專利名稱：液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線線性化調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種液晶空間光調(diào)制器Ga_a 曲線線性化調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
液晶空間光調(diào)制器是一種高對比度、高分辨率、主動型、可編碼的空間光調(diào)制器件，在光學(xué)領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。例如，利用液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行激光束的實(shí)時(shí)、可調(diào)控光束空間整形，可以方便地獲得所需形狀(如方形、圓形等幾何形狀)的近平頂光強(qiáng)分布的光束，在高功率激光系統(tǒng)前級放大器或振蕩器中的光束整形中具有重要的應(yīng)用前景。液晶空間光調(diào)制器Ga_a曲線是指激光束通過液晶空間光調(diào)制器后的透過率隨著在液晶空間光調(diào)制器上寫入圖像的灰度值變化(灰度值變化范圍一般是O 255)而變化的曲線。其中，透過率為激光束通過液晶空間光調(diào)制器后的功率除以激光束進(jìn)入液晶空間光調(diào)制器時(shí)的功率。在測試Ga_a曲線時(shí)，所使用的入射激光束的功率的RMS值(RMS即均方根，是光束質(zhì)量的重要評價(jià)函數(shù))一般較低，且不同時(shí)刻的入射激光束的功率大致恒定，因此，有時(shí)可將Gamma曲線用激光束通過液晶空間光調(diào)制器后的功率隨著在液晶空間光調(diào)制器上寫入圖像的灰度值變化而變化的曲線來表示。一般來說，液晶空間光調(diào)制器原始的Ga_a曲線是一條S形曲線。這種S形曲線往往難以滿足應(yīng)用需要。例如高功率激光裝置中，液晶空間光調(diào)制器前存在較多光學(xué)元件及前級放大器，光束入射到液晶空間光調(diào)制器上強(qiáng)區(qū)分布是隨時(shí)間而變化的。當(dāng)Ga_a曲線為非線性的S形曲線時(shí),在非線性變化較大的區(qū)域,即Ga_a曲線上I < k (k為Ga_a 曲線的斜率)的區(qū)域內(nèi)，在液晶空間光調(diào)制器上寫入圖像灰度的微弱變化都會導(dǎo)致激光透過率出現(xiàn)較大的起伏，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)區(qū)隨時(shí)間漂移對補(bǔ)償后光束近場調(diào)制度影響明顯。而當(dāng) Gamma曲線呈線性變化時(shí)，激光強(qiáng)區(qū)隨時(shí)間變化對補(bǔ)償?shù)挠绊懖幻黠@，補(bǔ)償后的光束近場調(diào)制度小且能長期維持穩(wěn)定，從而達(dá)到對激光光束進(jìn)行有效地空間整形，輸出近場調(diào)制度較低的超高斯平頂光束的目的。因此常常需要調(diào)節(jié)液晶空間光調(diào)制器的Ga_a曲線形狀，使其線性化?，F(xiàn)有技術(shù)中，要調(diào)整Ga_a曲線形狀，需要將液晶空間光調(diào)制器與計(jì)算機(jī)顯卡連接，用計(jì)算機(jī)顯卡驅(qū)動液晶空間光調(diào)制器。計(jì)算機(jī)顯卡驅(qū)動程序?yàn)槭褂谜咛峁┛梢哉{(diào)節(jié)亮度、對比度和灰度，或者亮度、對比度和伽馬的人機(jī)接口。通過該人機(jī)接口可在一定程度上調(diào)整Ga_a曲線形狀，使其線性化。然而，顯卡驅(qū)動程序人機(jī)接口中的亮度、對比度和灰度 (或者亮度、對比度和伽馬)與Gamma曲線的關(guān)系十分復(fù)雜，每調(diào)整一次，都需要測試O 255之間灰度的透過率變化進(jìn)而繪制Gamma曲線并驗(yàn)證其是否呈線性變化。這導(dǎo)致Gamma 曲線線性化調(diào)整過程十分繁瑣、耗時(shí)。另外，上述Gamma曲線調(diào)整方案效果并不理想，不可能使gamma曲線完全線性化。綜上所述，當(dāng)前迫切需要一種快速、精確的液晶空間光調(diào)制器Ga_a曲線線性化調(diào)整方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種快速、精確的液晶空間光調(diào)制器Ga_a曲線線性化調(diào)整方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線線性化調(diào)整方法，包括下列步驟I)根據(jù)實(shí)測的液晶空間光調(diào)制器的原始Ga_a曲線離散點(diǎn)確定所期望的線性化的Gamma曲線；2)通過插值對原始Gamma曲線的一系列離散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到原始Gamma曲線的方3)對于所期望的線性化的Ga_a曲線中對應(yīng)灰度值X間隔為I的每一個功率值 Y，基于擬合所得到的原始Gamma曲線的方程求出該功率值Y所對應(yīng)的新灰度值X，從而得到灰度值X與新灰度值X的對應(yīng)關(guān)系。