CN106873058B - 一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统。传统傅里叶光学信息处理基于透镜系统，其结构尺寸大，不易集成。本发明设计了一种表面等离激元空间光场微分器，具有设计简单，器件厚度为纳米尺寸，易于大规模制备，可与硅基器件集成等优点，并以此实现了提取图像边缘的处理。本发明基于金属表面等离激元的特性，通过激发金属与介质界面上的表面等离激元，并控制其空间传播泄漏率和由材料损耗导致的衰减率满足临界耦合条件，实现对输入空间光场进行一阶微分处理，从而完成对输入图像的边缘提取。本发明所提供的边缘提取是一种超快速、实时、大通量的图像处理方法，在医学和卫星图像处理中有重要的技术应用前景。

Description

一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法 及系统

技术领域

本发明涉及光学信息处理领域，具体是一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统。

背景技术

随着信息技术的迅猛发展，对信息处理性能的需求正在不断地提高。与传统电子器件的信息处理方式相比，光学信息处理技术凭借其高速、超大带宽、低损耗等优势，已经逐渐发展成为一种重要的信息处理手段。传统傅里叶光学信息处理利用了透镜的傅里叶变换特性，通过两块透镜组成4f系统，在其频谱面上选择合适的空间滤波器，进行光场模拟运算，进而实现图像处理。其中利用空间光场微分运算，可以实现的图像边缘提取，从而实时、高速、大通量地进行图像处理，在医学和卫星图像处理中有重要的技术应用前景。

由于传统傅里叶光学信息处理需要光场在自由空间中传播，并由透镜等具有宏观尺寸的光学器件组成，所以此类光学处理方式所需占用的空间过大。为此，利用微纳光学技术，压缩器件尺寸，设计并制备微型化、可大规模集成的光学器件符合市场需求和未来发展趋势。经对现有微纳尺寸的空间光场微分器的文献检索发现，俄罗斯V.A.Soifer教授于2014年3月在Optics Letters上发表文章“Spatial differentiation of optical beamsusing phase-shifted Bragg grating”(基于相移布拉格光栅的空间光束微分器)。该文通过给定各介质层的折射率及厚度等参数，设计了一种复杂的特殊结构相移布拉格光栅，使其在光束斜入射时的反射传递函数符合空间微分运算的要求。利用上述特殊设计的相移布拉格光栅，可以在反射过程中直接得到空间光场的一阶微分。然而正如之前所述，该文中提出的多层介质平板结构极其复杂：由17层特定介质共同组成，其中每一层介质的折射率、厚度等物理参数均经过特殊设计并受到严格要求。该微分器的具体实现对制作工艺的要求太高，因此在此精度要求下实现器件的规模化生产与应用较为困难。

发明内容

本发明针对上述技术尺寸大、不易集成、结构复杂、难制备等的不足，提出了一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统。本发明通过相位匹配激发金属与介质界面上的表面等离激元，控制其空间传播泄漏率和由材料损耗导致的衰减率相等(即满足临界耦合条件)，使得器件在此空间频率附近的传递函数为线性，从而能够在反射或透射过程中直接得到输入光场的一阶空间微分结果，进而实现对图像的边缘提取。本方法中的器件厚度为亚波长量级，以波长约500nm的可见光为例，器件厚度可以控制在20‐200nm，与传统傅里叶方法所需的厘米(cm)量级空间尺寸相比缩小了多个数量级。本发明所提出的图像边缘提取方法具备结构设计简单、易于实现、易与硅基器件集成等优点。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：

一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，当空间光场在金属与介质的界面上激发表面等离激元，且满足临界耦合条件时，输出光场为输入光场的空间微分结果，从而实现对输入图像的边缘提取处理。所述临界耦合条件为表面等离激元传播过程中的泄漏率等于由材料损耗导致的衰减率。

进一步地，使用不同的激发方式实现金属表面等离激元的激发：当使用光栅耦合方式激发时，金属层设计为光栅结构；当使用棱镜耦合方式激发时，金属层设计为平板结构。

进一步地，使用不同的设计实现临界耦合条件，包括改变金属层的材料、结构参数等。当使用不同材料时，对于实现临界耦合条件有不同的结构参数要求。

进一步地，输入的图像信息以相干光为载体。

进一步地，在相干光中载入图像信息并输出相位型或振幅型光场图像，且可以实现两者间的任意切换。

进一步地，基于空间光场微分运算的图像边缘提取直接发生于其在金属与介质界面上的反射或透射过程中。

进一步地，当激发表面等离激元，且满足临界耦合条件时，空间光场微分器件在此空间频率附近的传递函数为线性，能够等效空间微分运算，进而实现对图像的边缘提取。

一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取系统，包括：图像信息加载系统、空间光场微分系统和图像接收系统。其中图像信息加载系统的输出与空间光场微分系统的输入相连，空间光场微分系统的输出与图像接收系统相连。所述图像信息加载系统以相干光为载体加载输入图像。所述空间光场微分系统，包括介质-金属层结构的表面等离激元微分器和空间频率耦合模块，其中表面等离激元微分器接收输入光场后，激发的表面等离激元满足临界耦合条件时，输出光场为输入光场的空间微分结果，实现对图像的边缘提取处理；所述临界耦合条件为表面等离激元传播过程中的泄漏率等于由材料损耗导致的衰减率。空间频率耦合模块用于调整输入光场的空间频率，通过相位匹配激发微分器中的金属表面等离激元使其正常工作。

