CN112665618B - 一种基于形态学的波长敏感模式提取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形态学的波长敏感模式提取装置及方法。该装置包括：从上到下依次设置的波导结构、后焦面成像装置以及带滤光片的CCD图像传感器；波导结构在被激光或者白光辐照后，所发出光信号被后焦面成像装置收集后由带滤光片的CCD图像传感器探测收集，解析获取图像信息；随机设置提取方向；沿此方向遍历选取所有像素点；选取点进行区域生长并进行图像分割处理；依据判定选取表征波导中模式的信息，得到不同的模式分割图案；再计算所得分割图案的质心位置而判断其是否为对应为波长敏感模式；进而筛选完成波长敏感模式的提取。本发明能简化人工判定时间，无需硬件参数参照，实现波长传感应用中波长敏感模式信息的自动提取。

Description

一种基于形态学的波长敏感模式提取装置及方法

技术领域

本发明涉及光学传感表征领域，特别是涉及一种基于形态学的波长敏感模式提取装置及方法。

背景技术

在集成光学的研究和光子芯片的开发中，尺寸更小、扩展性更强的集成光学的器件已经应用于各个领域。而波导结构往往是光子芯片的基石，其中模式的传感效应的研究又往往是器件开发的首要步骤。在复合结构波导中，多种模式的传感特性也不尽相同。表面模式一般对外界环境更加敏感，而内模式一般对波长和结构特性更加敏感。因此在完成波长敏感的传感实验时，研究人员一般都关注诸如塔姆模式等内模式的变化。具体实验方式也有很多，主要有两类，一类是基于角度扫描的测定方式，其由于扫描精度高，而被广泛使用。但是其扫描速度慢且在局部测量空间分辨率不高，在微小结构中难以推广。另一类是基于泄漏辐射显微镜的测定方式，其空间精度高，且模式分布清楚，但是所有模式都同时被表征，在有针对的传感实验中，其余模式回影响计算机的识别。因此，利用此方式在传感实验中所完成模式的提取一般都靠人工完成，其(1)速度慢，易出错。由于人为识别模式，需要对数据逐一分辨，并手动筛选，处理时无法流程化，耗时久。(2)需要分类处理。由于波导结构的不同，其探测结构也有不同类型，比如有源波导一般利用荧光探测模式分布，所采集的一般为荧光发射图，其图案为底色较暗的亮线；而无源波导只能采用反射光探测模式分布，所采集的一般为白光反射图案，其图案为底色较亮的暗线。这也意味着不同的结构在数据处理时候需要分类处理灰度值信息不同的数据。(3)需要探测装置的详细参数：在人工数据处理时，待处理波导结构的厚度和折射率参数都需要知道，从而确定临界角信息，再依据临界角的大小去区分不同的模式。(4)处理步骤不够简化。用传统图像分割技术需要沿着至少两个正交方向遍历来覆盖所有模式，且需要知道装置的偏振片所处方向，从而判断模式的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于形态学的波长敏感模式提取装置及方法，利用常规光学元件完成了波导结构中模式信息的探测，可以实现波长敏感模式的自动提取。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于形态学的波长敏感模式提取装置，包括：从上到下依次设置的波导结构、后焦面成像装置以及带滤光片的CCD图像传感器；所述波导结构在被激光或者白光辐照后，发出光信号被所述后焦面成像装置收集，由所述带滤光片的CCD图像传感器进行探测得到待测图像，所述带滤光片的CCD图像传感器对所述待测图像进行处理，完成波长敏感模式的提取。