其中，將步驟3)所得到的灰度值X與新灰度值X的對應(yīng)關(guān)系寫入圖像處理模塊， 所述液晶空間光調(diào)制器與所述圖像處理模塊連接并由該圖像處理模塊驅(qū)動，在通過所述圖像處理模塊對液晶空間光調(diào)制器寫入某一灰度圖像時(shí)，該圖像處理模塊先將該灰度圖像各像素點(diǎn)由舊灰度值X替換為新灰度值X，再將替換成新灰度值的圖像寫入液晶空間光調(diào)制器。其中,所述步驟2)中,采用Lagrange插值的方法進(jìn)行擬合得到原始Gamma曲線的方程。其中,所述步驟3)中,采用Bolzano 二分法求解功率值Y所對應(yīng)的新灰度值X。本發(fā)明還提供了一種用于液晶空間光調(diào)制器Ga_a曲線線性化調(diào)整的測試系統(tǒng)， 其光路依次包括測試光源、反射鏡組、擴(kuò)束鏡組，1/2波片、第一格蘭棱鏡、液晶光閥、第二格蘭棱鏡、透鏡和功率計(jì)。其中，所述第一格蘭棱鏡和液晶光閥在機(jī)械上成45°夾角，所述第二格蘭棱鏡和液晶光閥在機(jī)械上也成45°夾角。其中,所述第一格蘭棱鏡和第二格蘭棱鏡成正交放置。其中，所述第一格蘭棱鏡和液晶光閥之間放置左旋45度轉(zhuǎn)子，所述液晶光閥和第二格蘭棱鏡之間放置右旋45度轉(zhuǎn)子。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果I、本發(fā)明能夠快速完成Gamma曲線線性化調(diào)整。2、本發(fā)明的Gamma曲線線性化調(diào)整結(jié)果非常精確，線性度極高。


圖I示出了一個用于液晶空間光調(diào)制器Ga_a曲線線性化調(diào)整的光路系統(tǒng)；圖2示出了 1053nm單縱模摻Y(jié)b3+光纖激光器功率隨時(shí)間變化曲線；圖3示出了本發(fā)明一個實(shí)施例中1053nm激光入射時(shí)液晶空間光調(diào)制器的原始 Gamma曲線；圖4示出了本發(fā)明一個實(shí)施例中1053nm激光入射時(shí)所期望的液晶空間光調(diào)制器呈線性變化的Gamma曲線；圖5示出了本發(fā)明一個實(shí)施例中灰度替換后1053nm激光入射時(shí)液晶空間光調(diào)制器的Gamma曲線；圖6示出了利用傳統(tǒng)方法和本發(fā)明一個實(shí)施例的方法調(diào)整Ga_a曲線的近場調(diào)制度隨時(shí)間變化的曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明針對現(xiàn)有調(diào)整Gamma曲線呈線性變化的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不理想的現(xiàn)狀，提出了一種新的Gamma曲線調(diào)整方法。首先對待調(diào)整的液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行測試，測出橫坐標(biāo)為灰度值、縱坐標(biāo)為功率值的一系列離散點(diǎn)，再基于這些離散點(diǎn)擬合得到曲線方程，然后求得該曲線方程上與目標(biāo)Gamma曲線中灰度間隔為I的功率值對應(yīng)的新灰度值， 從而得到新、舊灰度值的對應(yīng)關(guān)系并將其存入圖像處理模塊中。液晶空間光調(diào)制器與該圖像處理模塊連接并由該圖像處理模塊驅(qū)動。在通過所述圖像處理模塊對液晶空間光調(diào)制器寫入某一灰度圖像時(shí)，該圖像處理模塊先將該灰度圖像各像素點(diǎn)的灰度值按照所得到的新、舊灰度值的對應(yīng)關(guān)系替換為新灰度值，再將替換成新灰度值的圖像寫入液晶空間光調(diào)制器。這樣在使用時(shí)，Gamma曲線(橫坐標(biāo)為舊灰度值、縱坐標(biāo)為功率值)呈線性變化。下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步地描述。為校正液晶空間光調(diào)制器的Ga_a曲線,首先需要精確測出原始Ga_a曲線數(shù)據(jù)。 為此，本發(fā)明的一個實(shí)施例中，搭建了一個液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光路如圖I所示，依次包括測試光源I、反射鏡組2、擴(kuò)束鏡組3，1/2波片4、第一格蘭棱鏡5 (格蘭棱鏡即格蘭泰勒棱鏡)、左旋45度轉(zhuǎn)子6、液晶光閥7、右旋45度轉(zhuǎn)子8、第二格蘭棱鏡9、透鏡10和功率計(jì)11。其中，反射鏡組2包括兩個45°反射鏡，用于后期準(zhǔn)直光路。光路難以做到長時(shí)間保持恒定，也就是說光路可能隨時(shí)間而發(fā)生變化，此時(shí)可以通過反射鏡組2精確調(diào)節(jié)以準(zhǔn)直光路，從而保證Gamma曲線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常工作。