專利名稱：一種可調(diào)式光斑截取裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種可調(diào)式光斑截取裝置和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，激光光路中一般使用光闌來截取光斑，從而對(duì)后續(xù)光路中傳播的光斑形狀進(jìn)行限制?，F(xiàn)有的光闌一般采用金屬材料制作，典型的光闌結(jié)構(gòu)如圖I所示，其小孔形狀根據(jù)需要確定，例如矩形或圓形等。然而，采用現(xiàn) 有的光闌來截取光斑時(shí)，存在以下缺點(diǎn)I、光斑經(jīng)過光闌后，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)調(diào)制，影響了光束質(zhì)量(如圖2所示)。2、如果想調(diào)整光闌的形狀、大小，只有更換新的光闌，操作十分不便。因此，當(dāng)前迫切需要一種能夠避免光斑出現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制、便于調(diào)整光斑的形狀、大小的光斑截取裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠避免光斑出現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制、便于調(diào)整光斑的形狀、大小的光斑截取裝置和方法。根據(jù)本發(fā)明的ー個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種可調(diào)式光斑截取裝置，包括光開關(guān)陣列，所述光開關(guān)陣列由輸入的ニ值圖像控制各像素點(diǎn)的開、關(guān)，所述ニ值圖像的中間為亮像素點(diǎn)從而使所述光開關(guān)陣列形成透光窗ロ，所述ニ值圖像的邊緣具有過渡帯，所述過渡帶中亮像素點(diǎn)密度逐漸由最大過渡至最小，暗像素點(diǎn)密度逐漸由最小過渡至最小大。其中，所述光開關(guān)陣列由液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。其中，所述可調(diào)式光斑截取裝置還包括沿著光路依次設(shè)置的起偏器、左旋45°轉(zhuǎn)子、右旋45°轉(zhuǎn)子和檢偏器，所述液晶空間光調(diào)制器設(shè)置在左旋45°轉(zhuǎn)子和右旋45°轉(zhuǎn)子之間，所述起偏器和檢偏器呈正交放置。其中，所述可調(diào)式光斑截取裝置還包括沿著光路依次設(shè)置的起偏器、兩個(gè)二分之ー玻片和檢偏器，所述液晶空間光調(diào)制器設(shè)置在兩個(gè)所述二分之ー玻片之間，所述起偏器和檢偏器呈正交放置。其中，所述起偏器為偏振分光棱鏡或偏振片。其中，所述光開關(guān)陣列為數(shù)字微鏡器件陣列。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種基于上述的可調(diào)式光斑截取裝置的截取光斑的方法，包括下列步驟I)生成灰度圖像，該灰度圖像的邊緣處具有過渡帶，該過渡帶中的像素灰度逐漸由最大變?yōu)樽钚。?)將所述灰度圖像ニ值化，得到邊緣處具有過渡帶的ニ值圖像；3)將所述邊緣處具有過渡帶的ニ值圖像寫入所述光開關(guān)陣列；
4)完成步驟3)后，使光束通過所述光開關(guān)陣列從而截取光斑。其中，所述步驟2)包括下列子步驟21)對(duì)所述灰度圖像進(jìn)行閾值分割，得到由亮、暗像素點(diǎn)構(gòu)成的原始ニ值圖像；22)采用誤差擴(kuò)散算法對(duì)原始ニ值圖像進(jìn)行修正，得到最終的邊緣處具有過渡帶的ニ值圖像。其中，所述步驟22)中，所采用的誤差擴(kuò)散算法為Floyd-Steinberg算法或者Barnard 算法。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果I、本發(fā)明能夠避免光斑出現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制。2、本發(fā)明便于調(diào)整所截取光斑的形狀、大小。3、本發(fā)明可以使用DMD等光開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)光斑的截取，適用范圍較廣。4、本發(fā)明使用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光斑截取時(shí)，不需要其圖像灰度連續(xù)變化，因此能夠省去調(diào)整Gamma曲線使其線性化的步驟。


