一种透射式图像微分器件及其构成的图像边缘提取系统

本发明可被应用于卫星遥感、计算机视觉等领域，涉及一种可应用于实现图像边缘提取的图像微分器件及其构成的图像边缘提取系统。

背景技术：

对图像进行空间微分能够有选择性的提取图像的高频空间信息，实现对图像边缘信息的增强。边缘信息包含了图像中目标物几何特征最关键的信息，被广泛应用于目标识别、目标重建、图像增强和信息压缩等图像处理技术中。利用电学方法，通过计算机将图像信息转换为数字信号，再对图像进行处理是实现边缘信息提取最常用的方法，但这种方法受限于计算机的计算速度，需要大量功耗，无法满足如自动驾驶等新兴应用对低功耗、实时性的需求。光学模拟方法能够直接对光信号进行处理，通常将振幅掩模放置在4-f光学成像系统的傅里叶平面中心，滤除入射光的低波矢分量能够实现图像微分，能够以最小的功耗实时并行地处理高分辨率图像。然而，4-f系统需要许多笨重的光学元件配合，并且需要振幅掩模版精确地放置在傅里叶平面上。

基于格林函数(其中kx和ky分别为布里渊区的空间波矢量在x和y方向上的分量，波浪号表示傅里叶变换)，通过设计4-f光学成像系统中光学滤波器与入射光角度相关的响应，可以直接实现图像的空间滤波而无需傅里叶变换，这种方法在图像微分器件小型化方面具有巨大潜力，且不需要光学滤波器的精确定位，在近年来引起了极大关注。由介电常数为-2.12至13.85的超材料构成的多层薄膜，能够实现二阶空间微分，但这种具有连续变化介电常数的多层薄膜的加工难以实现。在此基础上，由两种电介质材料制成的多层薄膜也实现了图像的空间微分，但它们都是针对反射模式下的图像微分，需要其他反射元件配合，集成性较差。近些年，利用金属薄膜的表面等离子共振，也实现了在反射模式下p偏振图像的一维(1d)微分。此外，还有利用光子晶体和超构表面实现透射式图像微分的工作，其中一些设计能够进行二维(2d)图像微分并且对偏振不敏感。然而，具有亚波长尺寸的大面积光子晶体/金属表面样品的制造通常需要昂贵且耗时的光刻工艺，这可能会限制其应用。

技术实现要素：

对于目前图像微分器件体积大难以集成、加工难度大、只能够在反射模式下工作、对偏振敏感等问题。本发明通过设计多层薄膜结构的材料、层数和厚度，实现了易加工、高数值孔径、偏振不敏感的二维透射式图像微分器及其构成的图像边缘提取系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种透射式图像微分器件，其特征在于，包括设置于基底之上依次叠设的多层薄膜，相邻两层薄膜的介电常数不同；当入射的光波在多层薄膜间产生多重干涉效应时，通过对多层薄膜的物理参数进行优化设计使得多层薄膜的透射系数与光波入射角度间的传递函数符合二阶微分函数，实现图像微分。

进一步地，多层所述薄膜的物理参数包括多层薄膜的总层数、以及各层薄膜的介电常数和厚度。

本发明还提出一种图像边缘提取系统，包括依次连接的图像加载系统、空间光场微分器件和图像接收系统，其特征在于，所述空间光场微分器件采用上述透射式图像微分器件。

与现有技术相比，本发明具有以下特点及有益效果：

本发明提出的一种透射式图像微分器件，该器件根据多层薄膜间的多重干涉效应，产生强烈的依赖于光波入射角度的透射，通过设计多层薄膜的介电常数、层数和厚度，令多层薄膜的透射系数与光波入射角度间的传递函数符合二阶微分函数，实现对图像的微分。采用优化算法对多层薄膜结构进行优化，可以实现大数值孔径、偏振不敏感的二维空间滤波；且薄膜结构本身相较于超表面光子晶体等结构更易加工，该图像微分器件利用成熟的加工技术，可以很容易地实现大规模制造；数值孔径较大，图像分辨率较高；对入射光的偏振方向不敏感，不需要在由该透射式图像微分器构成的图像边缘提取系统中加入偏振片；能够直接实现二维空间滤波，单次成像不丢失图像信息；进一步地，本发明的透射式图像微分器可以方便地与紧凑型成像系统集成在一起，用于包括但不限于显微镜，消费电子产品和自动驾驶等应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例的一种透射式图像微分器件的结构示意图；

