本發(fā)明涉及光學(xué)信息處理領(lǐng)域，具體是一種基于表面等離激元空間光場微分器的圖像邊緣提取方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，對信息處理性能的需求正在不斷地提高。與傳統(tǒng)電子器件的信息處理方式相比，光學(xué)信息處理技術(shù)憑借其高速、超大帶寬、低損耗等優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一種重要的信息處理手段。傳統(tǒng)傅里葉光學(xué)信息處理利用了透鏡的傅里葉變換特性，通過兩塊透鏡組成4f系統(tǒng)，在其頻譜面上選擇合適的空間濾波器，進行光場模擬運算，進而實現(xiàn)圖像處理。其中利用空間光場微分運算，可以實現(xiàn)的圖像邊緣提取，從而實時、高速、大通量地進行圖像處理，在醫(yī)學(xué)和衛(wèi)星圖像處理中有重要的技術(shù)應(yīng)用前景。

由于傳統(tǒng)傅里葉光學(xué)信息處理需要光場在自由空間中傳播，并由透鏡等具有宏觀尺寸的光學(xué)器件組成，所以此類光學(xué)處理方式所需占用的空間過大。為此，利用微納光學(xué)技術(shù)，壓縮器件尺寸，設(shè)計并制備微型化、可大規(guī)模集成的光學(xué)器件符合市場需求和未來發(fā)展趨勢。經(jīng)對現(xiàn)有微納尺寸的空間光場微分器的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，俄羅斯V.A.Soifer教授于2014年3月在Optics Letters上發(fā)表文章“Spatial differentiation of optical beams using phase-shifted Bragg grating”(基于相移布拉格光柵的空間光束微分器)。該文通過給定各介質(zhì)層的折射率及厚度等參數(shù)，設(shè)計了一種復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)相移布拉格光柵，使其在光束斜入射時的反射傳遞函數(shù)符合空間微分運算的要求。利用上述特殊設(shè)計的相移布拉格光柵，可以在反射過程中直接得到空間光場的一階微分。然而正如之前所述，該文中提出的多層介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜：由17層特定介質(zhì)共同組成，其中每一層介質(zhì)的折射率、厚度等物理參數(shù)均經(jīng)過特殊設(shè)計并受到嚴格要求。該微分器的具體實現(xiàn)對制作工藝的要求太高，因此在此精度要求下實現(xiàn)器件的規(guī)?；a(chǎn)與應(yīng)用較為困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述技術(shù)尺寸大、不易集成、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難制備等的不足，提出了一種基于表面等離激元空間光場微分器的圖像邊緣提取方法及系統(tǒng)。本發(fā)明通過相位匹配激發(fā)金屬與介質(zhì)界面上的表面等離激元，控制其空間傳播泄漏率和由材料損耗導(dǎo)致的衰減率相等(即滿足臨界耦合條件)，使得器件在此空間頻率附近的傳遞函數(shù)為線性，從而能夠在反射或透射過程中直接得到輸入光場的一階空間微分結(jié)果，進而實現(xiàn)對圖像的邊緣提取。本方法中的器件厚度為亞波長量級，以波長約500nm的可見光為例，器件厚度可以控制在20‐200nm，與傳統(tǒng)傅里葉方法所需的厘米(cm)量級空間尺寸相比縮小了多個數(shù)量級。本發(fā)明所提出的圖像邊緣提取方法具備結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)、易與硅基器件集成等優(yōu)點。

本發(fā)明解決問題所采用的技術(shù)方案如下：

一種基于表面等離激元空間光場微分器的圖像邊緣提取方法，當空間光場在金屬與介質(zhì)的界面上激發(fā)表面等離激元，且滿足臨界耦合條件時，輸出光場為輸入光場的空間微分結(jié)果，從而實現(xiàn)對輸入圖像的邊緣提取處理。所述臨界耦合條件為表面等離激元傳播過程中的泄漏率等于由材料損耗導(dǎo)致的衰減率。

進一步地，使用不同的激發(fā)方式實現(xiàn)金屬表面等離激元的激發(fā)：當使用光柵耦合方式激發(fā)時，金屬層設(shè)計為光柵結(jié)構(gòu)；當使用棱鏡耦合方式激發(fā)時，金屬層設(shè)計為平板結(jié)構(gòu)。

進一步地，使用不同的設(shè)計實現(xiàn)臨界耦合條件，包括改變金屬層的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)等。當使用不同材料時，對于實現(xiàn)臨界耦合條件有不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求。

進一步地，輸入的圖像信息以相干光為載體。

進一步地，在相干光中載入圖像信息并輸出相位型或振幅型光場圖像，且可以實現(xiàn)兩者間的任意切換。

進一步地，基于空間光場微分運算的圖像邊緣提取直接發(fā)生于其在金屬與介質(zhì)界面上的反射或透射過程中。

進一步地，當激發(fā)表面等離激元，且滿足臨界耦合條件時，空間光場微分器件在此空間頻率附近的傳遞函數(shù)為線性，能夠等效空間微分運算，進而實現(xiàn)對圖像的邊緣提取。