圖I示出了現(xiàn)有技術(shù)中ー種典型的光闌結(jié)構(gòu)；圖2示出了經(jīng)過現(xiàn)有光闌后內(nèi)部出現(xiàn)調(diào)制的光斑圖像；圖3示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例中的可調(diào)式光斑截取裝置；圖4示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例中寫入液晶空間光調(diào)制器的帶軟化的方形光闌；圖5示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例中寫入液晶空間光調(diào)制器的帶軟化的圓形光闌；圖6示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例中寫入液晶空間光調(diào)制器的帶軟化的圓形光闌ー角；圖7示出了本發(fā)明ー個(gè)實(shí)施例中的CXD上所采集到光斑；圖8示出了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中的可調(diào)式光斑截取裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步的描述。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)式光斑截取裝置的光路，參考圖3，該可調(diào)式光斑截取裝置包括沿著光路依次設(shè)置的偏振分光棱鏡I (即Polarization CubeBeamsplitter，縮寫為PBS)、左旋45°轉(zhuǎn)子2、液晶空間光調(diào)制器3、右旋45°轉(zhuǎn)子4和偏振分光棱鏡5。本實(shí)施例中，第一個(gè)PBS起到起偏器的作用(容易理解，PBS也可以用偏振片代替)，它使光的偏振態(tài)水平。左旋45°轉(zhuǎn)子將偏振態(tài)水平的光左旋45° ,這樣可以使光的偏振態(tài)與液晶空間光調(diào)制器的液晶分子長(zhǎng)軸成45°，從而使液晶空間光調(diào)制器的振幅調(diào)制達(dá)到最大。偏振態(tài)左旋45°的光經(jīng)過液晶空間光調(diào)制器時(shí)偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)90°，再由右旋45°轉(zhuǎn)子使光偏振態(tài)轉(zhuǎn)為垂直，最后通過垂直放置的偏振分光棱鏡5 (起到檢偏器的作用)出射。從上述實(shí)施例中可以看出，液晶空間光調(diào)制器前后要有一對(duì)正交的偏振裝置(即前偏器和檢偏器垂直)?？梢允签`對(duì)PBS，也可以是ー對(duì)偏振片。前面的偏振裝置負(fù)責(zé)起偏，水平偏振態(tài)經(jīng)過，后面的偏振裝置負(fù)責(zé)檢偏，垂直偏振態(tài)經(jīng)過。另外，根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例，上述左旋45°轉(zhuǎn)子和右旋45°轉(zhuǎn)子也可以用兩個(gè)二分之一波片代替，入射的線偏光與二分之一波片的光軸夾角為22. 5°，同樣能夠起到使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°的效果。在液晶空間光調(diào)制器上可以寫入各種形狀和大小的灰度圖像，當(dāng)在液晶上寫入的灰度圖像灰度值為O時(shí)，對(duì)應(yīng)的透過率為O ;灰度值為255時(shí)，透過率最大。為方便描述，下文中，用亮像素點(diǎn)代表透光率最大的像素點(diǎn)(例如灰度值為255的點(diǎn))，暗像素點(diǎn)代表透光率最小的像素點(diǎn)(例如灰度值為O的點(diǎn))。