擴(kuò)束鏡組3用于使光束擴(kuò)大，因?yàn)橐壕Ч忾y7上的像兀是有大小的，光束越大有效利用的像兀越多。液晶光閥 7進(jìn)行振幅調(diào)制時(shí)，要求進(jìn)入液晶光閥7的光的偏振態(tài)與液晶分子成45°角，這樣就要求格蘭棱鏡和液晶光閥7在機(jī)械上要有45°夾角，而液晶光閥7在機(jī)械上難以成45°放置,所以本實(shí)施例中，讓兩個格蘭棱鏡成45°放置。但是，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)幾大光學(xué)鏡片廠商所生產(chǎn)的45°反射鏡僅對偏振態(tài)為0°和90°進(jìn)入的光效果較好，而對除偏振態(tài)為0°和 90°外的其它角度進(jìn)入的光有非常嚴(yán)重的退偏，導(dǎo)致后級光路輸出的光無法使用。因此，本實(shí)施例中在液晶光閥7前后各放置一個塊石英轉(zhuǎn)子，分別為左旋45度轉(zhuǎn)子6和右旋45度轉(zhuǎn)子8，以保證進(jìn)入45°反射鏡的光偏振態(tài)為0°或90°。測試光源I采用北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的1053nm單縱模摻Y(jié)b3+光纖激光器,線偏振態(tài)輸出功率為22mW(偏振態(tài)穩(wěn)定度小于1% )，短時(shí)間內(nèi)工作穩(wěn)定，無模式競爭和跳?，F(xiàn)象。激光由單模保偏光纖輸出(光纖芯徑6 μ m，NA = O. 14)，經(jīng)由Throlabs非球面鏡耦合頭I’準(zhǔn)直后經(jīng)過反射鏡組2進(jìn)入擴(kuò)束鏡組3，使測試光斑口徑擴(kuò)大至cp20mm，隨后由1/2波片4調(diào)節(jié)注入光偏振態(tài)，配合其后的格蘭泰勒棱鏡起到動態(tài)調(diào)節(jié)注入光功率的目的。待測液晶光閥采用SONY 公司生產(chǎn)的LCX016AL-6型液晶空間光調(diào)制器，其有效工作面積26. 6mmX20. Omm(I. 3")， 分辨率832X624像素，工作電壓15V。液晶空間光調(diào)制器前后正交放置一對消光比大于2000 I的格蘭泰勒棱鏡，可以保證液晶空間光調(diào)制器具備高消光比的工作條件，使輸出圖像背景噪聲小，具有較高的對比度。光束經(jīng)過前置格蘭棱鏡后偏振態(tài)變O°方向，這里定義為P偏振光，P偏振光經(jīng)過左旋45°石英轉(zhuǎn)子后，偏振態(tài)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)45° (即圖I 中示出的-45°方向)。此時(shí)，由電腦通過VGA視頻線將一幅灰度為255的832X624分辨率格式圖片傳輸至液晶空間光調(diào)制器，左旋45°的激光通過液晶分子后，其偏振方向旋轉(zhuǎn) 90°，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)為45°方向(圖I中示出的45°方向)，經(jīng)由右旋45°轉(zhuǎn)子后，45°偏振態(tài)激光旋轉(zhuǎn)為90°偏振態(tài)激光，即s光。因?yàn)閮蓚€格蘭棱鏡正交放置，s光可以完全透過， 最后由正透鏡聚焦后，使用Thorlabs公司型號為PM1000的功率計(jì)測試其輸出功率，便完成了一個工作測試流程。當(dāng)寫入不同灰度值時(shí)，液晶空間光調(diào)制器上的每一個像素液晶分子上加的工作電壓也不同，O 255灰度的像素點(diǎn)對激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)O 90°，配合后置的第二格蘭棱鏡9 (第二格蘭棱鏡9為偏振分光棱鏡，可起到檢偏器件的作用)，就可以實(shí)現(xiàn)對光束空間強(qiáng)度分布的任意控制，通過寫入O 255灰度圖片，測試各灰度對應(yīng)的檢偏后激光功率輸出。本實(shí)施例中，激光束進(jìn)入液晶空間光調(diào)制器的功率的RMS值為O. 041%，隨時(shí)間變化曲線如圖2所示，可看作不變的值。因此，可將Ga_a曲線用激光束通過液晶空間光調(diào)制器后的功率隨著在液晶空間光調(diào)制器上寫入灰度值從O 255的圖像而變化的曲線來替代。本實(shí)施例在O 255的灰度值中，每間隔10個灰度值在液晶空間光調(diào)制器上寫入圖像， 測量激光功率輸出。當(dāng)入射激光的波長為1053nm時(shí)，通過上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測出液晶空間光調(diào)制器的原始Ga_a曲線如圖3所示。對原始Gamma曲線校正,期望新的Gamma曲線為通過(0,0)和(255, A)的直線,如圖4所示，其中A為在液晶空間光調(diào)制器上寫入灰度為255的圖像時(shí)的功率值，本實(shí)施例中 A = 2. 