[發明專利]一種應用于光斑整形的二值圖像的生成方法

在審

• 申請號: 202110254737.6
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113096205A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 常慧;樊仲維;葛文琦;韓哲;袁洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創新研究院
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;G06T5/00;G02B27/09
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 劉西云;李微微

本發明提供一種應用于光斑整形的二值圖像的生成方法，生成的二值調制圖像亮暗像素點隨機分布且滿足調制要求的空間分布比例，不帶有過多細節，沒有周期性明暗分布，不能對輸入光斑產生明顯的衍射作用，整形后輸出光斑中沒有明顯衍射場強度分布，提升整形質量；同時，亮暗像素的隨機分布對輸入光斑具有局部勻光作用，可使輸出光斑的光強分布更加均勻；最后，本發明所提供的技術同樣適用于傳統的利用液晶陣列、照相膠片、干版等可呈現灰度圖的顯示設備及材料作為顯像介質對光斑進行振幅調制整形的系統。

技術領域

本發明屬于光斑整形領域，尤其涉及一種應用于光斑整形的二值圖像的生成方法。

背景技術

光斑整形是一種光學領域常用的技術，用于將光斑的原始振幅分布轉換為需要的振幅分布。目前，實現光斑整形的技術有很多種，例如利用數字微鏡陣列(DMD)對光斑進行振幅調制從而實現整形，然而利用數字微鏡陣列、液晶陣列等顯示設備及照相膠片、干版等顯像材料呈現灰度圖來調制原始光斑空間振幅分布的方式具有很強的自主性，理論上可以實現任意振幅分布光斑的整形。而數字微鏡陣列、液晶陣列等顯示設備可以動態顯示調制圖像，所以利用數字微鏡陣列、液晶陣列并添加反饋還可實現光斑的實時動態整形。

上述調制技術的典型系統如下圖所示，上圖為透射式系統，主要應用于透射式顯示器件(例如透射式液晶空間光調制器)或者顯像材料(例如照相膠片)作為調制圖像顯示介質的情況。下圖為反射式系統，主要應用于反射式空間光振幅調制器件(例如硅上液晶器件LCoS、數字微鏡陣列DMD)作為調制圖像顯示介質的情況，輸入光斑經過準直系統、擴束系統后變為尺寸與調制圖像尺寸相匹配的準平行光，之后投射到顯示介質呈現的調制圖像上，調制圖像對光斑進行空間振幅調制，最終實現對輸入光斑的整形。

上述調制圖像分為兩種：灰度圖像和二值圖像，以灰度級0-255為例，灰度圖像每個像素點可呈現0-255共256個灰度級，而二值圖像只有0和255兩個灰度級，當利用圖像對輸入光斑進行調制時，不同的灰度級對光的衰減不同，灰度值越高說明此像素點對投射其上的光衰減越小，則經此像素點調制后輸出的光強則越強，灰度值越低說明此像素點對投射其上的光衰減越大，則經此像素點調制后輸出的光強則越弱，而DMD是通過時序脈沖式地轉動微鏡，使投射到顯像方向地光通量形成時間積分上的差異從而呈現出灰度的效果，即當灰度值為0時，微鏡的方向處于完全關閉狀態，光無法投射到顯像方向，當灰度值為255時，微鏡的方向處于完全開啟狀態，光全部投射到顯像方向，而當灰度介于0和255之間時，微鏡的方向則不斷地在關閉和開啟之間轉換，并通過控制開啟時間占比來控制投射到顯像方向的光通量從而呈現出需要的灰度。如上所述，灰度圖像在應用于使用液晶陣列、照相底片等無機械振動的設備及材料作為顯像介質進行光斑整形時更具優勢，而對于使用DMD設備作為顯像介質時，因為其呈現灰度值需要時序轉動微鏡方向，而這一過程存在機械轉動，會使整形過程產生雜散光，同時會影響輸入光斑的光束質量，而二值圖像只有0和255兩個灰度級，分別對應于DMD微鏡的完全關閉和完全開啟狀態，所以用DMD呈現二值圖像時不存在微鏡的機械轉動，不會引入雜散光，不影響光斑的光束質量，整形質量更好。

如上所述，原始光斑經準直擴束后投射到調制圖像顯示介質，調制圖像顯示介質上呈現的調制圖像對光斑進行調制，從而改變光斑的光強空間分布進而實現對輸入光斑的整形。顯示介質呈現的調制圖像為所述技術的核心部分，直接影響光斑整形的質量。因為二值圖像只有0和255兩個灰度級，只能通過0和255兩個灰度值的空間分布比例來調制入射光斑的空間強度分布，常見的二值調制圖像通常為使用Floyd-Stenberg方法、Hauck方法、Barnard方法等誤差擴散算法將灰度圖像轉化而成的二值圖像，因為上述誤差算法最初是應用于圖像處理的，所以轉化而成的二值圖像保留了很多原灰度圖像的細節，同時會使生成的二值圖像帶有周期性明暗分布，當這類二值圖像用于光斑調制時這些細節和明暗分布往往會對光形成衍射，使調制后的輸出光斑帶有衍射場分布，降低整形質量。

圖3所示為使用Floyd-Stenberg方法將圖2所示灰度圖像轉化而成的二值圖像，明顯可見其保留了原始灰度圖像的太多細節且明暗分布周期性太強，這會使輸出光斑帶有明顯的衍射場強度分布。