利用上述亮像素點(diǎn)和暗像素點(diǎn)的密度可以實(shí)現(xiàn)圖像邊緣的軟化，從而制作邊緣帶軟化的光闌。所謂軟化，就是透過率逐漸變化，不像傳統(tǒng)光闌邊緣處直接由全透變?yōu)椴煌?，沒有過渡。在一個(gè)實(shí)施例中，首先生成灰度連續(xù)變化的帶軟化帶的灰度圖像，然后再將該灰度圖像ニ值化，得到帶軟化帶的ニ值圖像?；叶葓D像ニ值化可采用不同的算法實(shí)現(xiàn)，所生成的ニ值圖像也略有不同。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例，采用閾值分割算法實(shí)現(xiàn)灰度圖像的ニ值化。閾值分割主要是根據(jù)設(shè)定的閾值對(duì)圖象中各像素點(diǎn)進(jìn)行重新賦值，如果大于閾值，則將該像素點(diǎn)設(shè)定成亮像素點(diǎn)(例如將其灰度值設(shè)為255)，否則，將該像素點(diǎn)設(shè)定成暗像素點(diǎn)(為例如將其灰度值設(shè)為O)。為方便描述，本發(fā)明將進(jìn)行閾值分割后得到的ニ值圖像稱為原始ニ值圖像。得到原始ニ值圖像后，可以采用誤差擴(kuò)散算法對(duì)其做進(jìn)ー步處理，使得最終的ニ值圖像更加接近于原始的灰度圖像。其中，誤差擴(kuò)散算法可采用(但不限干)Floyd-Steinberg算法或者Barnard算法。圖4和圖5分別示出了寫入液晶空間光調(diào)制器的帶軟化的方形和圓形ニ值圖像。圖6示出了放大的寫入液晶空間光調(diào)制器的帶軟化的圓形ニ值圖像一角，由此圖可看出該圓形灰度圖像由里到外的軟化過程。將上述ニ值圖像寫入液晶空間光調(diào)制器，實(shí)際上就在不透光的遮蔽區(qū)中形成了一個(gè)與所寫入的ニ值圖像一致的透光窗ロ。并且，該透光窗ロ的邊緣處(即透光窗ロ與遮蔽區(qū)交界處)具有過渡帯，該過渡帶中的透過率逐漸由全透變?yōu)椴煌?，從而形成邊緣帶軟化的光闌。在利用上述可調(diào)式光斑截取裝置截取光斑時(shí)，首先，在所述液晶空間光調(diào)制器寫入上述ニ值圖像，該ニ值圖像的邊緣處具有過渡帶，該過渡帶中的像素灰度逐漸由最大變?yōu)樽钚?即帶軟化的ニ值圖像)；然后使光束通過所述液晶空間光調(diào)制器從而截取光斑。其中，ニ值圖像的形狀由所期望的截取后光斑形狀確定。ニ值圖像的尺寸也由所期望的截取后光斑尺寸確定。帶軟化的ニ值圖像可以用matlab編程制作也可以通過photoshop繪制而成。容易看出，利用上述實(shí)施例的可調(diào)式光斑截取裝置，可以快速、實(shí)時(shí)的改變光闌的形狀(例如圓形、矩形、菱形等)和大小，光闌的軟化程度也可以根據(jù)情況靈活設(shè)置。在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)上述實(shí)施例的可調(diào)式光斑截取裝置中寫入圖4所示的矩形ニ值圖像時(shí)，用CCD進(jìn)行檢測(cè)所采集到的光斑如圖7所示，可以看出光斑的質(zhì)量非常好，不存在內(nèi)部調(diào)制現(xiàn)象。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，需要根據(jù)液晶空間光調(diào)整器的可用面積、像素個(gè)數(shù)，把光斑尺寸轉(zhuǎn)換為液晶空間光調(diào)整器的ニ值矩陣。例如，若要制作ー個(gè)IOmmXlOmm的方光斑，若所用的液晶空間光調(diào)整器的可用面積為26，6mmX 20，0mm，像素個(gè)數(shù)為832x624。則10/(26. 6/832) =313。若用matlab制作光斑，則需寫入ー個(gè)313 X 313的ニ值矩陣。在一個(gè)實(shí)施例中，所述液晶空間光調(diào)制器可直接使用市場(chǎng)上的成熟產(chǎn)品。在另ー個(gè)實(shí)施例中，可按下述基本制作原理制作液晶空間光調(diào)制器在兩片透明電極基板(透過率在90%以上)之間充入IOym左右厚的向列液晶，形成三明治結(jié)構(gòu)，使液晶分子的長(zhǎng)軸在基板間發(fā)生90°連續(xù)的扭曲，制成扭曲向列排列的液晶盒。該液晶空間光調(diào)制器工作