进一步地，所述图像信息加载系统能够在相干光中载入图像信息并输出相位型或振幅型光场图像，且可以实现两者间的任意切换。

本发明原理为，通过相位匹配激发介质‐金属界面上的表面等离激元，并控制其空间传播泄漏率和由材料损耗导致的衰减率相等(即满足临界耦合条件)，此时器件在此空间频率附近的传递函数为线性，从而能够在反射或透射过程中直接得到输入光信号的一阶空间微分结果，进而实现对输入图像的边缘提取。

本发明有益效果如下：本发明基于微纳光学技术，所设计的器件的厚度为亚波长量级，以波长约500nm的可见光为例，器件厚度可以控制在20-200nm，比传统傅里叶方法中的厘米(cm)量级缩小了多个数量级，更符合微型化、易集成的要求。同时，本发明所提出的器件结构设计简单，并且能够良好地兼容现如今较为成熟的镀膜等技术工艺，为大规模的光电器件集成及生产、应用提供了基础。实际应用效果方面，在光学信息处理技术的高速、低功耗、大带宽等优势的基础上，本发明还具有较高的计算精度及空间分辨率，其最小分辨间隔可以达到10um。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为实施例的装置结构图；

图3(a)为实施例表面等离激元微分器的结构示意图；

图3(b)为传递函数；

图4(a)、(b)、(c)、(d)为实施例效果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取系统的实施例，包括:图像信息加载系统，空间光场微分系统和图像接收系统。其中图像信息加载系统的输出与空间光场微分系统的输入相连，空间光场微分系统的输出与图像接收系统相连。

所述图像信息加载系统，包括可调激光器、空间光调制器、相干成像系统。可调激光器输出单色连续激光，其输出端与空间光调制器相连，将空间光调制器控制端所载入图像信息加载到激光中，产生相位型光场图像。所述的相干成像系统采用迈克尔逊干涉仪的结构，能够将相位型光场图像转化为振幅型光场图像，并且可以实现相位型与振幅型光场图像之间的任意切换。

所述空间光场微分系统为通过耦合激发介质-金属表面等离激元进而实现空间光场微分的结构，包括表面等离激元微分器和空间频率耦合模块。其中表面等离激元微分器为介质-金属层结构，改变金属层的物理参数(如金属层材料的种类，金属层结构的厚度等)可以使其满足临界耦合条件，即当激发金属表面等离激元时，其在此结构中的空间传播泄漏率与由材料损耗导致的衰减率相等。所述表面等离激元微分器在此空间频率附近的传递函数为线性，能够等效空间微分运算，进而实现图像的边缘提取。空间频率耦合模块用于激发介质-金属界面的表面等离激元：可以通过旋转器件平台来调节输入光信号的空间频谱使其满足相位匹配条件而激发表面等离激元微分器中的金属表面等离激元，使表面等离激元微分器正常工作在线性传递函数处。常用的耦合方式包括有光栅耦合、棱镜耦合等。在光栅耦合中器件的金属层被设计为光栅结构，而在棱镜耦合中金属层被设计为介质-金属的多层平板结构。具体可以根据对器件性能、结构等因素的不同需求，选取合适的耦合方式。

