CN112665619A - 一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法，所述自动提取装置包括：激光发射组件、分束镜、油浸物镜、波导结构、成像透镜和CCD图像传感器；所述分束镜设置在所述激光发射组件的激光发射方向上，所述油浸物镜和所述波导结构沿着所述分束镜的反射方向依次设置，所述成像透镜和所述CCD图像传感器沿着所述分束镜的透射方向依次设置；所述CCD图像传感器用于根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。本发明根据波导模式的偏振特性实现了高灵敏传感模式的自动提取。而且本发明结构简单，有利于快速、自动处理大量数据，实用性强。

Description

一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，特别涉及一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法。

背景技术

在光子集成器件的研发当中，鉴于硅基波导的广泛应用，以及集成光学的迅速发展，各式波导结构由于构型多样、便于加工而成为了光学芯片发展中不可或缺的组成部分。其在传感、显示、探测等诸多核心科技中也都具有不可替代的地位，而所有研究的基础大多都从平板波导结构开始，尤其在光波导研发分析领域，完成波导中的模式分析、以及波导间的耦合细节，对集成光学器件的设计至关重要。其中，波导中的不同模式现已被证明可以广泛运用在微纳光学中的传感领域。其灵敏度高、品质因数高等特性也吸引了诸多研究者的关注。但是不同模式的传感灵敏度不同，从而导致不同模式的传感特性也不尽相同。以金属包覆平板波导为例，一般来说表面等离激元模式的损耗往往大于导模的损耗，这意味着波导模式在传感领域的应用范围更广，也能取得更高的品质因数。因此，在一个具有多种模式的高阶波导中，提取合适的波导可以高效地完成相应的传感测量。而现有平板波导结构中的表面模式传感测量中，一般多种模式同时存在，其他模式的存在在某些特定条件下可以提供测量参考，但大多数分析时候则会干扰分析结果。尤其是面对大量测量数据时候，人工逐一分析难以提高分析效率，但目前也鲜见成熟的方式去自动完成单一模式的提取，其主要存在的问题为：(1)模式复杂。高阶模偏振不一致，在各个波导结构中同时存在，计算机难以判别。(2)速度慢。常规的模式分析一般对所有模式进行人工选择并分析，针对传感灵敏度低的模式的分析将会耗费大量时间。(3)分辨率低。传统波导结构的传感区域大多是整个微区部分，这在微纳光学领域一般依旧属于宏观范畴，即便现有部分传感方式结合了显微镜，却没有且难以实现模式的自动化分析。(4)普适性低，现有单模式传感一般针对特定结构，对于一个结构的参数精确控制，保证其只含有单一模式，对加工的精度有较高要求因而造价高，耗时久且不易推广。如何实现高灵敏传感模式的自动提取成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法，以实现高灵敏传感模式的自动提取。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高灵敏传感模式的自动提取装置，所述自动提取装置包括：激光发射组件、分束镜、油浸物镜、波导结构、成像透镜和CCD图像传感器；

所述分束镜设置在所述激光发射组件的激光发射方向上，所述油浸物镜和所述波导结构沿着所述分束镜的反射方向依次设置，所述成像透镜和所述CCD图像传感器沿着所述分束镜的透射方向依次设置；

所述激光发射组件发出的发射激光经所述分束镜反射至所述油浸物镜和所述波导结构，并经所述波导结构反射，得到反射激光；所述反射激光经所述油浸物镜和所述分束镜后被成像透镜收集成像至所述CCD图像传感器；

所述CCD图像传感器用于根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。

可选的，所述激光发射组件包括激光器、扩束透镜和偏振片；

所述扩束透镜和所述偏振片沿着所述激光器的发射方向依次设置。

可选的，所述激光器所发出的发射激光的波长大于或等于760nm。

可选的，所述波导结构从下到上依次包括：聚合物层、金属层和玻璃基底层。

可选的，所述聚合物层的折射率小于或等于1.41、所述聚合物层的厚度大于或等于180nm。

可选的，所述金属层的介质为银，所述金属层的厚度在40nm至50nm之间。

可选的，所述玻璃基底层的折射率大于或等于1.7。

一种高灵敏传感模式的自动提取方法，所述自动提取方法应用于本发明所述的自动提取装置，所述自动提取方法包括如下步骤：

激光发射组件发出的发射激光经分束镜反射至油浸物镜和波导结构，并经波导结构反射，得到反射激光；

反射激光经油浸物镜和分束镜后被成像透镜收集成像至CCD图像传感器；

通过CCD图像传感器根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。

可选的，所述通过CCD图像传感器根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取，具体包括：

采用在所述反射成像结果中的相互正交的两个方向循环选取标记点并基于标记点进行区域生长的方式对所述反射成像结果进行分割，获得多个重建图形；

在多个重建图形中选取图形质心与图形中心的距离大于距离阈值的重建图形作为包含波导模式的待提取图形，得到多个待提取图形；

根据每个待提取图形中的波导模式区域的交角将多个所述待提取图形划分为交角成正交关系的两类；波导模式区域的交角为与所述波导模式区域具有相同二阶中心矩的椭圆的长轴与预设定轴的交角；