可选地，所述波导结构包括金属膜和光子晶体介质膜，所述金属膜置于所述光子晶体介质膜的上方。

可选地，所述后焦面成像装置包括由上到下依次设置的油浸物镜、成像透镜和偏振片。

可选地，所述带滤光片的CCD图像传感器中的滤光片为带通滤波片。

可选地，所述激光为单色波长，所述白光为宽带白光。

本发明还提供了一种基于形态学的波长敏感模式提取方法，所述方法应用于上述基于形态学的波长敏感模式提取装置，所述方法包括：

对波导结构进行激光或者白光辐照，使所述波导结构发出光信号；

所述光信号被后焦面成像装置收集后由带滤光片的CCD图像传感器探测得到待测图像；所述待测图像表征所述波导结构中的不同模式；

根据设定的提取方向选取所有像素点，对选取的像素点进行区域生长并进行图像分割处理，得到不同模式的分割图案；

计算所述分割图案的质心；

判断所述质心是否在波长敏感模式的图像中心预设范围内；

若是，则确定所述分割图案对应为波长敏感模式，进而完成波长敏感模式的提取。

可选地，所述激光为单色波长，所述白光为宽带白光。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中波导结构在被激光或者白光辐照后，所发出光信号被后焦面成像装置收集后由带滤光片的CCD图像传感器探测收集，解析获取图像信息；随机设置提取方向；沿此方向遍历选取所有像素点；选取点进行区域生长并进行图像分割处理；依据判定选取表征波导中模式的信息，得到不同的模式分割图案；再计算所得分割图案的质心位置而判断其是否为对应为波长敏感模式；进而筛选完成波长敏感模式的提取。本发明能简化人工判定时间，无需硬件参数参照，实现波长传感应用中波长敏感模式信息的自动提取。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于形态学的波长敏感模式提取装置的结构示意图；

图2为本发明基于形态学的波长敏感模式提取方法的流程图；

图3为本发明实施例1中提取模式结果图；

图4为本发明实施例2中提取模式结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于形态学的波长敏感模式提取装置及方法，利用常规光学元件完成了波导结构中模式信息的探测，可以实现波长敏感模式的自动提取。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于形态学的波长敏感模式提取装置包括：从上到下依次设置的波导结构1、后焦面成像装置2以及带滤光片的CCD图像传感器3。所述波导结构1在被激光或者白光辐照后，发出光信号被所述后焦面成像装置2收集，由所述带滤光片的CCD图像传感器3进行探测得到待测图像，所述带滤光片的CCD图像传感器3对所述待测图像进行处理，完成波长敏感模式的提取。

所述波导结构1包括金属膜和光子晶体介质膜，金属膜置于光子晶体介质膜的上方。

所述后焦面成像装置2至少包括由上到下依次设置的油浸物镜21、成像透镜22和偏振片23，其可以完成油浸物镜后焦面信息的收集。

所述带滤光片的CCD图像传感器3中的滤光片为带通滤波片，可以根据需要更换且可以选择具有不同中心波长的带通滤波片。

所述激光可以为单色波长，所述白光可以为宽带白光。

如图2所示，一种基于形态学的波长敏感模式提取方法包括以下步骤：

步骤101：对波导结构进行激光或者白光辐照，使所述波导结构发出光信号。所述激光可以为单色波长，所述白光可以为宽带白光。

步骤102：所述光信号被后焦面成像装置收集后由带滤光片的CCD图像传感器探测得到待测图像；所述待测图像表征所述波导结构中的不同模式。

步骤103：根据设定的提取方向选取所有像素点，对选取的像素点进行区域生长并进行图像分割处理，得到不同模式的分割图案。提取方向可以为任意方向，且只需要设定为一个方向。

步骤104：计算所述分割图案的质心。

步骤105：判断所述质心是否在波长敏感模式的图像中心预设范围内。预设范围设置为图像中心附近2％的区域内。

步骤106：若是，则确定所述分割图案对应为波长敏感模式，进而完成波长敏感模式的提取。

本发明提供的波长敏感模式提取方法既适用于有源波导结构也适用于无源波导结构，且无需区分所获取图像为荧光发射图像还是白光反射图像。

本发明提供的波长敏感模式提取方法的步骤与提取装置中的偏振片所处方向无关，即可以用于任意偏振方向的提取装置。

本发明提供的波长敏感模式提取方法的步骤与波导结构的折射率和厚度无关，即可以用于任意厚度和折射率的波导结构。

本发明和传统技术相比的优点为：

(1)自动化程度高：本发明可以完全自动工作，在无人值守的情况下完成大量数据的处理。

(2)可处理结果广泛：本发明中图像像素的灰度绝对值大小对其并无影响。因此在对后焦面中的波长敏感模式提取时候，针对常规有源波导结构的荧光后焦面图，或者常规无源波导结构的反射后焦面图都可以直接处理而无需提前分类。

