CN115439422B - 二维空间微分运算及图像边缘检测方法及装置 - Google Patents

二维空间微分运算及图像边缘检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二维空间微分运算及图像边缘检测方法及装置。所述方法包括：将携带图像信息的信号光束从第一偏振器件透射形成垂直线偏振光，垂直线偏振光进入第一几何自旋霍尔效应产生器件，实现第一次自旋分裂，产生第一次自旋分裂的图像光束，第一次自旋分裂的图像光束经过与垂直方向成45度的二分之一波片，产生偏振转换的图像光束，偏振转换的图像光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件，实现第二次自旋分裂，产生第二次自旋分裂的图像光束，第二次自旋分裂的图像光束从第二偏振器件透射滤除图像光束的交叠部分的水平线偏振光，透射图像光束的边缘中的垂直偏振分量，本发明能够提取出图像的二维边缘信息，实现二维微分运算。

Description

二维空间微分运算及图像边缘检测方法及装置
技术领域
本发明涉及光学边缘检测技术领域，尤其涉及二维空间微分运算及图像边缘检测方法及装置。
背景技术
当光束在介电界面被反射或折射时，其空间强度分布将经历自旋相关分裂。这种现象，称为光的自旋霍尔效应(spin Hall effect of light,SHEL)，通常认为这是有效自旋轨道相互作用的结果，它描述了自旋(偏振)和光束轨迹的相互影响。几何SHEL作为一种新颖的基本现象，首先在2009年《Physical Review Letters》第103卷第100401页发表的《Transverse Angular Momentum and Geometric Spin Hall Effect of Light》中提出。当从相对于传播方向倾斜的参考平面中观察偏振光束时，光束强度分布呈现出与自旋相关的分裂。与传统的SHEL不同，几何SHEL具有纯几何性质，并通过坡印廷矢量在观察平面上的时间平均通量来评估。与自旋角动量相比，几何SHEL也出现在带有轨道角动量的涡旋光束上。几何SHEL也在紧聚焦的偏振定制光束中表现出来。为了设计独立于探测器响应的光束偏转，通过倾斜偏振片或玻璃片亦可实现自旋相关的光束分裂，展示出一种新颖的几何SHEL。以上所有研究都是基于几何SHEL的基本原理进行的，然而却一直缺乏基于该原理的实际应用的研究。2020年《Optics Letters》第45卷第4期发表的《Spatial differentialoperation and edge detection based on the geometric spin Hall effect oflight》提出了基于几何SHEL的边缘检测，利用两个正交的偏振器滤出边缘信息并且通过倾斜的偏振片产生几何SHEL，从而组成图像的空间微分器。但是，该方法仅能产生某个方向上的一维微分，仅能提取图像某个方向上的边缘信息，这极大地限制了该方法的实际应用场景和价值。因此，实现基于几何SHEL的二维空间微分器成为该原理在实际应用中亟需解决的问题。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种二维空间微分运算及图像边缘检测方法，包括：
令携带图像信息的信号光束从第一偏振器件透射形成垂直线偏振光；
令所述垂直线偏振光进入第一几何自旋霍尔效应产生器件，实现第一次自旋分裂，产生第一次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为垂直线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
令所述第一次自旋分裂的图像光束经过快轴与垂直方向成45度的二分之一波片，产生偏振转换的图像光束，其中，图像光束的交叠部分转换为水平线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；
令所述偏振转换的图像光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件，实现第二次自旋分裂，产生第二次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为水平线偏振光，沿水平方向分离的左边缘和右边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
令所述第二次自旋分裂的图像光束从第二偏振器件透射滤除所述图像光束的交叠部分的水平线偏振光，透射所述图像光束的边缘中的垂直偏振分量。
可选地，所述第一偏振器件为偏振片或格兰棱镜，所述第二偏振器件为偏振片或格兰棱镜。
可选地，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃。
可选地，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为具有水平偏振轴的沿水平方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为具有垂直偏振轴的沿垂直方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片。
可选地，所述偏振片或玻璃片的倾斜角度为10～60度。
第二方面本发明还提供一种二维空间微分运算及图像边缘检测装置，包括：依次设置的第一偏振器件、第一几何自旋霍尔效应产生器件、二分之一波片、第二几何自旋霍尔效应产生器件和第二偏振器件；
携带图像信息的信号光束从第一偏振器件透射形成垂直线偏振光；
所述垂直线偏振光进入第一几何自旋霍尔效应产生器件，实现第一次自旋分裂，产生第一次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为垂直线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述第一次自旋分裂的图像光束经过快轴与垂直方向成45度的二分之一波片，产生偏振转换的图像光束，其中，图像光束的交叠部分转换为水平线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；