将波导模式区域的周长最大的待提取图形所在的类作为横磁模模式类，另一类作为横电模模式类；

在所述横电模模式类中选取波导模式区域的周长最大的波导模式作为反射成像结果的传感模式。

可选的，所述采用在所述反射成像结果中的相互正交的两个方向循环选取标记点并基于标记点进行区域生长的方式对所述反射成像结果进行分割，获得多个重建图形，之前还包括：

对所述反射成像结果进行灰度处理，获得灰度处理后的反射成像结果。

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：

本发明提供一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法，所述自动提取装置包括：激光发射组件、分束镜、油浸物镜、波导结构、成像透镜和CCD图像传感器；所述分束镜设置在所述激光发射组件的激光发射方向上，所述油浸物镜和所述波导结构沿着所述分束镜的反射方向依次设置，所述成像透镜和所述CCD图像传感器沿着所述分束镜的透射方向依次设置；所述CCD图像传感器用于根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。本发明根据波导模式的偏振特性实现了高灵敏传感模式的自动提取。

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为本发明实施例1提供的一种高灵敏传感模式的自动提取装置的结构图；

图2为本发明实施例2提供的一种高灵敏传感模式的自动提取方法的流程图；

图3为本发明实施例3提供的一种高灵敏传感模式的自动提取方法的原理图；

图4为本发明实施例3提供的包含波导模式的待提取图形的示例图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种高灵敏传感模式的自动提取装置及方法，以实现高灵敏传感模式的自动提取。

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发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种高灵敏传感模式的自动提取装置，所述自动提取装置包括：激光发射组件S、分束镜6、油浸物镜2、波导结构1、成像透镜7和CCD图像传感器8；所述分束镜6设置在所述激光发射组件S的激光发射方向上，所述油浸物镜2和所述波导结构1沿着所述分束镜的反射方向依次设置，所述成像透镜7和所述CCD图像传感器8沿着所述分束镜6的透射方向依次设置；所述激光发射组件S包括激光器5、扩束透镜4和偏振片3；所述扩束透镜4和所述偏振片3沿着所述激光器5的发射方向依次设置。

所述波导结构1位于油浸物镜2上且能够反射激光器3所发出激光，其中偏振片3用于控制输入激光的偏振。激光器5所发出的发射激光经过扩束透镜4扩束后经过偏振片3和分束镜6反射至油镜物镜2上部的波导结构1，然后反射激光经过油浸物镜2和分束镜6后被成像透镜7收集成像至CCD图像传感器8。所述CCD图像传感器用于根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。

根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取的步骤为：将所采集记录的反射成像结果进行灰度处理，进而选择正交的两个方向，沿着此方向设定标记点，利用区域生长的方式完成模式的重建和图像的分割，从而提取所有模式。再计算出每个模式在图像中所占的周长以及与此模式区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴与一固定轴的交角，根据交角可以将所有模式分为两大类，且二类交角成正交关系，找出周长最长的模式并舍弃其所处在的一类模式，在剩余一类模式中保留周长最长的模式，判定为所需要提取的传感模式。基于的各波导模式的偏振特性包括：横磁模模式与横电模模式相互正交，横磁模模式的周长大于横电模模式的周长，低阶的横电模模式的灵敏度大于高阶的横电模模式的灵敏度。

其中，所述激光器所发出的发射激光的波长大于或等于760nm。所述波导结构从下到上依次包括：聚合物层、金属层和玻璃基底层。所述聚合物层的折射率小于或等于1.41、所述聚合物层的厚度大于或等于180nm。所述金属层的介质为银，所述金属层的厚度在40nm至50nm之间。所述玻璃基底层的折射率大于或等于1.7。