一種基于表面等離激元空間光場微分器的圖像邊緣提取系統(tǒng)，包括：圖像信息加載系統(tǒng)、空間光場微分系統(tǒng)和圖像接收系統(tǒng)。其中圖像信息加載系統(tǒng)的輸出與空間光場微分系統(tǒng)的輸入相連，空間光場微分系統(tǒng)的輸出與圖像接收系統(tǒng)相連。所述圖像信息加載系統(tǒng)以相干光為載體加載輸入圖像。所述空間光場微分系統(tǒng)，包括介質(zhì)-金屬層結(jié)構(gòu)的表面等離激元微分器和空間頻率耦合模塊，其中表面等離激元微分器接收輸入光場后，激發(fā)的表面等離激元滿足臨界耦合條件時，輸出光場為輸入光場的空間微分結(jié)果，實現(xiàn)對圖像的邊緣提取處理；所述臨界耦合條件為表面等離激元傳播過程中的泄漏率等于由材料損耗導(dǎo)致的衰減率?？臻g頻率耦合模塊用于調(diào)整輸入光場的空間頻率，通過相位匹配激發(fā)微分器中的金屬表面等離激元使其正常工作。

進一步地，所述圖像信息加載系統(tǒng)能夠在相干光中載入圖像信息并輸出相位型或振幅型光場圖像，且可以實現(xiàn)兩者間的任意切換。

本發(fā)明原理為，通過相位匹配激發(fā)介質(zhì)‐金屬界面上的表面等離激元，并控制其空間傳播泄漏率和由材料損耗導(dǎo)致的衰減率相等(即滿足臨界耦合條件)，此時器件在此空間頻率附近的傳遞函數(shù)為線性，從而能夠在反射或透射過程中直接得到輸入光信號的一階空間微分結(jié)果，進而實現(xiàn)對輸入圖像的邊緣提取。

本發(fā)明有益效果如下：本發(fā)明基于微納光學(xué)技術(shù)，所設(shè)計的器件的厚度為亞波長量級，以波長約500nm的可見光為例，器件厚度可以控制在20-200nm，比傳統(tǒng)傅里葉方法中的厘米(cm)量級縮小了多個數(shù)量級，更符合微型化、易集成的要求。同時，本發(fā)明所提出的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，并且能夠良好地兼容現(xiàn)如今較為成熟的鍍膜等技術(shù)工藝，為大規(guī)模的光電器件集成及生產(chǎn)、應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。實際應(yīng)用效果方面，在光學(xué)信息處理技術(shù)的高速、低功耗、大帶寬等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還具有較高的計算精度及空間分辨率，其最小分辨間隔可以達到10um。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例的裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖3(a)為實施例表面等離激元微分器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(b)為傳遞函數(shù)；

圖4(a)、(b)、(c)、(d)為實施例效果圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，為基于表面等離激元空間光場微分器的圖像邊緣提取系統(tǒng)的實施例，包括:圖像信息加載系統(tǒng)，空間光場微分系統(tǒng)和圖像接收系統(tǒng)。其中圖像信息加載系統(tǒng)的輸出與空間光場微分系統(tǒng)的輸入相連，空間光場微分系統(tǒng)的輸出與圖像接收系統(tǒng)相連。

所述圖像信息加載系統(tǒng)，包括可調(diào)激光器、空間光調(diào)制器、相干成像系統(tǒng)。可調(diào)激光器輸出單色連續(xù)激光，其輸出端與空間光調(diào)制器相連，將空間光調(diào)制器控制端所載入圖像信息加載到激光中，產(chǎn)生相位型光場圖像。所述的相干成像系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑾辔恍凸鈭鰣D像轉(zhuǎn)化為振幅型光場圖像，并且可以實現(xiàn)相位型與振幅型光場圖像之間的任意切換。

所述空間光場微分系統(tǒng)為通過耦合激發(fā)介質(zhì)-金屬表面等離激元進而實現(xiàn)空間光場微分的結(jié)構(gòu)，包括表面等離激元微分器和空間頻率耦合模塊。其中表面等離激元微分器為介質(zhì)-金屬層結(jié)構(gòu)，改變金屬層的物理參數(shù)(如金屬層材料的種類，金屬層結(jié)構(gòu)的厚度等)可以使其滿足臨界耦合條件，即當激發(fā)金屬表面等離激元時，其在此結(jié)構(gòu)中的空間傳播泄漏率與由材料損耗導(dǎo)致的衰減率相等。所述表面等離激元微分器在此空間頻率附近的傳遞函數(shù)為線性，能夠等效空間微分運算，進而實現(xiàn)圖像的邊緣提取。空間頻率耦合模塊用于激發(fā)介質(zhì)-金屬界面的表面等離激元：可以通過旋轉(zhuǎn)器件平臺來調(diào)節(jié)輸入光信號的空間頻譜使其滿足相位匹配條件而激發(fā)表面等離激元微分器中的金屬表面等離激元，使表面等離激元微分器正常工作在線性傳遞函數(shù)處。常用的耦合方式包括有光柵耦合、棱鏡耦合等。在光柵耦合中器件的金屬層被設(shè)計為光柵結(jié)構(gòu)，而在棱鏡耦合中金屬層被設(shè)計為介質(zhì)-金屬的多層平板結(jié)構(gòu)。具體可以根據(jù)對器件性能、結(jié)構(gòu)等因素的不同需求，選取合適的耦合方式。