所述偏振转换的图像光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件，实现第二次自旋分裂，产生第二次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为水平线偏振光，沿水平方向分离的左边缘和右边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述第二次自旋分裂的图像光束从第二偏振器件透射滤除所述图像光束的交叠部分的水平线偏振光，透射所述图像光束的边缘中的垂直偏振分量。
可选地，所述第一偏振器件为偏振片或格兰棱镜，所述第二偏振器件为偏振片或格兰棱镜。
可选地，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃。
可选地，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为具有水平偏振轴的沿水平方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为具有垂直偏振轴的沿垂直方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片。
可选地，所述偏振片或玻璃片的倾斜角度为10～60度。
本发明的二维空间微分运算及图像边缘检测方法及装置，首先将携带图像信息的信号光束调整为垂直线偏振，然后信号光通过沿水平方向倾斜且水平偏振轴方向的偏振片发生几何自旋霍尔效应，从而产生垂直方向的自旋相关位移，然后利用二分之一波片将信号光转换为水平偏振，通过沿垂直方向倾斜且垂直偏振轴方向的偏振片，发生水平方向的自旋相关位移，通过偏振滤波提取出图像的二维边缘信息，实现二维微分运算。为图像的二维边缘检测提供了一种操作简单、低成本、实用性较强的二维空间微分器和几何自旋霍尔效应的实现方式，与传统的计算机处理图像信息相比，光学运算具有速度快、功耗低、成本低、易于实现的优点。此外，这种光学微分器具有实现实时、高通量和超快速并行图像处理技术的潜力。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1是示出本发明的二维空间微分运算及图像边缘检测方法的一个示例性处理的流程图；
图2是示出本发明的二维空间微分运算及图像边缘检测装置的一个示例的结构示意图。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种二维空间微分运算及图像边缘检测方法，包括：
步骤S101、令携带图像信息的信号光束从第一偏振器件透射形成垂直线偏振光；
步骤S102、令所述垂直线偏振光进入第一几何自旋霍尔效应产生器件，实现第一次自旋分裂，产生第一次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为垂直线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
步骤S103、令所述第一次自旋分裂的图像光束经过快轴与垂直方向成45度的二分之一波片，产生偏振转换的图像光束，其中，图像光束的交叠部分转换为水平线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；
步骤S104、令所述偏振转换的图像光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件，实现第二次自旋分裂，产生第二次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为水平线偏振光，沿水平方向分离的左边缘和右边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
步骤S105、令所述第二次自旋分裂的图像光束从第二偏振器件透射滤除所述图像光束的交叠部分的水平线偏振光，透射所述图像光束的边缘中的垂直偏振分量。
本发明实施例中，步骤S101中所述第一偏振器件为偏振片或格兰棱镜，步骤S105中所述第二偏振器件为偏振片或格兰棱镜。
本发明实施例中，步骤S102中所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃；，步骤S104中所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃。
本发明实施例中，步骤S102中所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为具有水平偏振轴的沿水平方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片；步骤S104中所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为具有垂直偏振轴的沿垂直方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片。
本发明实施例中，所述偏振片或玻璃片的倾斜角度为10～60度。
本发明实施例中的几何自旋霍尔效应，其物理机制源自于光的自旋轨道相互作用。几何自旋霍尔效应可以按照由自旋轨道相互作用产生的几何相位exp(-iσκytanθ)来描述，其中，κy≡ky/k，k是光束的波数，ky是光束沿y方向的空间频率，≡为恒等于，θ是偏振片的倾斜角度，偏振参数σ＝±1，σ＝+1表示左旋圆偏振光、σ＝–1表示右旋圆偏振光。线偏振输入图像经几何相位调制后，左旋和右旋圆偏振分量在垂直于入射面的横向产生一个很小的相对位移，从而发生自旋分裂，或几何自旋霍尔效应，这种几何自旋霍尔效应可以通过偏振界面折射或玻璃界面反射等方式实现。
