射作用，从而使整形后的输出光斑带有明显的衍射场强度分布，从而降低整形质量。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种应用于光斑振幅调制整形的调制图像生成方法，所生成的调制图像不包含明显尖锐边界，不会使整形后光斑带有衍射斑，同时可使整形后的光斑强度分布更加均匀，提升整形质量。

一种应用于光斑振幅调制整形的调制图像生成方法，包括以下步骤：

s1：假设调制图像包含m×n个像素，按照设定整形要求确定调制图像上各像素点的灰度值，得到大小为m×n的灰度值矩阵f1；

s2：按照如下公式修正所述灰度值矩阵f1中各像素点的灰度值，得到最终的调制图像：

f2＝f1×(i±e×rand(m,n))

其中，f2为修正后的灰度值矩阵，rand(m,n)为m×n个数值在0～1之间的随机值组成的随机矩阵，i为单位矩阵，e为设定常数。

进一步地，常数e根据经验值设定，且常数e越大，各像素点的灰度值的随机涨落越大。

进一步地，所述常数e＝0.02。

进一步地，所述m＝400，n＝400。

进一步地，所述灰度值矩阵f1通过matlab按照设定整形要求计算得到。

有益效果：

本发明提供一种应用于光斑振幅调制整形的调制图像生成方法，弱化调制图像的灰度跳变界线，使其不能对输入光斑产生明显的衍射作用，从而消除整形后输出光斑中的衍射场强度分布，提升整形质量；同时，通过随机矩阵对灰度值矩阵f1的灰度值进行随机涨落，以实现对灰度值矩阵f1的修正，使最终得到的调制图像对输入光斑具有局部匀光作用，输出光斑的光强分布更加均匀。

附图说明

图1为现有的光斑振幅调制整形系统结构示意图；

图2为现有灰度调制图像的示意图；

图3为现有灰度调制图像的中心局部放大图；

图4为本发明提供的一种应用于光斑振幅调制整形的调制图像生成方法的流程图；

图5为本发明提出的算法生成的调制图像的示意图；

图6为本发明提出的算法生成的调制图像的中心局部放大图；

图7为现有灰度调制图像对光斑进行整形得到的输出光斑强度分布示意图；

图8为本发明提出的算法生成的调制图像对光斑进行整形得到的输出光斑强度分布示意图；

图9为高斯光斑的强度分布示意图；

图10为现有对高斯光斑整形为平整分布的灰度调制图像；

图11为本发明提出的算法生成的对高斯光斑整形为平整分布的调制图像；

图12为采用图1所示系统由本发明最终调制图像对高斯光斑进行调制整形得到的整形后光斑示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

本发明提出的调制图像生成算法在不改变调制图像整体灰度分布的前提下，又对所有像素点的灰度值做一个小范围随机涨落，如图4所示，其整体生成步骤为：第一步按照整形要求确定每个像素点的灰度值，假设调制图像包含m×n个像素，此处以一个采用matlab计算得到的m×n矩阵f1表示此步骤生成图像所有像素点的灰度值分布，第二步对第一步生成的图像的灰度值添加一个小范围随机涨落，其数学过程如下：

f2＝f1×(i±e×rand(m,n))

其中，f2为修正后的灰度值矩阵，且f2对应最终得到的调制图像各像素点的灰度值，rand(m,n)为m×n个数值在0～1之间的随机值组成的随机矩阵，i为单位矩阵，e为可根据经验值设定的常数，且e的大小控制随机涨落的幅度，常数e越大，各像素点的灰度值的随机涨落越大。如图5和图6所示，图5的图像的整体灰度分布与图2没有太大的变化，但从图6中心局部放大图来看，灰度跳变界线已经被完全消除。

由此可见，本发明能够弱化调制图像的灰度跳变界线，使其不能对输入光斑产生明显的衍射作用，从而消除整形后输出光斑中的衍射场强度分布，提升整形质量。除此之外，随机涨落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。如图7和图8所示，两图为分别使用一般灰度调制图像和本发明提供的生成算法得到的灰度调制图像对光斑进行整形得到的实验效果，可见对比于图8，图7具有明显的圆环状衍射场分布，可见本发明的消衍射作用真实有效。

实施例二

下面以削减高斯光斑中心强度使其光斑更为平整的光斑整形实例来说明本发明提供的算法：

高斯光斑的强度分布如图9所示，光强自中心向边缘逐渐减弱，为使其中心光强更为平整，需调制其振幅空间分布将其光强进行自中心向边缘从强到弱的衰减，从而实现整形的目的。

假设调制图像像素点个数为400×400，则用一个400×400的矩阵a表示输入高斯光斑光强空间分布，第一步取调制图像的灰度值分布为f1＝0.5/a，得到的图像如图10所示，经此图调制后的输出光斑中间区域会被整形为平顶，但因为此图包含明显的灰度跳变界线，会导致输出光斑出现衍射场分布。

第二步，对第一步得到的初始灰度图添加涨落，做运算f2＝f1×(1±0.02×rand(400,400))，得到最终去除灰度跳变界线的调制图像f2，如图11所示，至此利用本发明提出的算法生成调制图像完成。

之后利用图1所示系统由最终调制图像对输入高斯光斑进行调制即可得到整形后中心光强平整的光斑，其理论光强分布如图12所示。

由此可见，本发明提算法生成的灰度图像不包含明显尖锐边界，不会使整形后光斑带有衍射斑，同时可使整形后的光斑强度分布更加均匀，提升整形质量。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。