实施例2

如图2所示，本法明还提供一种高灵敏传感模式的自动提取方法，所述自动提取方法应用于本发明所述的自动提取装置，所述自动提取方法包括如下步骤：

步骤201，激光发射组件发出的发射激光经分束镜反射至油浸物镜和波导结构，并经波导结构反射，得到反射激光。

步骤202，反射激光经油浸物镜和分束镜后被成像透镜收集成像至CCD图像传感器。

步骤203，通过CCD图像传感器根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。

步骤203所述通过CCD图像传感器根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取，具体包括：采用在所述反射成像结果中的相互正交的两个方向循环选取标记点并基于标记点进行区域生长的方式对所述反射成像结果进行分割，获得多个重建图形；在多个重建图形中选取图形质心与图形中心的距离大于距离阈值的重建图形作为包含波导模式的待提取图形，得到多个待提取图形(原理为：只包含背景的重建图形，其图形质心与图形中心基本重合，包含波导模式的重建图形，因为波导模式的存在使其其图形质心与图形中心距离较远)；根据每个待提取图形中的波导模式区域的交角将多个所述待提取图形划分为交角成正交关系的两类；波导模式区域的交角为与所述波导模式区域具有相同二阶中心矩的椭圆的长轴与预设定轴的交角(原理为：横磁模模式与横电模模式相互正交)；将波导模式区域的周长最大的待提取图形所在的类作为横磁模模式类，另一类作为横电模模式类(原理为：横磁模模式的周长大于横电模模式的周长)；在所述横电模模式类中选取波导模式区域的周长最大的波导模式作为反射成像结果的传感模式(原理为：低阶的横电模模式的灵敏度大于高阶的横电模模式的灵敏度，因为低阶的横电模模式位于最外侧，所以周长最长)。所述预设定轴可以为任意方向，一般可以设为水平轴，只要在一次提取中保持不变即可。

其中，所述采用在所述反射成像结果中的相互正交的两个方向循环选取标记点并基于标记点进行区域生长的方式对所述反射成像结果进行分割，获得多个重建图形，之前还包括：对所述反射成像结果进行灰度处理，获得灰度处理后的反射成像结果。

实施例3

结合图3和图4对本发明的高灵敏传感模式的自动提取方法进行详细说明。

如图3所示，本发明的高灵敏传感模式的自动提取方法，首先，激光器5所发出激光经过扩束透镜4扩束后经过偏振片3和分束镜6反射至油镜物镜2，再被聚焦至上部的波导结构1，然后反射光经过油浸物镜2和分束镜6后被成像透镜7收集成像至CCD图像传感器8。

然后，将所采集记录的反射成像结果进行灰度处理，如图4(a)。进而随机选择正交的两个方向，比如图4(a)这的虚线方向，沿着此方向逐一设定标记点。将标记点设为种子点，利用区域生长的方式完成图像重建，期间依照重建图形的形态学参数判定是否为波导模式。这里使用的是区域的质心，如果区域的质心为图像中心附近则为背景，反之为模式。重复上述设定标记点过程直至筛选出所有模式后完成图像的分割，进而提取所有模式，如图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)、和图4(f)。并计算每个模式在图像中所占的周长以及与此模式区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴与一固定轴的交角。这里固定轴设为x轴，因此图4(b)至图4(f)中的各个模式的周长和交角分别为2391.430，929.708，3220.158，2944.810，2345.028和58.15^°、59.08^°、-31.25^°、-31.53^°、-31.41^°。

然后，根据交角将所有模式分为两大类，一类为图4(b)和图4(c)，另一类为图4(d)、图4(e)、和图4(f)。这里显然二类交角近似成正交关系。找出周长最长的模式为图4(d)中的3220.158，所以此模式为表面等离激元模式，即横磁模模式，舍弃其所处在的一类(横磁模模式类)，包括图4(d)、图4(e)、和图4(f)；在剩余一类(横电模模式类)，包括图4(b)和图4(c)中保留周长最长的波导模式图4(b)，此波导模式为横电模模式，即为所需要提取的传感模式。

本发明技术方案的相关原理为：

波导模式的探测：利用泄露辐射显微镜，可以直接透过CCD图像传感器测量波导结构中的多种模式。一般来说，本发明的波导结构属于金属包覆波导结构，而其中横电模模式和横磁模模式在所收集图像上的表现不同，由于其偏振的关系，分别代表横电模模式和横磁模模式的弧形的方向成正交关系。并且由于金属损耗的原因，表面等离激元模式的损耗要大于高阶波导模式，因此，在传感方面的应用中，波导横电模模式成为首选。而低阶模式一般集中在更大的角度区间，在各项异性介质中的传感更具优势，因此一般选取低阶的波导横电模作为高灵敏传感模式。

高灵敏传感模式的提取：在一般的模式分析过程中，需要根据实际光路中的偏振方向来确定CCD图像传感器采集到的模式分别对应的是横电模还是横磁模。在本发明中，无需考虑这一点，本发明的装置一方面保证了表面等离激元模式的存在，另一方面利用了表面等离激元模式损耗大的特点。在自动提取过程中运用此特点完成了横磁模和横电模的分类。进而可以在横电模中提取合适的高灵敏传感模式，促进后期高效的传感研究。同时，所有上述步骤都可以在计算机中自动完成，有利于工作效率的提高。

