CN113655548A - 一种基于超构表面的光学边缘检测设计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超构表面的光学边缘检测设计方法及装置，通过设计偏振多通道超构透镜的焦点分布，该透镜是通过调控纳米柱子的面内尺寸和面向角，单个纳米柱最多可以编码三套独立的透镜相位，赋予不同的透镜不同的偏振信息，使得不同的焦点所成的像发生重叠，通过对重叠的像进行偏振滤光可得到成像物体的轮廓，不同的偏振光的组合可获得不同的物体边缘检测的方法。且此边缘检测的装置可在整个可见光内甚至近红外区域都可用。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学及光学成像领域，特别是涉及一种基于超构表面的光学边缘检测设计方法及装置。
背景技术
图像的边缘检测广泛应用于现代计算器视觉中，它剔除了图像中可以认为不相关的信息，因此能够大幅度的减少数据量的存储与处理，而且又能保留图像的结构属性，然而基于计算机视觉的图像处理会受到以下几个因素的影响，1)有限场景深度带来的聚焦模糊，2)非零半径光源带来的半影模糊，3)光滑物体边缘的阴影，4)物体边缘附近的局部镜面反射或者漫反射等等。它需要成像系统与处理系统两大块协同工作，体积大，设备笨重，造价昂贵。超构表面是由一系列交错单元排列组合而成的，其每个像素可视为一个双折射晶体，因而对偏振的敏感性是其与生俱来的优势之一。基于超构表面的光学边缘检测无需计算机处理，通过对物体的实时偏振成像，运用光学的处理方式处理，相对于计算机视觉处理而言，此方法速度更快，也无需计算机来计算，节省资源。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超构表面的光学边缘检测设计方法及装置。能够实现对任意物体的边缘检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下的方案：
一种偏振多通道的超构透镜，其特征在于，包括由电介质纳米柱阵列和衬底所组成，电介质纳米柱通过一定的方式固定在衬底上。
具体的，此一定的方式包括ALD原子层沉积、离子束溅射、电子束蒸发、热蒸发、ICP电感耦合等离子体、IBE离子束刻蚀等方式。
所述的偏振多通道的超构透镜，所述的电介质纳米柱，衬底材料为一切可用于构造的光学材料，其纳米柱的形状包括圆，矩形等任意规则或者不规则的形状。
所述的单个像素中的电介质纳米柱数量没有限制，可以为单个，也可以为多个。
一种偏振多通道超构透镜的可控焦点分布，将透镜相位与闪耀光栅相位相结合(其相位公式可用公式1表示)，使得透镜的焦点偏离中心位置，每一套透镜都携带着不同的偏振信息，该透镜的焦点个数可根据需求设计，且若需实现本发明内容中的效果，其焦点数量应大于等于三个，将以三个焦点的偏振多通道超构透镜予以示例。
其中λ是工作波长，fi是第i个透镜的焦距，此处所有透镜的焦距都是设计成一样的，
是在焦点在x方向的离轴角，
是在焦点在y方向的离轴角。
对重叠的像进行偏振滤光可得到成像物体的轮廓，不同的偏振光的组合可获得不同的物体边缘检测的方法，通过调控焦点的距离控制两个成像的偏移范围，由于不同的透镜所携带的偏振信息不同，因此，当两束不同的偏振光叠加时，叠加部分的偏振态将发生变化，而非叠加部分的偏振态并没有发生改变，此时通过偏振片滤除叠加部分的偏振光便可得到物体的边缘部分。
所述控制焦点的距离是通过修改透镜的聚焦公式得到的，使得焦点偏离透镜的光轴线。
所述的滤除叠加偏振获得物体边缘信息，叠加部分的偏振光为非叠加偏振光的矢量和，非叠加偏振光包括线偏振光，圆偏振光等等，需要明晰的是只要是两束偏振光和叠加的偏振光可以通过光学系统分离的偏振光都是符合要求的，均在此专利的保护范围内。
根据本发明提供的具体实例，本发明公开了以下技术效果：本发明提出的基于超构表面的光学边缘检测装置是由超构表面以及偏振片的组合构成，此超构表面是由衬底与电介质纳米柱所组成的，通过调控纳米柱的参数，单个纳米柱最多可实现三个独立的通道编码透镜的相位，由于每个透镜所成的像都携带这该物体的偏振信息，根据矢量叠加的原则，重叠像的部分光的偏振态将会发生变化，即为两个独立偏振的光的矢量和。此光学边缘检测装置主要可用于光学偏振成像以及实物的边缘检测，可用于偏振加密，工业检测等行业。
附图说明
为了更加清楚的说明本发明实例或者现有技术方案，下面将对一些需要使用的附图做简单的介绍。
图1为偏振多通道超构透镜示意图。
图2为偏振多焦点功能示意图。
图3为边缘检测原理示意图。
图4为超构透镜边缘检测示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中实例附图，对本发明中的技术方案进行清楚，完整的描述，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超构表面的光学边缘检测设计方法及装置，能够实现三个独立偏振的偏振成像以及物体的边缘检测。
为使本发明实现上述目的，下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
