专利名称：液晶-乳剂光学梯度滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于一种图象边缘增强和提取技术。
现有技术由于图象边缘增强和提取在光学信息处理、尤其在模式识别中的重要性，已发展了多种图象边缘增强技术。其中具有实时处理功能的，大致可分为高通滤波法和光学微分法。由于图象边缘存在灰度突变，图象的富立叶变换中就显现出高频成分，在光学系统的富立叶面上放置高通滤波器就可滤除图象的低频成分，使图象中的高频成分相对增强，从而图象边缘就会突出显现。光学微分法中的全息微分滤波器能完成图象的微分运算。在图象边缘部位灰度有较大变化，相应的导数值就大，图象边缘也会突出显现出来。
高通滤波法结构简单、容易实现，但输出图象不是单一的物体边缘轮廓，而是一系列光强极大值与极小值分布，使图象边缘显现质量变坏，改进滤波函数也不能从根本上消除多峰值问题。已经证明[1]若将图象以梯度运算的方式作图象边缘增强处理，则后继的相关系统有最大的信噪比和峰值旁瓣比输出。许多光学微分法都只处理一维微分问题，1983年Casasent[2]报导了一种两维求导的全息微分滤波器，但它的制造技术复杂，操作困难较大，它要模拟计算机技术中的Sobel算子功能，要进行八次不同加权量的曝光，光强、相位和空间位置的控制精度要求很高，制作使用滤波器要有良好的防震设备;再者，这种滤波器的光能利用率很低，其结果势必要求在使用中用大功率的激光光源，造成光学处理系统体积庞大，这些都限制了这种全息光学微分方法的实用。
本发明目的提出一种新的滤波函数，按此函数制作相应的光学滤波器-光学梯度滤波器，它能对图象进行梯度运算，符合文献[1]中提出的原则，图象边缘梯度较大，从而使图象边缘增强。与全息光学微分法相比，光学梯度滤波器不但有二维求导功能，而且制作工艺简单，不要求有高的复位精度，有很高的光能利用率，有高的实用性。
发明内容
令F(ρ，φ)＝F1·F2＝D1eiφ·D2ρ，其中φ、ρ为极坐标变量，D1、D2为二个常量。可以证明，若一个光学滤波器的滤波函数具有函数F(ρ，φ)的形式，将这种光学滤波器置于光学系统的富立叶面上，那么光学系统输出面上的图象就与输入面上图象的梯度成正比。因为输入图象的边缘具有较大的梯度，那么在输出图象中就将输入图象的边缘突出地显现出来，从而实现了图象边缘的增强和提取。具有上述滤波函数F(ρ，φ)的光学滤波器称之为光学梯度滤波器。光学梯度滤波器由两部分组成，一部分为相位滤波器F1，另一部分为幅度滤波器F2，它们分别完成F1＝D1eiφ和F2＝D2ρ的作用。
作为此光学梯度滤波器的一个实施例是液晶-乳剂光学梯度滤波器，液晶做成相位滤波器F1，乳剂做成幅度滤波器F2。液晶-乳剂光学梯度滤波器横截面示意图如图(一)所示。B1、B2、B3为玻璃基片，C1、C2是在B1和B2上镀制的氧化铟锡(ITO)的透明电极，L为向列型液晶(P型)，A1、A2是在透明电极C1、C2上蒸镀的一氧化硅(SiO)薄膜，它们作为液晶L的定向膜，液晶L的厚度由衬垫物S的尺寸来控制，衬垫物S为10微米左右的玻璃球，P为玻璃基片B3上感光了的乳剂层(全息干板)。透明电极C2为一般的平面电极，透明电极C1光刻成带有开缝的圆环形状，如图二(a)所示，图中还标明了透明电极的引出线以及偏置电压调节电路。B1C1A1LA2C2B2及偏置电压调节电路组成了液晶相位调制器-相位滤波器。