原理如下向列扭轉(zhuǎn)液晶(twisted-nematic liquid crystal-TN-LC)分子材料(Sony
LCX-016),以向列結(jié)構(gòu)排列，在扭曲液晶元件前后表面，分子平行于表面準(zhǔn)線。當(dāng)有光入射時(shí)，線性偏振平行于入射面的準(zhǔn)線方向，光經(jīng)過光閥后偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)90°。當(dāng)有電壓加載在TN-LC上時(shí)，分子取向改變直到平行于外加電場(chǎng)。分子取向的改變影響光的偏振態(tài)、元件的光學(xué)厚度，不同電壓導(dǎo)致TN-LC的狀態(tài)可以 由Jones矩陣來表示，可以預(yù)測(cè)偏振態(tài)和光場(chǎng)相位。將TN-LC放在兩個(gè)正交的偏振片之間可以很容易實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制。加電時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，液晶分子的取向?qū)l(fā)生改變，從而使得液晶空間光調(diào)制器的透光率發(fā)生變化。當(dāng)外加電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，液晶空間光調(diào)制器的透光率也隨之増大，直到外加電場(chǎng)的強(qiáng)度大于液晶空間光調(diào)制器的閾值電壓時(shí)，液晶空間光調(diào)制器的透光率將保持最大透光率不變。通過VGA數(shù)據(jù)線導(dǎo)入液晶空間光調(diào)制器灰度數(shù)據(jù)同樣可以控制液晶空間光調(diào)制器的透過率。本系統(tǒng)就是采用固定電壓15V，通過VGA數(shù)據(jù)線，導(dǎo)入ニ值圖象實(shí)現(xiàn)光閥透過率的控制。上述實(shí)施例中，利用了ニ值圖像對(duì)液晶空間光調(diào)制器的各像素點(diǎn)進(jìn)行開關(guān)控制，因此，液晶空間光調(diào)制器是作為一種光開關(guān)陣列而應(yīng)用于可調(diào)式光斑截取裝置中。根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例，還提供了一種基于數(shù)字微鏡器件(DigtalMicromurror Device,縮寫為DMD)的可調(diào)式光斑截取裝置。DMD是光開關(guān)的一種，能夠利用旋轉(zhuǎn)反射鏡實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的開合。容易理解，DMD的陣列構(gòu)成光開關(guān)陣列。圖8示出了ー種基于DMD陣列的可調(diào)式光斑截取裝置。如圖8所示，輸入光束為高斯光束，輸入光束首先經(jīng)過擴(kuò)束鏡組LI和擴(kuò)束鏡組L2進(jìn)行擴(kuò)束，再通過反射鏡Ml和反射鏡M2入射到DMD陣列(圖8中用DMD表示)，最后由DMD陣列反射后得到輸出光束。該DMD陣列中各DMD単元的開、關(guān)由前文所述的邊緣處具有過渡帶的ニ值圖像控制，從而使輸出光被截取為所需的形狀，且所截取的光束沒有內(nèi)部調(diào)制。另外，上述實(shí)施例中，邊緣處具有過渡帶的透光窗ロ的軟化因子可以靈活選擇，例如可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)，利用CCD采集光斑，根據(jù)所采集的光斑圖像對(duì)軟化因子進(jìn)行合理選擇。其中，軟化因子是光強(qiáng)度由全強(qiáng)度口徑處至零強(qiáng)度口徑處的幾何間距與光零強(qiáng)度口徑的比值。最后，上述的實(shí)施例僅用來說明本發(fā)明，它不應(yīng)該理解為是對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明白，在不脫離上述實(shí)施例精神和原理下，對(duì)上述實(shí)施例所進(jìn)行的各種等效變化、變型以及在文中沒有描述的各種改進(jìn)均在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)式光斑截取裝置，包括光開關(guān)陣列，所述光開關(guān)陣列由輸入的ニ值圖像控制各像素點(diǎn)的開、關(guān)，所述ニ值圖像的中間為亮像素點(diǎn)從而使所述光開關(guān)陣列形成透光窗ロ，所述ニ值圖像的邊緣具有過渡帶，所述過渡帶中亮像素點(diǎn)密度逐漸由最大過渡至最小，暗像素點(diǎn)密度逐漸由最小過渡至最小大。