(3)处理过程独立：本发明无需知道波导结构的具体参数信息。相对于传统模式分析中必须利用结构信息计算临界角来区分不同的模式，本发明在探测条件未知的情况下依旧可以完成工作。实现了后期处理与前期探测的分离，解决了测量过程中的随机信息缺失而导致后续数据失效的问题。

(4)过程简化：本发明中步骤103遍历像素点的时候，只需要任意且仅仅一个方向。简化了传统图像分割中需要沿着至少两个正交方向遍历，且无需知道偏振信息。进而有效的提升了处理速度，满足大量数据快速分析和处理的要求。

实施例1：

结合图1，一种基于形态学的波长敏感模式提取装置，所述装置装置包括波导结构1，后焦面成像装置2，带滤光片的CCD图像传感器3。

进一步地，所述待波导结构1为有源波导，其包括金属膜和光子晶体介质膜。金属膜置于光子晶体介质膜的上方。光子晶体介质膜的顶层掺有有源物质尼罗蓝。其可以在激光照射下辐射荧光。

进一步地，所述后焦面成像装置为常用的泄漏辐射显微镜，其包括油浸物镜、成像透镜和偏振片等主要光学元件，进而完成油浸物镜后焦面信息的收集。

进一步地，带滤光片的CCD图像传感器中的滤光片为中心波长640纳米的带通滤波片，带宽10纳米。

一种根据上述基于形态学的波长敏感模式提取装置的提取方法，包括以下步骤，如图2：

步骤一：所述波导结构在被波长为532纳米的激光辐照后，所发出光信号被后焦面成像装置2收集后由带滤光片的CCD图像传感器3探测收集；

步骤二：所述带滤光片的CCD图像传感器3获取图像后，读取解析获取图像信息；随机设置模式的提取方向，这里设置为水平方向，如图3(a)中黑色虚线；

步骤三：沿此方向遍历选取所有像素点；对每一个选取像素点进行区域生长并进行图像分割处理；填充区域生长的图像并依据计算图像面积，如果面积接近整个图案，则不为波导中的模式，而为背景。根据上述判定选取表征波导中模式的信息，得到不同的模式分割图案，如图3(b)，图3(c)和图3(d)；

步骤四：计算所得图3(b)，图3(c)和图3(d)中分割图案的质心位置，分别为(178.79，558.88)，(561.76，551.40),(947.76，552.98)。

步骤五：设定图像中心的阈值范围，这里设置为图像大小的2％。而图像像素为1125×1125，因此中心阈值范围为(562.5±22.5，562.5±22.5)。因此，只有图3(c)中的图案质心处于图像中心区域内。

步骤六：依据质心位置判断图3(c)对应的模式为波长敏感模式；进而保留完成波长敏感模式的提取。

实施方式二：

结合图1，一种基于形态学的波长敏感模式提取装置，所述装置装置包括波导结构1，后焦面成像装置2，带滤光片的CCD图像传感器3。

进一步地，所述待波导结构1为有源波导，其包括金属膜和光子晶体介质膜。金属膜置于光子晶体介质膜的上方。但不用激光激发其中的有源层，将其当作无源波导测量。

进一步地，所述后焦面成像装置为常用的泄漏辐射显微镜，其包括油浸物镜、成像透镜和偏振片等主要光学元件，进而完成油浸物镜后焦面信息的收集。

进一步地，带滤光片的CCD图像传感器中的滤光片为中心波长670纳米的带通滤波片，带宽10纳米。

一种根据上述基于形态学的波长敏感模式提取装置的提取方法，包括以下步骤，如图2：

步骤一：所述波导结构在被白光辐照后，所反射的光信号被后焦面成像装置2收集后由带滤光片的CCD图像传感器3探测收集；

步骤二：所述带滤光片的CCD图像传感器3获取图像后，读取解析获取图像信息；随机设置模式的提取方向，如图4(a)中黑色虚线；

步骤三：沿此方向遍历选取所有像素点；对每一个选取像素点进行区域生长并进行图像分割处理；填充区域生长的图像并依据计算图像面积，如果面积接近整个图案，则不为波导中的模式，而为背景。根据上述判定选取表征波导中模式的信息，得到不同的模式分割图案，如图4(b)，图4(c)和图4(d)；

