一阶二维微分运算的超构表面边缘检测成像方法和系统

本发明属于显微成像，更具体地说，是涉及一阶二维微分运算的超构表面边缘检测成像方法和系统。

背景技术：

1、一阶二维微分运算函数描述了对输入图像数据的梯度，由于图像可表示为一系列不同强度的点的集合，边缘检测即提取图像的边缘信息提取。利用一阶二维微分运算函数，获取图像各部分的梯度信息，其中，梯度变化较大部分即为图像的边缘，目前现有的边缘检测函数主要是对光瞳函数的振幅透过率与相位透过率进行设计，在系统的出瞳平面处引入对应的振幅、相位调制，便可以实现对系统微分函数的调节。光场的调控通常由传统的光场调控元件来实现，包括振幅/相位掩膜版、空间光调制器、变形镜以及数字微镜器件等等，其中最常用的是空间光调制器，其相位结构的量化等级分布以及调控单元的结构特征决定了零级衍射光斑的存在，零级衍射光斑往往占据了很大一部分的能量，并且经常与调制后的有效图像混叠，使得显示的图像变得昏暗、模糊，严重降低成像质量。同时，空间光调制器通常只能单独调控振幅或者相位，不能同时进行调控。此外，空间光调制器体积较大，使得边缘检测成像光学系统无法集成。

2、为了解决空间光调制器成像质量差、不利于集成且成本较高的问题，引入了超构表面的思想，超构表面是一种由纳米结构组成的人造元件，能够以亚波长的分辨率对入射场的相位、强度和偏振响应进行任意调控，使用超构表面结构代替传统光学元件进行成像，改善了传统基于空间光调制器的三维成像光学系统存在零级高级衍射且难以集成的问题，使元件体积大幅缩小，成像质量也得到改善。此外，可兼容半导体加工工艺的超构表面在大规模生产时，成本远远低于由控制器、液晶面板和通信模块等部分组成的空间光调制器，导致整个系统成本大幅下降，增加其实用性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一阶二维微分运算的超构表面边缘检测成像方法和系统，旨在解决现有技术中基于空间光调制器的三维成像光学系统存在零级高级衍射且难以集成的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一阶二维微分运算的超构表面边缘检测成像方法，包括：

3、步骤1：设计并加工具有一阶二维微分运算函数特性的超构表面；

4、步骤2：基于超构表面和边缘检测图像模型对待测图像进行成像，得到边缘检测图像；

5、步骤3：基于边缘检测图像获取边缘检测结果。

6、步骤1中超构表面的设计步骤包括：

7、对超构表面中的基本单元结构参数进行优化，所述基本单元结构为以蓝宝石为基底上的单晶硅多自由度纳米柱；

8、利用电磁仿真软件gst对优化后的超构表面中的基本单元结构参数进行仿真运算，得到设计后的超构表面。

9、可选的，对优化后的超构表面中的基本单元结构参数进行仿真运算的步骤包括：

10、通过电磁仿真软件cst的频域计算模块对超构表面的基本单元结构进行参数扫描，得到参数曲线；

11、基于所述参数曲线对圆偏振光的透过率进行分析，得到圆偏振光透过率最高的基本单元结构；

12、基于一阶二维微分运算复振表达式得到一阶二维微分运算函数的相位分布；

13、基于所述一阶二维微分运算函数的相位分布对圆偏振光透过率最高的基本单元结构进行周期性排列，得到设计后的超构表面；

14、一阶二维微分运算函数的相位分布的表达式为：

15、

16、公式(1)中，f{}为傅里叶变换操作，e(-x)为超构表面复振幅分布，e像(x)为像面光场的复振幅分布，e物(x)为物面光场的复振幅分布，j为虚数单位，x为以光轴为中心的光场横轴坐标。