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)式光斑截取裝置，其特征在于，所述光開關(guān)陣列由液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)式光斑截取裝置，其特征在于，所述可調(diào)式光斑截取裝置還包括沿著光路依次設(shè)置的起偏器、左旋45°轉(zhuǎn)子、右旋45°轉(zhuǎn)子和檢偏器，所述液晶空間光調(diào)制器設(shè)置在左旋45°轉(zhuǎn)子和右旋45°轉(zhuǎn)子之間，所述起偏器和檢偏器呈正交放置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)式光斑截取裝置，其特征在干，所述可調(diào)式光斑截取裝置還包括沿著光路依次設(shè)置的起偏器、兩個(gè)二分之ー玻片和檢偏器，所述液晶空間光調(diào)制器設(shè)置在兩個(gè)所述二分之ー玻片之間，所述起偏器和檢偏器呈正交放置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的可調(diào)式光斑截取裝置，其特征在于，所述起偏器為偏振分光棱鏡或偏振片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可調(diào)式光斑截取裝置，其特征在于，所述光開關(guān)陣列為數(shù)字微鏡器件陣列。
7.ー種基于權(quán)利要求I所述的可調(diào)式光斑截取裝置的截取光斑的方法，其特征在干，包括下列步驟 .1)生成灰度圖像，該灰度圖像的邊緣處具有過渡帶，該過渡帶中的像素灰度逐漸由最大變?yōu)樽钚。? .2)將所述灰度圖像ニ值化，得到邊緣處具有過渡帶的ニ值圖像； .3)將所述邊緣處具有過渡帶的ニ值圖像寫入所述光開關(guān)陣列； .4)完成步驟3)后，使光束通過所述光開關(guān)陣列從而截取光斑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的截取光斑的方法，其特征在于，所述步驟2)包括下列子步驟 .21)對(duì)所述灰度圖像進(jìn)行閾值分割，得到由亮、暗像素點(diǎn)構(gòu)成的原始ニ值圖像； .22)采用誤差擴(kuò)散算法對(duì)原始ニ值圖像進(jìn)行修正，得到最終的邊緣處具有過渡帶的ニ值圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的截取光斑的方法，其特征在于，所述步驟22)中，所采用的誤差擴(kuò)散算法為Floyd-Steinberg算法或者Barnard算法。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可調(diào)式光斑截取裝置，包括光開關(guān)陣列，所述光開關(guān)陣列由輸入的二值圖像控制各像素點(diǎn)的開、關(guān)，所述二值圖像的中間為亮像素點(diǎn)從而使所述光開關(guān)陣列形成透光窗口，所述二值圖像的邊緣具有過渡帶，所述過渡帶中亮像素點(diǎn)密度逐漸由最大過渡至最小，暗像素點(diǎn)密度逐漸由最小過渡至最小大。本發(fā)明能夠避免光斑出現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制；便于調(diào)整所截取光斑的形狀、大??；可以使用DMD等光開關(guān)的陣列即可實(shí)現(xiàn)光斑的截取，適用范圍較廣。
文檔編號(hào)G02B27/28GK102692714SQ201210177179
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者唐熊忻, 樊仲維, 邱基斯 申請(qǐng)人:北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司