CN108629787A - 一种基于光学自旋霍尔效应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光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统。本发明空间光场微分器具有结构简单、材料可选范围广、波长响应范围大、易于制备集成等优点，并以此实现了对图像边缘的提取处理。本发明以相干光为载体载入图像信息作为输入光场，令p/s偏振态的输入光场斜入射至两种不同介质的界面或介质与金属的界面上，由于光学自旋霍尔效应，对应的s/p偏振态的反射或透射场为输入光场的一维一阶空间微分结果，即实现了对图像信息的边缘提取处理。本发明所提供的边缘提取方法是一种超快速、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

一种基于光学自旋霍尔效应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，具体是一种基于光学自旋霍尔效应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超快速、大带宽、大通量、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。而传统光学模拟运算需要利用大量宏观尺寸的光学器件，不利于运算系统的微型化和集成化。

近年来，利用微纳结构实现光学模拟运算作为新兴的技术手段也在不断发展进步。但现有的微纳结构设计极其复杂，在实验上精确地制备这些器件并应用于实现光学模拟运算存在非常大的难度，因此，设计及实现具备更高可行性及精确度的空间光场运算微纳器件是一个十分重要的课题。

浙江大学阮智超教授于2017年5月在Nature Communications上发表文章“Plasmonic computing of spatial differentiation”(基于表面等离激元的空间光场微分运算)，利用空间光场与金属表面等离激元之间的耦合与干涉，在实验上实现了对空间光场的一阶微分模拟运算，并基于此演示了对空间光场图像的边缘提取处理。该文中光学模拟微分运算的精度达到94％，时间频率带宽为3THz，边缘提取的最小空间分辨率达到7μm。由于文中的空间光场微分器是基于棱镜耦合的金属表面等离激元，故而只能在反射中实现空间光场模拟微分运算，同时该微分器仅能响应特定波长与入射角度的输入光场，工作条件限制较多，不具有广泛的通用性。

发明内容

本发明提出了一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统，器件为两种不同介质或介质与金属的平行界面。本发明利用光学自旋霍尔效应，通过控制输入光场为p/s偏振的线偏振光，使其斜入射至介质一与介质二的界面或介质与金属的界面上，同时测量透射或反射光场中的s/p偏振部分，此时器件的传递函数在垂直入射面的方向上为线性，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处理。本方法中的微分器为介质与介质或介质与金属组成的平板结构，相比于傅里叶光学技术缩小了几个数量级；且器件响应不受波长限制，任意波长均可实现，同时器件角度响应要求大于零度，并且材料选取无限制，常用介质例如玻璃、空气，常用金属例如金、银等均可使用，相比于一般的微纳尺寸微分器，本发明具有更广泛的通用性。本发明所提出的图像边缘提取方法具备结构设计简单、材料选取限制小、波长响应范围广、角度响应范围广、易于实现、易于规模化生产集成等优点。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，由两种不同介质的界面或介质与金属的界面构成微分器，以相干光为载体载入图像信息作为输入光场，令p/s偏振态的输入光场斜入射至微分器的界面上，由于光学自旋霍尔效应，对应的s/p偏振态的反射或透射场为输入光场的一维一阶空间微分结果，即实现了对图像信息的边缘提取处理；两种不同介质的界面或介质与金属的界面为平面。

进一步地，两种不同介质构成的微分器可以选取任意不同的介质进行组合，包括空气与玻璃的组合，空气与石英的组合；介质与金属构成的微分器可以选取任意不同介质和金属进行组合，包括空气与金的组合，空气与银的组合。

进一步地，微分器对输入光场入射角度的响应要求大于零度。

进一步地，微分器对任意波长的输入光场均有响应。

进一步地，一维一阶空间微分的方向垂直于输入光场传播方向与反射或透射场传播方向所构成的平面。

进一步地，输入光场为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处理直接发生于其在两种不同介质界面上或介质与金属界面上的反射或透射过程中。

进一步地，输入光场取为p偏振的线偏振光时，对应的透射或反射光场应取s偏振的线偏振光；或者输入光场取为s偏振的线偏振光时，对应的透射或反射光场应取p偏振的线偏振光；由于光学自旋霍尔效应，此时微分器在输入光场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。

一种基于光学自旋霍尔效应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、光学自旋霍尔效应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光学自旋霍尔效应空间光场微分系统的输入相连，光学自旋霍尔效应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图像信息，并将其输入光学自旋霍尔效应空间光场微分系统进行处理；所述光学自旋霍尔效应空间光场微分系统，包括介质-介质或介质-金属结构的微分器和偏振控制模块，其中微分器接收p/s偏振态的输入光场后，光场在微分器界面上发生透射或反射，由于光学自旋霍尔效应，对应的s/p偏振态的输出光场即为输入光场的空间微分结果，实现对图像的边缘提取处理；偏振控制模块用于选取输入光场及输出光场所需的偏振态。

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。

本发明有益效果如下：本发明所设计的微分器为平板结构，厚度能够低至100nm，相比于傅里叶光学技术缩小了多个数量级，且材料选取限制小，常用介质例如玻璃、空气，常用金属例如金、银等均可使用，为大规模的集成及生产、应用提供了基础。实际应用效果方面，本发明的器件响应不受波长限制，任意波长均可实现，且器件的角度响应要求大于零度，相比于一般的微纳尺寸微分器，具有更广泛的通用性。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。