图2是图1所示实施例中，多层薄膜结构的透射系数传递函数的仿真结果；

图3是由图1所示透射式图像微分器件构成的图像边缘提取系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例的一种透射式图像微分器件的结构示意图，该透射式图像微分器件包括设置于基底1-2之上依次叠设的多层薄膜1-1，相邻两层薄膜的介电常数不同；当入射的光波3在多层薄膜间产生多重干涉效应(由薄膜上、下表面反射或折射光束相遇而产生的干涉，不同厚度和介电常数的薄膜产生不同的光程差，叠加在一起形成多重干涉)，即可以在多层薄膜1-1间产生强烈的依赖于入射角度的透射，通过对多层薄膜1-1的物理参数进行优化设计使得多层薄膜的透射系数t与光波入射角度θ间的传递函数符合二阶微分函数，实现图像微分。具体地，多层薄膜的透射系数随光波入射角度的变化即多层薄膜的透射系数与光波入射角度之间的传递函数与多层薄膜的物理参数包括多层薄膜的总层数、各层薄膜的厚度和各层薄膜的介电常数有关；在此基础上，利用优化算法对多层薄膜的物理参数进行优化，可以确定具有对高数值孔径、偏振不敏感等特性的目标传递函数。根据所需传递函数和本透射式图像微分器件应用的工作波段，薄膜材料可以选择介质或金属等能够产生多重干涉的材料制成，如非晶硅、二氧化硅、二氧化钛、金、银等，基底材料可以选择在所需工作波段具有高透射率(透射率≥80％)的材料制成，如二氧化硅、熔融石英等。

采用优化算法优化薄膜的总层数、厚度和介电常数，以目标传递函数与多层薄膜产生的实际传递函数之间的差值作为所述优化算法的损失函数，通过将损失函数最小化最为优化算法的目标函数，优化薄膜的物理参数，能够将多层薄膜的实际传递函数调制为最符合目标传递函数的情况，优化算法可以选用粒子群算法、模拟退火算法、基因算法、凸优化算法、深度学习算法等。损失函数o(kx,ky)的通式表示为：

其中，htarget(·)为目标传递函数；h(·)；kx和ky分别为布里渊区的空间波矢量在x和y方向上的分量。

本实施案例中，为降低加工难度，多层薄膜首先选取加工工艺比较成熟的交替叠放的二氧化硅薄膜1-1-1和二氧化钛薄膜1-1-2，基底为熔融石英1-2，工作波段为532nm。采用粒子群优化算法优化薄膜的层数和厚度，设置群体粒子个数、学习因子、惯性权重范围和搜寻速度等参数，根据实际加工能力设置多层薄膜1-1总厚度的上限值和单层薄膜厚度的上、下限值，本实施例中，设置总厚度的上限设置为15μm，单层厚度上限为1μm，以多层薄膜产生的透射系数与格林函数之间的差值作为所述优化算法的目标函数，损失函数为：

本实施例采用的目标传递函数htarget(kx,ky)为：

其中，α为常数，na为数值孔径；hs(·)、hp(·)分别为s和p偏振方向入射光波的实际传递函数，为待求量。

在此实例中，通过优化得到了由13对二氧化硅薄膜1-1-1和二氧化钛薄膜1-1-2及熔融石英基底1-2组成的结构，其透射系数随角度变化曲线如图2所示，在0.31数值孔径范围内，对于s和p偏振光都实现了符合理想格林函数的传递函数曲线。

本发明还提出一种基于上述透射式图像微分器件构成的图像边缘提取系统，参见图3，该系统包括依次连接的图像加载系统、空间光场微分器件和图像接收系统。

所述图像加载系统包括共光轴设置的光源2和待测物3，光源2产生的光波经过待测物3后携带待测物图像信息并发生散射。

空间光场微分器件设置于待测物3与图像接收系统之间的光路上，空间光场微分器件为透射式图像微分器件1，包括设置于基底1-1上的多层依次叠设的薄膜1-2，通过改变薄膜的物理参数(如薄膜的介电常数、厚度和层数等)，可以在多层薄膜间产生多重干涉效应，从而实现对入射光角度变化的传递函数，所述多层薄膜微分器在一定工作波段附近的传递函数满足格林函数，能够等效空间微分运算，进而实现待测物图像的边缘提取。

所述图像接收系统包括聚焦透镜4和光电探测器5，聚焦透镜4将待测物3由透射式图像微分器件提取的像聚焦在光电探测器5上，光电探测器5将接收到的图像光信号转换为电信号呈现在显示器上。

在光源2照射下，待测物3经空间光场微分器件处理后的图像输入至图像接收系统接收检测。根据所需应用，光源可选择工作波长为可见光到红外波段的激光器等光源，此实例中光源为工作波长为532nm的可见光。本系统对空间光场微分器件的位置无特定要求，空间光场微分器件可以沿着x,y,z三个轴向任意移动，不需要精确放置并能够与图像接收系统直接集成。

最后应说明的是：本发明未详细阐述部分属于本领域的公知技术，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。