CN117369123A - 一种基于超表面的二维光学微分实现装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面的二维光学微分实现装置与方法，旨在解决原有方法中结果精度不可调、工作波长及视场受限的缺点，可应用在基于图像边缘检测的目标识别等领域。所述装置包括特制的复振幅调制超表面和加入圆偏振滤波的4f系统，所述方法旨将特制的复振幅调制超表面放置在4f系统频谱面，输入图像经过系统频谱面处超表面复振幅调制后，在输出面由两个重叠区域干涉相消的位错图像实现图像的二维光学微分。本发明克服原有技术的缺点，可广泛应用在多个可见光波段或白光条件下的图像边缘检测技术中。
Description
技术领域
本发明涉及目标识别技术、信息光学技术领域，具体涉及一种基于超表面对傅里叶变换频谱进行复振幅调制的二维光学微分实现装置与方法。
技术背景
对于人类视觉和机器视觉来说，边缘是图像最有价值的信息之一。图像边缘检测技术广泛应用于图像处理和识别领域，也在生物、医学和人工智能领域发挥着至关重要的作用。传统边缘检测主要是数字图像处理方法，通过集成电路实现。光学图像边缘检测基于光学微分的原理，相较于传统方法具有速度快、耗能低、能够并行处理以及信息容量大等优点，逐渐成为提高目视系统分辨率和机器识别速度的关键技术。随着器件小型化、集成化的趋势，近年来，基于超表面实现光学微分的工作发展迅速。目前，研究仍受限于超表面调制函数设计、多层介质耦合等实现原理，存在精度不可调、工作波长及视场受限的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于超表面的二维光学微分实现装置与方法，旨在解决原有方法中精度不可调、工作波长及视场受限的缺点。
本发明的目的可以采取如下的技术方案实现：
一种基于超表面的二维光学微分实现装置与方法，所述装置为特制的复振幅超表面和加入偏振滤波的4f系统，4f系统由两个傅里叶变换透镜、λ/4波片和偏振片组成；所述方法为将特制的超表面放置于4f系统频谱面，在相干光照射下，输入图像经第一个透镜傅里叶变换为频谱分布，被放置在系统频谱面的超表面调制振幅和相位。调制后的频谱经过第二个透镜的傅里叶逆变换，在4f系统输出面产生两个位错的图像并在重叠区域干涉相消，再通过λ/4波片和偏振片的偏振滤波作用，输出二维光学微分结果。
具体地，特制的复振幅调制超表面用于频谱滤波，其加载的复振幅调制函数表示为
式中，和/>分别为超表面所引入的两个几何相位，f1和f2为两个不同的等效焦距，其差值决定着二维光学微分结果的分辨率，f为4f系统中透镜的焦距，λ为光波长，/>
进一步地，采用双几何相位方法设计超表面，使其实现公式(1)所期望的复振幅调制。超表面的单元结构为四原子结构，该结构由四个多晶硅纳米柱结构对称放置在二氧化硅衬底上构成，其中对角和反对角上的两个纳米柱分别具有相同的排列旋转角θA和θB。当单个纳米柱结构等效的相位延迟为π时，任意圆偏振光经四原子结构调制后，产生与旋转角度相关的几何相位其中±对应了入射圆偏振光的自旋角动量符号，其透射场可表示为两个几何相位调制下的干涉场，即满足
进一步地，找出符合等效相位延迟为π的单个纳米柱结构几何尺寸，结合公式(1)和(2)，在双几何相位满足和/>的条件，确定排列超原子的旋转角度θA和θB。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
1.本发明可以实现任意精度的二维光学微分，所提出的复振幅调制函数中f1和f2直接影响微分结果精度，在理想条件下可以使得微分结果的精度趋于无穷大。
2.本发明可以实现可见光全波段下的二维光学微分，采用的复振幅调制超表面由纯几何相位的方法设计，几何相位仅仅与多晶硅纳米柱的排列旋转角有关，与波长无关，使得超表面在多个可见光波段下可以实现类似的复振幅函数调制。
3.本发明实现二维光学微分不受视场角限制，采用的复振幅调制超表面为透射型超表面，其响应特性与入射角度无关。
4.本发明可广泛应用在多个可见光波段或白光条件下的图像边缘检测技术中，例如生物样品观察、医疗诊断、自动驾驶、物品识别等。
附图说明
图1为本发明提出的方法所设计的超表面实现二维光学微分的工作系统示意图，包括输入面1、傅里叶变换透镜2、超表面3、傅里叶变换透镜4、λ/4波片5、偏振片6和观察面7；
图2为实施例中所设计的复振幅调制超表面器件的振幅透过率函数分布图；
图3为实施例中所设计的复振幅调制超表面器件的相位调制函数分布图；
图4为实施例中采用复振幅调制函数实现二维光学微分的数值计算结果；
图5为本发明提出的方法中的多晶硅四原子单元结构示意图；
图6为实施例中利用所设计的复振幅调制超表面在白光条件下的实验结果。
具体实施方式
为凸显本发明的发明目的、特征、优点，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，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。
实施例
本实施例提供一种基于复振幅调制超表面实现可见光全波段下二维光学微分的装置与方法。采用傅里叶变换透镜焦距f为7.5cm，选取复振幅调制函数的两个聚焦相位对应的焦距为f1＝1m、f2＝1.5m，由此得到复振幅调制函数如图2和图3，带入数值计算验证结果如图4。
本实施例中所设计的超表面包含两个部分，上层为多晶硅纳米柱，下层为二氧化硅衬底。采用的多晶硅纳米柱高度为H＝590nm，单元结构的周期为P＝300nm，纳米柱长为W＝100nm，宽为L＝188nm。
本实施例采用图5所示的四原子单元结构，根据几何相位及图2、3的复振幅分布，设计了四原子超表面的排列旋转角θA和θB，使用电子束曝光和等离子刻蚀的方法完成超表面的制备。
本实施例在白光入射下对洋葱鳞片叶内表皮细胞进行了二维光学微分所得实验结果如图5所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何在本发明的精神实质与原理之内，所做的任何修改、替换、改进、组合、简化等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于超表面的二维光学微分实现装置与方法，其特征在于：采用改良后的4f系统和特制的复振幅调制超表面。其中，改良后的4f系统由两个傅里叶变换透镜、λ/4波片和偏振片组成，特制的复振幅调制超表面需放置于4f系统的频谱面。
2.如权利要求1中所述的一种基于超表面的二维光学微分实现装置与方法，其特征在于：复振幅调制函数由两个焦距不同的聚焦相位构成，其具体形式为
式中，和/>分别为超表面所引入的两个几何相位，f1和f2为两个不同的等效焦距，两者之差决定着二维光学微分结果的精度，f为4f系统中透镜的焦距，λ为光波长，/>
3.如权利要求1中所述的一种基于超表面的二维光学微分实现装置与方法，其特征在于：超表面由多晶硅纳米柱垂直放置在二氧化硅衬底上构成，超表面设计时采用双几何相位方法，即超表面的振幅和相位调制函数等于双几何相位叠加场的振幅和相位函数。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种基于超表面的二维光学微分实现方法、光学元件、光学系统等。
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