本发明和传统技术相比的优点为：

(1)无需知道硬件参数：通过所设计结构保障了表面等离激元模式的存在，进而将此模式损耗大的特性加以利用，完成了横电模的识别和提取；避免了传统手段中为区别模式的偏振信息而必须查阅实验装置诸如偏振片方向等硬件信息；

(2)自动化程度高：所提出的高灵敏度传感模式的提取揭示基于模式自身的物理原理，充分应用波导模式和表面等离激元模式间的不同，并运用自动化的图像处理方式完成了物理原理和计算机处理的结合，所有提取步骤可以通过计算机完成而无需人工值守；

(3)处理效率高：自动化的提取步骤可以同时完成大量数据的同时处理，无需人工确认硬件参数，处理速度快；

(4)本发明中有针对性的选取了油浸物镜和波导结构，所用装置一方面不影响显微镜的成像、传感功能，一方面可以完成高灵敏传感模式的自动提取。

(5)本发明通过设定标记点分割所采集图像，利用表面等离激元模式高损耗的特点以及所采集到的各阶模式的偏振特性实现高灵敏传感模式的自动识别和提取。本发明结构简单，有利于快速、自动处理大量数据，实用性强。

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

Claims (10)

1.一种高灵敏传感模式的自动提取装置，其特征在于，所述自动提取装置包括：激光发射组件、分束镜、油浸物镜、波导结构、成像透镜和CCD图像传感器；

所述分束镜设置在所述激光发射组件的激光发射方向上，所述油浸物镜和所述波导结构沿着所述分束镜的反射方向依次设置，所述成像透镜和所述CCD图像传感器沿着所述分束镜的透射方向依次设置；

所述激光发射组件发出的发射激光经所述分束镜反射至所述油浸物镜和所述波导结构，并经所述波导结构反射，得到反射激光；所述反射激光经所述油浸物镜和所述分束镜后被成像透镜收集成像至所述CCD图像传感器；

所述CCD图像传感器用于根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。

2.根据权利要求1所述的高灵敏传感模式的自动提取装置，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器、扩束透镜和偏振片；

所述扩束透镜和所述偏振片沿着所述激光器的发射方向依次设置。

3.根据权利要求2所述的高灵敏传感模式的自动提取装置，其特征在于，所述激光器所发出的发射激光的波长大于或等于760nm。

4.根据权利要求1所述的高灵敏传感模式的自动提取装置，其特征在于，所述波导结构从下到上依次包括：聚合物层、金属层和玻璃基底层。

5.根据权利要求4所述的高灵敏传感模式的自动提取装置，其特征在于，所述聚合物层的折射率小于或等于1.41，所述聚合物层的厚度大于或等于180nm。

6.根据权利要求4所述的高灵敏传感模式的自动提取装置，其特征在于，所述金属层的介质为银，所述金属层的厚度在40nm至50nm之间。

7.根据权利要求4所述的高灵敏传感模式的自动提取装置，其特征在于，所述玻璃基底层的折射率大于或等于1.7。

8.一种高灵敏传感模式的自动提取方法，其特征在于，所述自动提取方法应用于权利要求1-7任一项所述的自动提取装置，所述自动提取方法包括如下步骤：

激光发射组件发出的发射激光经分束镜反射至油浸物镜和波导结构，并经波导结构反射，得到反射激光；

反射激光经油浸物镜和分束镜后被成像透镜收集成像至CCD图像传感器；

通过CCD图像传感器根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取。

9.根据权利要求8所述的高灵敏传感模式的自动提取方法，其特征在于，所述通过CCD图像传感器根据各波导模式的偏振特性对收集成像得到的反射成像结果进行传感模式的提取，具体包括：

采用在所述反射成像结果中的相互正交的两个方向循环选取标记点并基于标记点进行区域生长的方式对所述反射成像结果进行分割，获得多个重建图形；

在多个重建图形中选取图形质心与图形中心的距离大于距离阈值的重建图形作为包含波导模式的待提取图形，得到多个待提取图形；

根据每个待提取图形中的波导模式区域的交角将多个所述待提取图形划分为交角成正交关系的两类；波导模式区域的交角为与所述波导模式区域具有相同二阶中心矩的椭圆的长轴与预设定轴的交角；

将波导模式区域的周长最大的待提取图形所在的类作为横磁模模式类，另一类作为横电模模式类；

在所述横电模模式类中选取波导模式区域的周长最大的波导模式作为反射成像结果的传感模式。

10.根据权利要求9所述的高灵敏传感模式的自动提取方法，其特征在于，所述采用在所述反射成像结果中的相互正交的两个方向循环选取标记点并基于标记点进行区域生长的方式对所述反射成像结果进行分割，获得多个重建图形，之前还包括：

对所述反射成像结果进行灰度处理，获得灰度处理后的反射成像结果。

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