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为实施例光学自旋霍尔效应微分器的结构示意图；

图4为传递函数；

图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(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，为基于光学自旋霍尔效应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，光学自旋霍尔效应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光学自旋霍尔效应空间光场微分系统的输入相连，光学自旋霍尔效应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，并通过偏振片1起偏为线偏振光(图中去掉扩束棱镜)，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的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。

所述光学自旋霍尔效应空间光场微分系统为利用光学自旋霍尔效应并通过控制输入光场与透射或反射光场偏振态来实现空间光场微分的结构，包括介质-介质或介质-金属结构的微分器和偏振控制模块。其中介质-介质或介质-金属结构的微分器为介质1与介质2或介质与金属的平板结构，输入光场取为p偏振的线偏振光时，对应的透射或反射光场应取s偏振的线偏振光；或者输入光场取为s偏振的线偏振光时，对应的透射或反射光场应取p偏振的线偏振光，由于光学自旋霍尔效应，此时空间光场微分器件的传递函数在垂直入射面的方向为线性，能够等效空间微分运算，进而实现对图像的边缘提取。偏振控制模块用于控制输入光场与透射或反射光场的偏振态：通过旋转偏振片来选出所需的p/s偏振。

所述图像接收系统包括成像系统和光束分析仪。光学自旋霍尔效应空间光场微分系统的输出与成像系统相连，经光学自旋霍尔效应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，为实施例使用空气-玻璃平板结构的介质-介质结构微分器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3.6mm，能够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100mm的双胶合消色差透镜1、2所组成的成像系统，将图像信息完整地输入至光学自旋霍尔效应微分器。其中偏振片2、偏振片3组成的偏振控制模块用以调控入射到光学自旋霍尔效应微分器上的光信号的偏振态，使之以p/s偏振态入射，并选取反射后输出的光信号的偏振态为s/p，以满足实现空间光场微分的条件。此时在光束反射过程中，器件通过对输入空间光场进行的一阶、一维微分运算，实现了对输入图像的边缘提取。介质-介质结构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100mm和500mm的双胶合消色差透镜3、4所组成的成像系统输入至光束分析仪中接收、记录。

图3为基于光学自旋霍尔效应的空间光场微分器件结构示意图，此实施例中器件采用介质1-介质2的平板结构：具体为空气-玻璃的平板结构，器件大小约12mm*12mm，玻璃在532nm波长处的折射率为1.516。输入光信号经相干成像系统后，由空气介质输入至微分器件，由空气-玻璃界面反射或透射后输出。

图4为此实施例中空间光场微分器件的传递函数的实验测量结果与理论计算结果，在此空间频率附近，实验值与理论值符合较好且基本为线性，满足实现微分运算的条件。

如图5所示，为利用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5(a)、图5(c)所示，分别为振幅型中文图样、相位型英文图样，相应地在光束分析仪中可检测到处理后光信号如图5(b)、图5(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 (10)

1.一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，由两种不同介质的界面或介质与金属的界面构成微分器，以相干光为载体载入图像信息作为输入光场，令p/s偏振态的输入光场斜入射至微分器的界面上，由于光学自旋霍尔效应，对应的s/p偏振态的反射或透射场为输入光场的一维一阶空间微分结果，即实现了对图像信息的边缘提取处理；两种不同介质的界面或介质与金属的界面为平面。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，两种不同介质构成的微分器可以选取任意不同的介质进行组合，包括空气与玻璃的组合，空气与石英的组合；介质与金属构成的微分器可以选取任意不同介质和金属进行组合，包括空气与金的组合，空气与银的组合。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，微分器对输入光场入射角度的响应要求大于零度。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，微分器对任意波长的输入光场均有响应。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，一维一阶空间微分的方向垂直于输入光场传播方向与反射或透射场传播方向所构成的平面。

6.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，输入光场为相位型或振幅型光场图像，且可以实现两者间的任意切换。

7.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应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处理直接发生于其在两种不同介质界面上或介质与金属界面上的反射或透射过程中。

8.根据权利要求1所述的一种基于光学自旋霍尔效应空间光场微分器的图像边缘提取方法，其特征在于，输入光场取为p偏振的线偏振光时，对应的透射或反射光场应取s偏振的线偏振光；或者输入光场取为s偏振的线偏振光时，对应的透射或反射光场应取p偏振的线偏振光；由于光学自旋霍尔效应，此时微分器在输入光场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。

9.一种基于光学自旋霍尔效应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、光学自旋霍尔效应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光学自旋霍尔效应空间光场微分系统的输入相连，光学自旋霍尔效应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图像信息，并将其输入光学自旋霍尔效应空间光场微分系统进行处理；所述光学自旋霍尔效应空间光场微分系统，包括介质-介质或介质-金属结构的微分器和偏振控制模块，其中微分器接收p/s偏振态的输入光场后，光场在微分器界面上发生透射或反射，由于光学自旋霍尔效应，对应的s/p偏振态的输出光场即为输入光场的空间微分结果，实现对图像的边缘提取处理；偏振控制模块用于选取输入光场及输出光场所需的偏振态。

10.根据权利要求9所述的一种基于光学自旋霍尔效应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。