姜明勇，陳向寧

(中國人民解放軍裝備學院，北京　101416)

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【信息科學與控制工程】

光尋址液晶光閥輸出圖像的模擬生成

姜明勇，陳向寧

(中國人民解放軍裝備學院，北京101416)

研究了光尋址液晶光閥引起圖像直方圖特性變換的主要因素，包括光電導層的吸收光譜特性和量子效率、光生載流子的光電調制系數、液晶電光調制系數、激光光譜和能量；研究了光尋址液晶光閥引起圖像退化的因素，主要包括由光電導層光生載流子橫向擴散引起的圖像模糊以及由電源噪聲、膜層不均勻和激光能量不均勻引起的噪聲，建立了光尋址液晶光閥圖像的退化模型；提出了光尋址液晶光閥輸出圖像的仿真方案，通過計算機仿真得到了液晶光閥輸出圖像，分析了輸出圖像特性隨影響因素的變化規(guī)律；結果表明：模擬生成的液晶光閥圖像的灰度特性和對比度特性與理論分析一致，說明提出的仿真方案有效。

光尋址液晶光閥；吸收光譜；量子效率；電光調制系數；圖像退化模型

光尋址液晶光閥(OALCLV)是一種能直接接收低強度可見光圖像并用另一種光源將圖像實時輸出的圖像傳感器，是一種常見的光到光的空間光調制器。光尋址液晶光閥能夠實現圖像的光譜轉換、強度轉換、相干性轉換和光放大，根據這種特性制成了眾多光學元件，如圖像放大器、波長轉換器以及非相干光到相干光的圖像轉換器等，這些元器件可以應用于圖像增強、投影[1]、光學信息處理、光子計算機和機器人視覺等領域[2-3]。

目前的研究工作大都針對光尋址的光電導層[3-5]、吸收層[6]、反射層[5]和液晶特性[7-8]。本文研究了光尋址液晶光閥的圖像直方圖轉換特性和退化模型，并提出了光尋址液晶光閥輸出圖像仿真方案。

1　光尋址液晶光閥對圖像的直方圖轉換特性

圖像的直方圖是圖像在各灰度值的概率分布，可以直觀表示圖像的統(tǒng)計特性。引起光尋址液晶光閥直方圖變化的因素很多，主要有光電導層吸收光譜和量子效率、載流子對電壓信號的光電調制系數、液晶電光調制特性、激光光譜和能量。

光電導層對入射光的吸收能力可以用各光譜段的量子效率描述。量子效率表示光電導層光生載流子的數目與入射到光電導層表面的光子數目之比。以可見光光譜為例，碲化鎘(CdTe)對藍光和綠光的吸收能力較強，釩氧酞菁(VOPc)對紅光的吸收能力較強。量子效率曲線與輸入圖像頻譜的匹配越理想，圖像傳感能力越強，有利于抵抗噪聲的影響。其示意圖如圖1。釩氧酞菁與輸入圖像頻譜匹配度比較理想，因此用釩氧酞菁作光電導層會獲得較亮的圖像[6]。

圖1　碲化鎘和釩氧酞菁的量子效率

載流子與電壓信號的光電調制系數表示單個載流子引起的電壓信號變化值，該系數是常數。理論上，該值越大，輸出圖像的灰度越大，對比度越高。

液晶的電光調制系數是激光能量隨液晶層電壓的變化率，也叫液晶對比度。液晶對比度越高，輸出圖像的灰度越大[9]。

2　光尋址液晶光閥的退化模型

光尋址液晶光閥系統(tǒng)在成像過程中，由于器件和各種噪聲的影響，圖像出現一定的退化現象，清晰度下降。這種退化現象可以用退化模型定性描述。一般來說，退化過程是模糊函數h(x,y)與加性噪聲n(x,y)共同作用在輸入圖像f(x,y)上產生退化圖像g(x,y)的過程[10]。該退化過程可以用下式描述：

(1)

如果模糊函數是線性空間移不變的，則退化圖像在空間域可表示為

(2)