设输入图像的偏振为沿y方向的垂直线偏振，可表示为
Figure BDA0003807899750000071
其中，|V〉表示垂直偏振、|R〉表示右旋圆偏振、|L〉表示左旋圆偏振，i表示虚数单位。根据几何自旋霍尔效应的特性，沿y方向发生第一次自旋分裂，输出光场表示为
Figure BDA0003807899750000072
其中，x表示水平方向坐标，y表示垂直方向坐标，
Figure BDA0003807899750000073
ψin表示输入图像光场。此时，垂直偏振输入图像中的左旋、右旋圆偏振分量分离，图像沿垂直y方向发生Δy大小的位移，中间交叠部分仍然为垂直偏振，沿y方向分离的上、下边缘分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，此时，实现了第一次自旋分裂。然后利用偏振旋转器件，如快轴与y方向成45度的二分之一波片，将图像交叠部分转换为水平偏振，上、下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，其中图像的水平偏振分量表示为/>
Figure BDA0003807899750000074
其中，|H〉表示水平偏振，利用自旋霍尔效应发生第二次自旋分裂，输出光场表示为/>
Figure BDA0003807899750000075
此时，图像沿水平x方向发生Δx大小的位移，中间交叠部分仍然为水平偏振，沿x方向分离的左、右边缘分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，利用透光方向和交叠部分偏振正交的偏振器滤除交叠部分，提取与偏振器透光方向一致的第一次分裂和第二次分裂的图像边缘，因此偏振滤波后的输出光场为
Figure BDA0003807899750000081
其中，
Figure BDA0003807899750000082
表示y方向偏振符号。
此时，略去y方向偏振符号，用微分形式表示偏振滤波后的输出光场为
Figure BDA0003807899750000083
因此，该输出光场正比于输入图像的二维微分。
输出强度分布为：
Figure BDA0003807899750000084
本发明实施例中的二维空间微分运算及图像边缘检测方法，首先将携带图像信息的信号光束调整为垂直偏振，然后信号光通过沿水平方向倾斜且水平偏振轴方向的偏振片发生几何自旋霍尔效应，从而产生垂直方向的自旋相关位移，然后利用二分之一波片将信号光转换为水平偏振，通过沿垂直方向倾斜且垂直偏振轴方向的偏振片，发生水平方向的自旋相关位移，通过偏振滤波提取出图像的二维边缘信息，通过几何自旋霍尔效应实现二维微分运算，实现图像的二维边缘检测。
如图2所示，第二方面本发明还提供一种二维空间微分运算及图像边缘检测装置，包括：依次设置的第一偏振器件1、第一几何自旋霍尔效应产生器件2、二分之一波片3、第二几何自旋霍尔效应产生器件4和第二偏振器件5；
携带图像信息的信号光束从第一偏振器件1透射形成垂直线偏振光；
所述垂直线偏振光进入第一几何自旋霍尔效应产生器件2，实现第一次自旋分裂，产生第一次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为垂直线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述第一次自旋分裂的图像光束经过快轴与垂直方向成45度的二分之一波片3，产生偏振转换的图像光束，其中，图像光束的交叠部分转换为水平线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；
所述偏振转换的图像光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件4，实现第二次自旋分裂，产生第二次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为水平线偏振光，沿水平方向分离的左边缘和右边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述第二次自旋分裂的图像光束从第二偏振器件5透射滤除所述图像光束的交叠部分的水平线偏振光，透射所述图像光束的边缘中的垂直偏振分量。
本发明实施例中，所述第一偏振器件1为偏振片或格兰棱镜，所述第二偏振器件5为偏振片或格兰棱镜。
本发明实施例中，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件2为偏振片或玻璃；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件4为偏振片或玻璃。
本发明实施例中，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件2为具有水平偏振轴的沿水平方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件4为具有垂直偏振轴的沿垂直方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片。
本发明实施例中，所述偏振片或玻璃片的倾斜角度为10～60度。
携带输入图像的信号光束，经透光方向沿y轴方向的第一偏振器件1(如偏振片、格兰棱镜等)形成垂直线偏振光(VLP)，然后进入第一几何自旋霍尔效应产生器件2(可采用偏振片或玻璃)，实现第一次自旋分裂，图像分离和偏振分布如第一个虚线框图所示，中间交叠部分仍然为垂直偏振，沿y方向分离的上、下边缘分别为左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)。所述第一次自旋分裂后图像光束经快轴与y方向成45度的二分之一波片3进行偏振转换，将图像交叠部分转换为沿x方向的水平偏振光(HLP)，上、下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，如第二个虚线框图所示。所述偏振转换后光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件4，进行第二次自旋分裂，图像分离和偏振分布如第三个虚线框图所示，中间交叠部分仍然为水平偏振光，沿x方向分离的左、右边缘分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。所述第二次自旋分裂后图像光束经透光方向沿y轴方向的第二偏振器件5(如偏振片、格兰棱镜等)进行偏振滤波，滤除水平偏振的交叠部分，透射x、y二维方向图像边缘中的垂直偏振分量，从而实现图像的二维微分运算和边缘检测。