02mW。要使Gamma曲線變?yōu)橥ㄟ^(0，0)和(255，20. 21)的直線，具體步驟如下步驟I、將測得的在液晶空間光調(diào)制器上寫入的不同灰度值下的功率值，即橫坐標(biāo)為灰度值、縱坐標(biāo)為功率值的間斷的點(diǎn)，擬合為連續(xù)的曲線。假設(shè)函數(shù)y = f(x)在N+1個點(diǎn)(xQ，yQ)，···，(xN,yN)處的值已知,其中值Xk在區(qū)間 [a,b]上分布,且滿足a彡X。< X1 <吣< xN彡b,且yk = f (Xk),則可以構(gòu)造一個過這N+1 個點(diǎn)的N次多項(xiàng)式PU)。法國數(shù)學(xué)家約瑟夫·路易·拉格朗日推導(dǎo)出了被稱為Lagrange 插值的多項(xiàng)式
權(quán)利要求
1.一種液晶空間光調(diào)制器Ga_a曲線線性化調(diào)整方法，包括下列步驟1)根據(jù)實(shí)測的液晶空間光調(diào)制器的原始Ga_a曲線離散點(diǎn)確定所期望的線性化的 Gamma曲線；2)通過插值對原始Ga_a曲線的一系列離散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到原始Ga_a曲線的方程；3)對于所期望的線性化的Ga_a曲線中對應(yīng)灰度值X間隔為I的每一個功率值Y，基于擬合所得到的原始Gamma曲線的方程求出該功率值Y所對應(yīng)的新灰度值X，從而得到灰度值X與新灰度值X的對應(yīng)關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線線性化調(diào)整方法，其特征在于， 所述步驟3)中，將所得到的灰度值X與新灰度值X的對應(yīng)關(guān)系寫入圖像處理模塊，所述圖像處理模塊用于驅(qū)動所述液晶空間光調(diào)制器，并且在通過所述圖像處理模塊對液晶空間光調(diào)制器寫入某一灰度圖像時(shí)，該圖像處理模塊先將該灰度圖像各像素點(diǎn)由舊的灰度值X替換為新灰度值X，再將替換成新灰度值的圖像寫入液晶空間光調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線線性化調(diào)整方法，其特征在于， 所述步驟2)中,采用Lagrange插值的方法進(jìn)行擬合得到原始Gamma曲線的方程。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線線性化調(diào)整方法，其特征在于， 所述步驟3)中,采用Bolzano 二分法求解功率值Y所對應(yīng)的新灰度值X。
5.一種用于權(quán)利要求I所述的液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線線性化調(diào)整方法的測試系統(tǒng)，其特征在于，其光路依次包括測試光源、反射鏡組、擴(kuò)束鏡組，1/2波片、第一格蘭棱鏡、液晶光閥、第二格蘭棱鏡、透鏡和功率計(jì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述第一格蘭棱鏡和液晶光閥在機(jī)械上成45°夾角，所述第二格蘭棱鏡和液晶光閥在機(jī)械上也成45°夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測試系統(tǒng),其特征在于，所述第一格蘭棱鏡和第二格蘭棱鏡成正交放置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述第一格蘭棱鏡和液晶光閥之間放置左旋45度轉(zhuǎn)子，所述液晶光閥和第二格蘭棱鏡之間放置右旋45度轉(zhuǎn)子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種液晶空間光調(diào)制器Gamma曲線線性化調(diào)整方法，包括1)根據(jù)實(shí)測原始Gamma曲線離散點(diǎn)確定所期望的線性化的Gamma曲線；2)通過插值對原始Gamma曲線的一系列離散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到原始Gamma曲線的方程；3)對于所期望的線性化的Gamma曲線中對應(yīng)灰度值X間隔為1的每一個功率值Y，基于原始Gamma曲線方程求出該功率值Y所對應(yīng)的新灰度值x，得到灰度值X與新灰度值x的對應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明能夠快速完成Gamma曲線線性化調(diào)整且結(jié)果線性度極高。
文檔編號G02F1/13GK102608780SQ20121007756
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者唐熊忻, 樊仲維, 邱基斯 申請人:北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司