通过设计偏振多通道超构透镜的焦点分布，该透镜是通过调控纳米柱子的面内尺寸和面向角，单个纳米柱最多可以编码三套独立的透镜相位，赋予不同的透镜不同的偏振信息，使得不同的焦点所成的像发生重叠，通过对重叠的像进行偏振滤光可得到成像物体的轮廓，不同的偏振光的组合可获得不同的物体边缘检测的方法。且此边缘检测的装置可在整个可见光内甚至近红外区域都可用。
图1为本发明偏振多通道超构透镜组成示意图。如图1所示，一种偏振多通道的超构透镜包括：衬底1和电介质纳米柱2，所述的电介质纳米柱以一定的方式排列在所述的衬底上，所述衬底包括一切可用的光学材料，包括金属氧化物，半导体单质，一些硅酸盐类等等。纳米柱的高度在设计上没有限制，主要取决于仪器的性能要求。入射的偏振光在经过每一个纳米单元时，其相位都会发生改变，通过模拟不同尺寸大小，高度的纳米柱对相位的改变，生成一个庞大的数据库，在数据库中寻找相位满足要求的对应的纳米柱，如此一个个的寻找对应不同位置的相位，如图1的版图便可生成。
图2为本发明偏振多通道超构透镜的功能示意图。可以看出当不同的偏振光入射此超构透镜时会有三个焦点产生，且此三个焦点是在同一个焦平面，其中有两个焦点设计的距离很小，第三个焦点远离其他两个焦点，并且每个焦点都带有偏振信息。第一焦点远离第二焦点和第三焦点，说明第一焦点是用来成物体的原像的，而第二焦点和第三焦点是用来成物体的轮廓像的。
图3为本发明为边缘检测原理的示意图。如图3所示，当两个焦点携带的偏振分量分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振光时，此时重叠区域的光的偏振状态为其矢量和，即为线偏振，当两种偏振分别是水平线偏振和垂直线偏振时，且两者之间没有相位差时，其合成的偏振为45°或者135°斜偏振。此时若用反向的斜偏振滤光，则叠加部分的光将被滤除，而没有叠加的部分将被保留，如图3所示。
图4为本发明为边缘检测原理的装置示意图。整个装置是由第一偏振片3、偏振多通道超构透镜4和第二偏振片5组成，最终在成像面6处成像。第一偏振片3、偏振多通道超构透镜4和第二偏振片5顺次布置，对一个物体成像之后，不同的偏振滤光后得效果如图4所示，当入射光为水平线偏振或者垂直线偏振时，出射光不加滤光时，三个像都会呈现出来。当两个偏振分量为左旋圆偏光和右旋圆偏光时，物体得原像和其边缘的像会同时出现在成像面上，但是如果两个偏振光的分量是水平线偏振和垂直线偏振的时候，物体的原像是不会出现在成像平面上的，而物体的边缘像会出现在成像平面上，应该说明的是除展示的两种偏振组合之外，还有多种偏振组合可以达到上述的效果，上述的效果只是一种典例，并不能代表全部。
Claims (7)
1.一种基于超构表面的光学边缘检测装置，其特征在于：由第一偏振片、偏振多通道超构透镜和第二偏振片组成，并最终在成像面处成像；第一偏振片、偏振多通道超构透镜和第二偏振片顺次布置；当入射光为水平线偏振或者垂直线偏振时，出射光不加滤光时，三个像都会呈现出来；当两个偏振分量为左旋圆偏光和右旋圆偏光时，物体得原像和其边缘的像会同时出现在成像面上，但是如果两个偏振光的分量是水平线偏振和垂直线偏振的时候，物体的原像是不会出现在成像平面上的，而物体的边缘像会出现在成像平面上。
2.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的光学边缘检测装置，其特征在于：偏振多通道超构透镜包括电介质纳米柱阵列和衬底，电介质纳米柱阵列固定在衬底上。
3.根据权利要求2所述的一种基于超构表面的光学边缘检测装置，其特征在于：所述的电介质纳米柱阵列的形状包括圆形、矩形或者不规则形状。
4.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的光学边缘检测装置，其特征在于：所述的单个像素中的电介质纳米柱数量没有限制，为单个或者为多个。
5.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的光学边缘检测装置，其特征在于：将透镜相位与闪耀光栅相位相结合，使得透镜的焦点偏离中心位置，每一套透镜都携带着不同的偏振信息，透镜的焦点个数根据需求设计，焦点数量大于等于三个。
6.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的光学边缘检测装置，其特征在于：对重叠的像进行偏振滤光可得到成像物体的轮廓，不同的偏振光的组合可获得不同的物体边缘，通过调控焦点的距离控制两个成像的偏移范围，由于不同的透镜所携带的偏振信息不同，当两束不同的偏振光叠加时，叠加部分的偏振态将发生变化，而非叠加部分的偏振态并没有发生改变，通过偏振片滤除叠加部分的偏振光得到物体的边缘部分。
7.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的光学边缘检测装置，其特征在于：叠加部分的偏振光为非叠加偏振光的矢量和，非叠加偏振光包括线偏振光，圆偏振光。
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