步骤四：计算所得图4(b)，图4(c)和图4(d)中分割图案的质心位置，分别为(224.06，621.02)，(560.64，565.77),(969.47，489.18)。

步骤五：设定图像中心的阈值范围，这里设置为图像大小的2％。而图像像素为1125×1132，因此中心阈值范围为(562.5±22.5，566±22.6)。因此，只有图4(c)中的图案质心处于图像中心区域内。

步骤六：依据质心位置判断图4(c)对应的模式为波长敏感模式；进而保留完成波长敏感模式的提取。

本发明技术方案的相关原理为：

波导结构中的各个模式在被激发后在传输过程中回泄漏辐射，被常见的泄漏辐射显微镜收集后可以在后焦面表征为不同的弧线和环线。而每个弧线都对应着不同的模式，如图3和图4。但是不同的模式具有不同的特性，在实验所选用的波导结构中，半径较大的弧线对应于大于临界角出射的折射率灵敏的表面等离激元模式，而半径较小的弧线对应于小于临界角出射的波长灵敏的塔姆模式或者内模式。这些都需要实验人员了解测量时候实验装置的具体参数。而更本质的区别在于，表面等离激元模式对偏振敏感，只能被横磁模激发，意味着在某一方向存在禁带而无法被激发。因此在后焦面中会表现为一个呈现对称的弧线，两个弧线中间存在一个间隙。这在图像处理的形态学中表现为两个独立的区域。而塔姆模式被横磁模和横电模都能激发，即在各个方向都可以被激发。因此在后焦面中会表现为各个方向都有弧线，且每个半径区别很小，宏观上表现为一个圆环。这在图像处理的形态学中则表现为一个独立的区域。因此可以利用此点来进行自动识别和区分。所谓波长敏感模式从实施方式中也可以证明，当选取不同的波长来处理同一个波导结构时候，塔姆模式对应的弧的半径发生了变化，而表面等离激元模式对应的弧几乎不变。所以利用本发明所述的提取方式，无需诸多探测硬件参数即可以快速地让计算机自动识别并提取所需要的波长敏感模式。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于形态学的波长敏感模式提取方法，其特征在于，所述方法应用于基于形态学的波长敏感模式提取装置，所述装置包括：从上到下依次设置的波导结构、后焦面成像装置以及带滤光片的CCD图像传感器；所述波导结构在被激光或者白光辐照后，发出光信号被所述后焦面成像装置收集，由所述带滤光片的CCD图像传感器进行探测得到待测图像，所述带滤光片的CCD图像传感器对所述待测图像进行处理，完成波长敏感模式的提取；所述后焦面成像装置包括由上到下依次设置的油浸物镜、成像透镜和偏振片；

所述方法包括：

对波导结构进行激光或者白光辐照，使所述波导结构发出光信号；

所述光信号被后焦面成像装置收集后由带滤光片的CCD图像传感器探测得到待测图像；所述待测图像表征所述波导结构中的不同模式；

根据设定的提取方向对待测图像中所有像素点进行选取，对选取的像素点进行区域生长并进行图像分割处理，得到不同模式的分割图案；

计算所述分割图案的质心；

判断所述质心是否在波长敏感模式的图像中心预设范围内；

若是，则确定所述分割图案对应为波长敏感模式，进而完成波长敏感模式的提取。

2.根据权利要求1所述的基于形态学的波长敏感模式提取方法，其特征在于，所述波导结构包括金属膜和光子晶体介质膜，所述金属膜置于所述光子晶体介质膜的上方。

3.根据权利要求1所述的基于形态学的波长敏感模式提取方法，其特征在于，所述带滤光片的CCD图像传感器中的滤光片为带通滤波片。

4.根据权利要求1所述的基于形态学的波长敏感模式提取方法，其特征在于，所述激光为单色波长，所述白光为宽带白光。

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