液晶采取平面定向、平行排列的构形，在光的偏振方向与液晶分子定向方向一致时，光的相位延迟与液晶层之间电位差的关系如图二(b)所示。在图二(a)中，由于流经开缝圆环透明电极C1的电流i2的作用，C1的不同的角度上将有不同的电位，适当调节电压u和偏置电阻R1，沿圆周方向一周液晶层L对光的延迟将有2π的位相差，这就完成了F1＝D1eiφ的作用。玻璃基片B2上感光乳剂层P通过控制曝光的方法使其振幅透过率T沿半径方向线性增加，如图三(a)(b)所示，B3和P构成幅度滤波器，完成F2＝D2ρ的作用;相位滤波器和幅度滤波器中心对准后叠放在一起，构成完整的液晶-乳剂光学梯度滤波器。
利用光学梯度滤波器进行图象边缘增强和提取的光学系统如图四，这是普通的4f系统，光学梯度滤波器置于富立叶面上。
图五是微带电路模板边缘提取图，图五、图六是利用液晶-乳剂光学梯度滤波器进行图象增强的两个实例。图六中阶梯减光板灰度跃变处显示出明显的边缘，此外，在图中右上角有一弧形壳线，它对应减光板基板上的一个平底凹陷的边缘，在此边缘处输入图象函数有相位跃变，这说明光学梯度滤波也能显示相位梯度。
发明效果液晶-乳剂光学梯度滤波器能完成图象的二维求导，能清晰地显示图象的边缘，其突出特点是不但能完成图象的二维求导，而且制作工艺简单，抗震性能良好，不需防震台，光能利用率高，可用小功率光源，光功率可小于0.1mw，这对光学系统的小型化和实用化都是很重要的。
图一是液晶-乳剂光学梯度滤波器主体横截面示意图。
图二(a)透明电极C1和C2以及与它们连接的偏置电压调节电路。其中u为低频电压源。
图二(b)相位滤波器中光的相位延迟与液晶之间的电位差的关系。
图三感光乳剂层振幅透过率T沿半径方向变化的关系图。
图四利用光学梯度滤波器进行图象边缘增强和提取的光学系统，图中G为平行激光束，L1、L2为富立叶透镜，XY为图象输入面，X′Y′为图象输出面，ξη为富立叶面，光学梯度滤波器放在ξη面上，X′Y′面处可放置摄象机或其他图象接收装置。
图五微带电路模板的边缘提取图照片。原板中竖直连线宽度为200微米。
图六阶梯减光板边缘提取图照片。
参考文献[1]Y.BarnirandD.Casasent，Pro.Soc.Photo-Opt.
Instrum.Eng.，292，25(1981). D.CasasentandJiabiChen，Appl.Opt.，22，808(1983).
权利要求
1.一种图象边缘增强和提取的二维光学滤波器，其特征在于它由相位滤波器和幅度滤波器两部分组成，两部分滤波器中心对准后叠放在一起，构成光学梯度滤波器，总滤波函数为F=F1·F2=D1eiΦ，D2ρ。
2.由权利要求1所述的相位滤波器，其特征在于是一种液晶相位滤波器，C1和C2分别为镀在基片B1、B2上的氧化铟锡透明电极，C1是有开缝的圆环形电极，A1和A2为一氧化硅薄膜，L为液晶，叠层B1C1A1LA2C2B2及偏置电压调节电路组成液晶相位滤波器，滤波函数F1＝D1eiφ。
3.由权利要求1所述的幅度滤波器，其特征是感光了的乳剂层的幅度透过率沿半径方向线性增加，滤波函数F2＝D2ρ。
全文摘要
一种新的液晶-乳剂光学梯度滤波器，滤波函数为F＝D
文档编号G02B5/24GK1070737SQ9110907
公开日1993年4月7日 申请日期1991年9月17日 优先权日1991年9月17日
发明者郭转运, 母国光 申请人:南开大学