其中，第一几何自旋霍尔效应产生器件2：具有水平偏振轴的沿水平方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片(倾斜角度为10～60度)；第二几何自旋霍尔效应产生器件4：具有垂直偏振轴的沿垂直方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片(倾斜角度为10～60度)。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.二维空间微分运算及图像边缘检测方法，其特征在于，包括：
令携带图像信息的信号光束从第一偏振器件透射形成垂直线偏振光；
令所述垂直线偏振光进入第一几何自旋霍尔效应产生器件，实现第一次自旋分裂，产生第一次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为垂直线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
令所述第一次自旋分裂的图像光束经过快轴与垂直方向成45度的二分之一波片，产生偏振转换的图像光束，其中，图像光束的交叠部分转换为水平线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；
令所述偏振转换的图像光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件，实现第二次自旋分裂，产生第二次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为水平线偏振光，沿水平方向分离的左边缘和右边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
令所述第二次自旋分裂的图像光束从第二偏振器件透射滤除所述图像光束的交叠部分的水平线偏振光，透射所述图像光束的边缘中的垂直偏振分量。
2.根据权利要求1所述的边缘检测方法，其特征在于，所述第一偏振器件为偏振片或格兰棱镜，所述第二偏振器件为偏振片或格兰棱镜。
3.根据权利要求1所述的边缘检测方法，其特征在于，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃。
4.根据权利要求3所述的边缘检测方法，其特征在于，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为具有水平偏振轴的沿水平方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为具有垂直偏振轴的沿垂直方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片。
5.根据权利要求4所述的边缘检测方法，其特征在于，所述偏振片或玻璃片的倾斜角度为10～60度。
6.二维空间微分运算及图像边缘检测装置，其特征在于，包括：依次设置的第一偏振器件、第一几何自旋霍尔效应产生器件、二分之一波片、第二几何自旋霍尔效应产生器件和第二偏振器件；
携带图像信息的信号光束从第一偏振器件透射形成垂直线偏振光；
所述垂直线偏振光进入第一几何自旋霍尔效应产生器件，实现第一次自旋分裂，产生第一次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为垂直线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述第一次自旋分裂的图像光束经过快轴与垂直方向成45度的二分之一波片，产生偏振转换的图像光束，其中，图像光束的交叠部分转换为水平线偏振光，沿垂直方向分离的上边缘和下边缘分别转换为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；
所述偏振转换的图像光束进入第二几何自旋霍尔效应产生器件，实现第二次自旋分裂，产生第二次自旋分裂的图像光束，其中，图像光束的交叠部分为水平线偏振光，沿水平方向分离的左边缘和右边缘分别分裂为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述第二次自旋分裂的图像光束从第二偏振器件透射滤除所述图像光束的交叠部分的水平线偏振光，透射所述图像光束的边缘中的垂直偏振分量。
7.根据权利要求6所述的边缘检测装置，其特征在于，所述第一偏振器件为偏振片或格兰棱镜，所述第二偏振器件为偏振片或格兰棱镜。
8.根据权利要求6所述的边缘检测装置，其特征在于，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为偏振片或玻璃。
9.根据权利要求8所述的边缘检测装置，其特征在于，所述第一几何自旋霍尔效应产生器件为具有水平偏振轴的沿水平方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片；所述第二几何自旋霍尔效应产生器件为具有垂直偏振轴的沿垂直方向倾斜的偏振片，或者沿水平方向倾斜的玻璃片。
10.根据权利要求9所述的边缘检测装置，其特征在于，所述偏振片或玻璃片的倾斜角度为10～60度。
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