式(2)中，“*”表示信號的卷積。

2.1光尋址液晶光閥的模糊特性

液晶光閥輸出圖像的模糊是由光電導層光生載流子的擴散引起的。當光電導層受到光照時，光電導層表面形成光生載流子，載流子濃度和光照強弱有關。由于外加電場作用和載流子的自由擴散運動，光生載流子會向鄰近區(qū)域遷移。在光電導層的法線方向(z方向)，由于外加電場的存在，載流子發(fā)生自由擴散運動以及由外加電場引起漂移運動，其中，漂移運動處于支配地位。在平行于光電導層方向 (x、y方向)，載流子發(fā)生自由擴散運動，沒有漂移運動。由于光生載流子濃度有差異，相鄰位置之間的橫向擴散作用不對等，其結果是光生載流子濃度高的位置載流子濃度降低，反之光生載流子濃度低的位置載流子濃度升高，造成不同位置之間圖像灰度的相互影響，圖像發(fā)生模糊[4]。

根據半導體熱物理可知，載流子濃度變化連續(xù)方程[4]：

(3)

式中，e(u,t)是t時刻在位置u的載流子濃度，e是電子電量，je(u)是位置u的電流密度，τ是光生載流子的壽命。

在z方向，由于載流子發(fā)生漂移和擴散運動，假設電場強度為E，故電流密度je(z)為

(4)

其中D⊥為載流子縱向(z方向)擴散系數，μ⊥為載流子縱向遷移率。將方程(4)代入方程(3)可得：

(5)

由方程(5)可以解得e(z,t):

(6)

在平行于光敏層方向，即x方向和y方向，考慮x方向的載流子濃度e(x,t)。由于沒有外電場作用，載流子只有擴散運動，此時的電流密度je(x)為

(7)

式(7)中，D∥為載流子的橫向(x和y方向)擴散系數，把式(7)代入式(3)可得：

(8)

式(8)的解為

(9)

光生載流子的擴散長度可表示為

(10)

根據愛因斯坦關系可知，載流子的擴散系數和遷移率存在關系：

(11)

將式(11)代入式(10)可以得到光生載流子擴散長度為

(12)

式中，k為玻耳茲曼常數，T為絕對溫度，μ∥表示光生載流子橫向遷移率，τ為光生載流子的壽命。

把式(9)擴展到二維形式，即可得到載流子在x和y方向的濃度分布為

(13)

同時其擴散區(qū)域為

(14)

當t=τ時

(15)

即為光尋址液晶光閥的模糊函數。

2.2光尋址液晶光閥的噪聲特性

液晶光閥輸出圖像中的噪聲主要包括電源噪聲、膜層噪聲和激光場噪聲。

電源噪聲是一種常見噪聲。電壓是直接加在液晶光閥兩端的，電壓的噪聲會直接影響光電導層電壓，從而影響液晶層內以潛像形式存在的圖像信號，因此電源噪聲是一種乘性噪聲。

膜層噪聲是由膜層厚度不均勻引起的。影響膜層厚度的因素主要有制備過程監(jiān)控方法、膜層厚度監(jiān)控儀的精度以及制備者的判斷誤差[5]。在所有膜層中，光電導層不均勻直接導致光生載流子的壽命變化，改變光電導層的模糊特性，使得原本空間移不變的模糊函數變?yōu)榭臻g移變的，直接影響輸出圖像的灰度分布，是一種乘性噪聲。

激光場噪聲是由激光能量分布不均引起的。這種不均勻性主要是由于激光光源和光路誤差引起的。由于圖像輸出是圖像對激光能量的調制，激光噪聲直接影響輸出圖像，因此激光場噪聲是一種乘性噪聲。

3　光尋址液晶光閥輸出圖像仿真與分析

根據上述分析，光尋址液晶光閥輸出圖像仿真需要模擬圖像光譜、灰度和對比度的變化以及模糊和噪聲造成的圖像退化過程。

仿真步驟：參數初始化；根據設定的RGB量子效率和輸入圖像，計算輸入圖像的有效灰度值；用模糊函數處理灰度圖像，并加入高斯噪聲，得到仿真退化圖像；根據退化圖像和光生載流子的光電調制系數仿真圖像引起的電壓變化；根據電壓變化、液晶層的電光調制系數和激光能量仿真輸出圖像的灰度；把該灰度圖像放在彩色圖像三通道中和激光譜段對應的通道中顯示，即可得到光尋址液晶光閥輸出圖像的仿真圖像。

以一幅真實圖像作為輸入圖像，該圖像是RGB彩色圖像。設光電導層對應的量子效率QR=0.05,QG=0.05,QB=0.5。為了仿真方便，載流子對電壓的光電調制系數以及液晶電光調制系數，需要作簡化處理。由于在仿真中，輸入圖像和輸出圖像都是數字圖像，信號使用灰度值表示，因此用電壓灰度調制系數mP代替光電導層載流子對電壓的光電調制系數，該系數是光電導層電壓隨灰度的變化系數。用灰度電壓調制系數mL代替液晶的電光調制系數，該系數是輸出圖像灰度隨液晶層電壓變化的變化系數。取mP=5/255，mL=1.5/10。激光采用紅色激光，能量用灰度G表示，取G=255。