所述圖像接收系統(tǒng)包括成像系統(tǒng)和光束分析儀?？臻g光場微分系統(tǒng)的輸出與成像系統(tǒng)相連，經(jīng)空間光場微分系統(tǒng)處理后的圖像通過成像系統(tǒng)輸入至光束分析儀中接收檢測。

如圖2所示，為實施例采用棱鏡耦合激發(fā)方式實現(xiàn)對空間光場的一階、一維微分處理，進而實現(xiàn)圖像邊緣提取的裝置結(jié)構(gòu)圖示。可調(diào)激光器輸出波長為532nm的單色連續(xù)激光，通過準直器輸出光束束腰半徑約為1.2mm。擴束透鏡組采用焦距分別為60mm和400mm的雙膠合消色差透鏡1、2，用來調(diào)控光束的束腰半徑及空間傳播發(fā)散角，使其匹配空間光調(diào)制器的尺寸以便于充分地向光束中加載信息。偏振片1用來調(diào)控光信號的偏振狀態(tài)，使其線偏振方向與空間光調(diào)制器的液晶面板長軸同向，以符合空間光調(diào)制器對入射光偏振態(tài)的可調(diào)制要求。光信號經(jīng)擴束和起偏后，輸入至空間光調(diào)制器，從而使空間光調(diào)制器控制端所輸入的待處理圖像信息加載至激光中，然后通過相干成像系統(tǒng)輸出。相干成像系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，能夠控制空間光場信號在相位型和振幅型之間自由切換，并通過由焦距分別為500mm和150mm的雙膠合消色差透鏡3、4所組成的成像系統(tǒng)，將圖像信息完整地輸入至表面等離激元微分器。其中偏振片2用以調(diào)控入射到表面等離激元微分器上的光信號的偏振態(tài)，使之以p偏振態(tài)入射，以備激發(fā)器件中的金屬表面等離激元?？臻g頻率耦合模塊由反射鏡組、棱鏡及固定表面等離激元微分器的可旋轉(zhuǎn)平臺組成，通過調(diào)整其旋轉(zhuǎn)角度來調(diào)整輸入光信號的空間頻譜，使其滿足相位匹配條件并激發(fā)微分器件中的金屬表面等離激元，使器件正常工作，此時在光束反射過程中，器件通過對輸入空間光場的一階、一維微分運算，實現(xiàn)了對輸入圖像的邊緣提取。表面等離激元微分器的輸出光信號與成像系統(tǒng)相連，經(jīng)微分器件處理后的光場圖像通過由焦距分別為200mm和400mm的雙膠合消色差透鏡5、6所組成的成像系統(tǒng)輸入至光束分析儀中接收、記錄。

圖3(a)為基于金屬表面等離激元的空間光場微分器件結(jié)構(gòu)示意圖，此實施例中器件采用棱鏡耦合激發(fā)方式下的介質(zhì)-金屬平板層狀結(jié)構(gòu)。具體為K9玻璃-銀的平板層狀結(jié)構(gòu)，器件大小約12mm*12mm，K9玻璃在532nm波長處的折射率為1.516；銀薄膜厚度約49nm，由磁控濺射技術(shù)鍍于上述K9玻璃襯底上。輸入光信號經(jīng)相干成像系統(tǒng)后，由玻璃介質(zhì)一側(cè)輸入至微分器件，在銀薄膜與空氣的界面上激發(fā)金屬表面等離激元后反射輸出。圖3(b)為此實施例中空間光場微分器件的傳遞函數(shù)的測量結(jié)果與擬合結(jié)果，其中諧振峰深度達到0.0170，意味著器件基本達到了臨界耦合的要求。

如圖4所示，為通過上述裝置對光場進行一維、一階微分處理實現(xiàn)圖像邊緣提取的實例。在空間光調(diào)制器中加載不同的信息，調(diào)整空間光調(diào)制器的輸出光如圖4(a)、(c)所示，分別為相位型字符圖樣、振幅型圖形圖樣，相應(yīng)地在光束分析儀中可檢測到處理后光信號如圖4(b)、(d)所示，分別對應(yīng)輸入信號的空間微分結(jié)果?？梢钥吹?，兩種輸出光中均檢測到并保留了輸入光場中電場變化較大的邊緣部分，而消除了變化緩慢的相對均勻部分，即利用空間微分運算實現(xiàn)了對圖像的邊緣提取處理。其實驗效果與理論結(jié)果十分接近，從而證明了該方法的可行性。