17、可选的，步骤1中超构表面的加工步骤包括：

18、选用生长在双面抛光蓝宝石厚度为360nm的单晶硅外延片作为加工材料，将电子束光刻胶pmmaa4以3000转/min的速度旋转涂覆在单晶硅外延片上；

19、采用电子光束光刻技术，在30kv的加速电压，360pa的束流，100×100μm2的写入场条件下，在涂覆在单晶硅外延片上的光刻胶上制备超透镜掩膜；

20、将待测图像放入25％四甲基氢氧化铵溶液中在25℃条件下浸泡2min，浸泡后放入去离子水漂洗20s，然后放入异丙醇溶液中浸泡10s，并用氮气吹干；

21、利用电感耦合离子体进行反应离子刻蚀将超透镜掩膜图案转移到在单晶硅外延片的硅膜上，基于反应离子刻蚀技术对单晶硅外延片进行刻蚀；

22、将刻蚀后的单晶硅外延片浸入10％氢氟酸中浸泡15s，并用离子水对浸泡后的氢氟酸进行清洗，然后使用氮气吹干，得到加工后的超构表面。

23、可选的，对单晶硅外延片进行刻蚀的步骤包括：

24、使用四氟化碳在100w icp功率和100w偏置功率，气体流量为45sccm持续5s，通过干法刻蚀去除单晶硅外延片的表面氧化层；

25、利用溴化氢气体并设置气体流量为100sccm，400w icp功率，100w偏置功率以83nm/min的速度对去除表面氧化层后的单晶硅外延片进行刻蚀。

26、可选的，步骤2中边缘检测图像模型包括照明模块和边缘检测成像模块；

27、照明模块包括透射式照明层和反射式照明层；

28、透射式照明模块包括沿光束传播方向布置的光纤耦合激光器、准直透镜、半反半透镜、显微物镜、超构表面和cmos相机，沿光束传播方向布置的光纤耦合激光器、准直透镜位于同一水平方向上，半反半透镜、显微物镜、超构表面和cmos相机位于同一竖直方向上，且显微物镜、超构表面在竖直方向上的中轴线重合；

29、反射式照明模块包括沿光束传播方向布置的光纤耦合激光器、准直透镜、半反半透镜、显微物镜、超构表面和cmos相机，沿光束传播方向布置的光纤耦合激光器、准直透镜位于同一水平方向上。半反半透镜、显微物镜、超构表面和cmos相机位于同一竖直方向上，且显微物镜、超构表面在竖直方向上的中轴线重合；

30、物面、超构表面、像面构成2f系统，超构表面放在该2f系统的傅里叶平面上。

31、边缘检测成像模块包括透射式边缘检测层和反射式边缘检测层。

32、可选的，步骤2中边缘检测图像的获取步骤包括：

33、基于带成像样品的特性进行划分，若待测图像为透射式待测图像，则放入透射式照明层和透射式边缘检测层获取边缘检测图像；

34、若待测图像为反射式待测图像，则放入反射式照明层和反射式边缘检测层获取边缘检测图像。

35、可选的，获取透射式待测图像的边缘检测的步骤包括：

36、沿光束传播方向布置的光纤耦合激光器发出具有单色性和相干性的激光，经过准直透镜形成平行光，平行光经过透射式待测图像样品出射；

37、通过显微镜和超构表面对透射式待测图像进行成像，得到透射式待测图像的成像，出射的平行光经过超构表面进行基于传输相位的幅值和相位调控，得到透射式待测图像的一阶二维微分运算函数调制图像，使用cmos相机采集透射式待测图像的一阶二维微分运算函数调制图像；

38、对采集的透射式待测图像的一阶二维微分运算函数调制图像进行解算，得到透射式待测图像的光场强度，基于透射式待测图像的光场强度得到透射式待测图像的轮廓信息，完成边缘检测。

39、可选的，获取反射式待测图像的边缘检测的步骤包括：

40、沿光束传播方向布置的光纤耦合激光器发出具有单色性和相干性的激光，经过准直透镜形成平行光，平行光经过待反射式测图像样品出射；

41、平行光通过半反半透镜被物镜吸收，通过显微物中和待测图像待分辨的细节尺寸匹配的数值孔径将半反半透镜吸收的光束均匀投射在反射式待测图像上；

42、经过反射式待测图像样品的反射光透过半反半透镜后通过超构表面进行幅值和相位调控，得到反射式待测图像的一阶二维微分运算函数调制图像，使用cmos相机采集反射式待测图像的一阶二维微分运算函数调制图像；

43、对采集的反射式待测图像的一阶二维微分运算函数调制图像进行解算，得到反射式待测图像的光场强度，基于反射式待测图像的光场强度得到反射式待测图像的轮廓信息，完成边缘检测。

44、一阶二维微分运算的超构表面边缘检测成像系统，包括：

45、超构表面设计加工模块，用于设计并加工具有一阶二维微分运算函数特性的超构表面；

46、边缘检测图像获取模块，用于根据超构表面和边缘检测图像模型对待测图像进行成像，得到边缘检测图像；

47、边缘检测结果获取模块，用于获取边缘检测结果。

48、本发明提供的一阶二维微分运算的超构表面边缘检测成像方法和系统的有益效果在于：

49、1.本发明基于一阶二维微分运算的超构表面边缘检测成像方法和系统，具有易于集成、无零级衍射光斑、成像效率高的优点。

50、2.本发明基于传统的一阶二维微分运算函数成像方法，使用超构表面产生一阶二维微分运算函数调制，不仅避免了零级衍射光斑的影响，提高了能量利用率和成像效率，而且提高了系统的集成化和轻量化。将一阶二维微分运算函数的特点与超构表面的优势相结合，在能够进行高精度边缘检测的同时，降低了系统的复杂程度，使系统更易于集成，满足当下边缘检测系统的使用需求。