對于退化模型，噪聲用均值為0，歸一化方差為0.02的高斯噪聲模擬；可由式(15)模糊函數計算得到新的模糊函數。玻耳茲曼常數k=1.380 650 5×10-23，電子電量e=1.602×10-19，在室溫25℃時，T=298.15 K。當μ∥=0.002，τ=10-4s時，由式(11)可得D∥=5 139.09，則新模糊函數h(x,y) 為

(16)

其仿真圖形如圖2所示。

圖2　模糊函數仿真圖

在上述仿真條件下，光尋址液晶光閥輸出圖像仿真結果如圖3所示，圖3(a)為原始圖像，圖3(b)為仿真輸出圖像。由于激光是紅色的，該圖像只在紅色波段有灰度變化。輸出圖像評價指標用平均灰度和平均對比度[11-12]表示，圖3(b)中圖像評價指標分別為142.927 5和4.406 1，兩個數值都是單獨使用圖3(b)紅色通道的灰度圖像計算得到。

測試量子效率對輸出圖像的影響。在初始條件下，分別改變其中一個量子系數，計算輸出圖像的平均灰度和平均對比度，分別作二者隨量子系數的變化曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著量子系數的增大，平均灰度逐漸增大，平均對比度沒有明顯變化。平均灰度曲線凹凸性是由輸入圖像中對應波段能量大小決定的。

圖3　光尋址液晶光閥輸入輸出圖像

圖4　輸出圖像評價指標與量子效率的變化曲線

測試電壓灰度調制系數mP和灰度電壓調制系數mL對輸出圖像的影響。在初始條件下，分別改變mP和mL，分別作平均灰度和平均對比度隨mP和mL的變化曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出，兩條灰度曲線和兩條對比度曲線都分別在0.04和0.23附近發(fā)生較大變化，引起這種變化的原因是mP和mL系數增大引起了圖像灰度的飽和。

圖5　輸出圖像評價指標隨mP和mL的變化曲線

4　結論

通過計算機仿真方法得到了液晶光閥的輸出圖像，仿真了RGB量子效率、光電導層電壓灰度系數、液晶層灰度電壓系數、激光能量和退化模型五個因素對輸出圖像的影響。仿真輸出圖像的圖像光譜、圖像灰度和對比度變化和理論分析是一致的，證實了本文所提仿真方案的可行性。

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(責任編輯楊繼森)

Simulation of Optics-Addressed Liquid Crystal Light Valve Output Image

JIANG Ming-yong, CHEN Xiang-ning

(Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

The main factors that Optic-Addressed Liquid Crystal Light Valve(OALCLV) affecting image histogram characteristic, including absorption spectrum and quantum efficiency of photoconductor layer, optics-electro modulation coefficient of photo-generated carrier, electro-optics modulation coefficient of liquid crystal, spectrum and energy of laser, were investigated. The main factors causing image degradation, including image blurring caused by photo-generated carrier lateral diffusion of photoconductor and noises caused by power noise, non-uniformity of films and that of laser energy, were investigated. After that, image degradation model of OALCLV was established. Finally, simulation scheme of OALCLV output image was proposed. OALCLV output image was obtained by computer simulation. Changing laws of OALCLV output image under affecting factors were analyzed. It is showed that gray and contrast characteristic of OALCLV simulation output image is consistent with theory analysis and the proposed simulation scheme is available.

optics-addressed liquid crystal light valve; absorption spectrum; quantum efficiency; electro-optics modulation coefficient; image degradation model

2016-04-18；

2016-06-03

裝備探索研究項目(7131145)

姜明勇(1984—)，男，博士研究生，主要從事圖像處理和光尋址液晶光閥應用研究。

10.11809/scbgxb2016.09.022

format:JIANG Ming-yong, CHEN Xiang-ning.Simulation of Optics-Addressed Liquid Crystal Light Valve Output Image[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):92-95.

TN21

A

2096-2304(2016)09-0092-05

本文引用格式：姜明勇，陳向寧.光尋址液晶光閥輸出圖像的模擬生成[J].兵器裝備工程學報，2016(9):92-95.