所述图像接收系统包括成像系统和光束分析仪。空间光场微分系统的输出与成像系统相连，经空间光场微分系统处理后的图像通过成像系统输入至光束分析仪中接收检测。

如图2所示，为实施例采用棱镜耦合激发方式实现对空间光场的一阶、一维微分处理，进而实现图像边缘提取的装置结构图示。可调激光器输出波长为532nm的单色连续激光，通过准直器输出光束束腰半径约为1.2mm。扩束透镜组采用焦距分别为60mm和400mm的双胶合消色差透镜1、2，用来调控光束的束腰半径及空间传播发散角，使其匹配空间光调制器的尺寸以便于充分地向光束中加载信息。偏振片1用来调控光信号的偏振状态，使其线偏振方向与空间光调制器的液晶面板长轴同向，以符合空间光调制器对入射光偏振态的可调制要求。光信号经扩束和起偏后，输入至空间光调制器，从而使空间光调制器控制端所输入的待处理图像信息加载至激光中，然后通过相干成像系统输出。相干成像系统采用迈克尔逊干涉仪结构，能够控制空间光场信号在相位型和振幅型之间自由切换，并通过由焦距分别为500mm和150mm的双胶合消色差透镜3、4所组成的成像系统，将图像信息完整地输入至表面等离激元微分器。其中偏振片2用以调控入射到表面等离激元微分器上的光信号的偏振态，使之以p偏振态入射，以备激发器件中的金属表面等离激元。空间频率耦合模块由反射镜组、棱镜及固定表面等离激元微分器的可旋转平台组成，通过调整其旋转角度来调整输入光信号的空间频谱，使其满足相位匹配条件并激发微分器件中的金属表面等离激元，使器件正常工作，此时在光束反射过程中，器件通过对输入空间光场的一阶、一维微分运算，实现了对输入图像的边缘提取。表面等离激元微分器的输出光信号与成像系统相连，经微分器件处理后的光场图像通过由焦距分别为200mm和400mm的双胶合消色差透镜5、6所组成的成像系统输入至光束分析仪中接收、记录。

图3(a)为基于金属表面等离激元的空间光场微分器件结构示意图，此实施例中器件采用棱镜耦合激发方式下的介质-金属平板层状结构。具体为K9玻璃-银的平板层状结构，器件大小约12mm*12mm，K9玻璃在532nm波长处的折射率为1.516；银薄膜厚度约49nm，由磁控溅射技术镀于上述K9玻璃衬底上。输入光信号经相干成像系统后，由玻璃介质一侧输入至微分器件，在银薄膜与空气的界面上激发金属表面等离激元后反射输出。图3(b)为此实施例中空间光场微分器件的传递函数的测量结果与拟合结果，其中谐振峰深度达到0.0170，意味着器件基本达到了临界耦合的要求。

如图4所示，为通过上述装置对光场进行一维、一阶微分处理实现图像边缘提取的实例。在空间光调制器中加载不同的信息，调整空间光调制器的输出光如图4(a)、(c)所示，分别为相位型字符图样、振幅型图形图样，相应地在光束分析仪中可检测到处理后光信号如图4(b)、(d)所示，分别对应输入信号的空间微分结果。可以看到，两种输出光中均检测到并保留了输入光场中电场变化较大的边缘部分，而消除了变化缓慢的相对均匀部分，即利用空间微分运算实现了对图像的边缘提取处理。其实验效果与理论结果十分接近，从而证明了该方法的可行性。

Claims (9)

1.一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，当空间光场在金属与介质的界面上激发表面等离激元，且满足临界耦合条件时，输出光场为输入光场的空间微分结果，通过输入光场加载输入图像，从而实现对输入图像的边缘提取处理；所述临界耦合条件为表面等离激元传播过程中的泄漏率等于由材料损耗导致的衰减率。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，使用不同的激发方式实现金属表面等离激元的激发：当使用光栅耦合方式激发时，金属层设计为光栅结构；当使用棱镜耦合方式激发时，金属层设计为平板结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，使用不同的设计实现临界耦合条件，包括改变金属层的材料、结构参数等；当使用不同材料时，对于实现临界耦合条件有不同的结构参数要求。

4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，输入的图像信息以相干光为载体。

5.根据权利要求4所述的一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，在相干光中载入图像信息并输出相位型或振幅型光场图像，且可以实现两者间的任意切换。

6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，基于空间光场微分运算的图像边缘提取直接发生于其在金属与介质界面上的反射或透射过程中。

7.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，当激发表面等离激元，且满足临界耦合条件时，空间光场微分器件在此空间频率附近的传递函数为线性，能够等效空间微分运算，进而实现对图像的边缘提取。

8.一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取系统，其特征在于，包括：图像信息加载系统、空间光场微分系统和图像接收系统；其中图像信息加载系统的输出与空间光场微分系统的输入相连，空间光场微分系统的输出与图像接收系统相连；所述图像信息加载系统以相干光为载体加载输入图像；所述空间光场微分系统，包括介质-金属层结构的表面等离激元微分器和空间频率耦合模块，其中表面等离激元微分器接收输入光场后，激发的表面等离激元满足临界耦合条件时，输出光场为输入光场的空间微分结果，实现对图像的边缘提取处理；所述临界耦合条件为表面等离激元传播过程中的泄漏率等于由材料损耗导致的衰减率；空间频率耦合模块用于调整输入光场的空间频率，通过相位匹配激发微分器中的金属表面等离激元使其正常工作。

9.根据权利要求8所述的一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取系统，其特征在于，所述图像信息加载系统能够在相干光中载入图像信息并输出相位型或振幅型光场图像，且可以实现两者间的任意切换。