面向目标提取的光学空间微分器件、逆向设计方法及应用

1.本发明属于光子人工微纳结构设计和图像处理技术领域，尤其涉及面向目标提取的光学空间微分器件、逆向设计方法及应用。


背景技术：

2.图像的空间微分在图像处理领域通常作为一种预处理方法用于提取图像特征、压缩图像数据。快速、高效的进行图像的空间微分运算是实现实时边缘检测、目标识别及跟踪的基础，对于人工智能、自动驾驶以及机器视觉等领域具有重要作用。传统的图像处理包括用光学相机采集图像、将光信号转换为电信号、在电域进行计算等步骤，涉及到光学传感器及光电转换器，不仅占用体积大，而且电子器件会由于发热而产生功耗。随着对体积更小、功耗更低、计算速度更快的器件的需求，能够直接对光场进行计算的光学器件体现出一定的研究价值与意义。2014年silva等人首次将光学超表面引入到光学计算器件的设计中，随着微纳光学理论的完善以及纳米制备技术的发展，光学超表面由于其特殊的光学响应和体积小、便于集成的特点，被广泛研究以及应用于光学器件的设计中。
3.早期的研究聚焦于光学超表面所具有的光学响应。超表面由周期性排列的亚波长共振单元构成，能够在亚波长尺度下对光波的振幅、相位和偏振实现灵活精准的调控，成为模拟光学计算器件的研究热点。这类器件的设计依赖于严格的物理学理论，并且需要设计者结合先验的物理效应，对结构的一些特定参数根据经验和理论进行调整从而得到特定的光学响应，从而实现目标功能。基于这种研究法方法设计出的由纳米圆柱和方柱等简单结构组成的超表面已被应用于微分、积分和方程求解等光学计算器件的设计中，然而这种方法不能迁移到另外一种需求的设计中，设计者需要结合自己的直觉和经验重新设计。
4.随着计算技术的进步，许多算法解决优化问题，而光学器件的设计也可以看作一种根据目标功能需求寻找最优结构的问题，因此逆向优化算法被应用于光学器件的设计中。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)现有技术在光学器件设计中需依赖于光学结构的几何特性以及设计者的经验，使得光学器件的实际应用受限。
7.(2)现有技术光学器件设计中设计自由度效果差，而且现有技术器件的总体尺寸大，结构紧凑性差，不便于应用在集成系统中。
8.(3)现有技术中由于器件包含多种介质材料，不利于直接使用双光聚合3d打印技术制备样品。


技术实现要素：

9.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了面向目标提取的光学空间微分器件、逆向设计方法及应用，具体涉及一种适用于生成光学空间微分器件的目标驱动的逆向设计方法，同时提出基于此方法所设计的能对光场图像实现空间微分运算的光学
空间微分器件具体形式。用于对光场图像进行空间微分运算，实现边缘提取、边缘增强以及分割等，实现图像的全光计算。
10.所述技术方案如下：一种面向目标提取的光学空间微分器件逆向设计方法包括以下步骤：
11.s1，根据光学器件的功能需求设定目标空间谱传递函数；
12.s2，根据超表面的设计参数建立优化模型，所述设计参数为介电常数分布，每个迭代过程中对设计参数做一定约束以及二值化处理；
13.s3，判断损失函数是否收敛，收敛就输出优化方案，否则进行梯度计算更新设计参数，然后继续下一个迭代优化过程。
14.步骤一中，基于衍射光学角谱理论与空间傅里叶变换性质，根据光学器件的具体功能需求，确定其在波矢空间的目标传递函数，并增加高斯核函数用于控制传递函数对不同大小空间频率的局部作用，将目标传递函数记为h
obj
(k
x
,ky)。
15.在一个实施例中，光学器件包括一阶光学空间微分器件，实现对光场图像在x或y方向上的一阶微分运算，用于提取出图像的边缘信息，所述一阶光学空间微分器件的目标传递函数形式为：
[0016][0017]
其中k
x
，ky为入射光场分解为基元平面波对应的空间频率，a为透射系数的强度，控制着高斯核函数的局部作用范围，根据具体实际设计调整。
[0018]
在一个实施例中，光学器件包括二阶光学空间微分器件，实现对光场图像在x，y方向上的二阶微分运算，用于增强图像的边缘信息，对图像进行锐化处理，所述二阶光学空间微分器件的目标传递函数形式为：
[0019][0020]
其中k
x
，ky为入射光场分解为基元平面波对应的空间频率，a为透射系数的强度，控制着高斯核函数的局部作用范围，根据具体设计调整。
[0021]
在一个实施例中，步骤二中，对自由形式超表面进行优化，把每一层超表面进行像素化，将每个像素点(x,y)的介电常数ε(x,y)作为设计参数，设置随机相干噪声作为ε(x,y)的初始值，ε(x,y)的取值区间设为[ε
min
,ε
max
]，介于两种介质，其中一种是空气ε
min
＝ε
air
，对ε(x,y)为连续情形的拓扑优化时，在一个优化迭代过程中，对ε(x,y)施加一定的约束条件以及进行二值化处理。
[0022]
在一个实施例中，所述对设计参数ε(x,y)施加一定的约束条件以及进行二值化处理，包括：
[0023]
针对具有对称性的目标传递函数，超表面的结构具有一定的对称性，对ε(x,y)施加一定的约束条件使满足相应的对称性；
[0024]
设计参数ε(x,y)取值为连续变化的，取值区间为[ε
min
,ε
max
]，在梯度计算中ε(x,y)连续的，在使用全波电磁求解器计算器件透射系数时结合tanh函数二值化处理算法使ε(x,y)的取值仅为两种组分材料中的ε
min
或ε
max
。
[0025]
在一个实施例中，步骤三中，使用全波电磁求解器计算一个优化迭代过程中由ε
(x,y)给出的光学器件的空间谱传递函数，此传递函数为光学器件在波矢空间对不同空间频率光场的响应，记为h
sim
(k
x
,ky)；将h
sim
(k
x
,ky)与h
obj
(k
x
,ky)的均方差作为优化迭代过程中的损失函数l，在一次优化迭代过程中计算出l对ε(x,y)的梯度，结合优化迭代过程更新设计参数，使l达到收敛，比较超表面不同周期尺寸下的结果，输出优化方案εo(x,y)。
[0026]
在一个实施例中，所述优化迭代过程中的损失函数形式为：
[0027][0028]
其中i、j表示波矢分量k
x
、ky的采样点，n表示总采样点个数。
[0029]
本发明的另一目的在于提供一种根据所述面向目标提取的光学空间微分器件逆向设计方法设计的光学空间微分器件，所述光学空间微分器件通过双光聚合3d打印技术进行制备而成，具体包括：多层介质的超表面周期性结构；所述超表面周期性结构具有自由几何形式，由两种介电材料组成，其中一种为空气。
[0030]
本发明的另一目的在于提供一种人工智能、自动驾驶以及机器视觉领域光学设备，所述光学设备集成有所述面向目标提取的光学空间微分器件逆向设计方法设计的光学空间微分器件。
[0031]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
[0032]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：
[0033]
本发明提供的面向目标提取的光学空间微分器件基于衍射光学角谱理论和傅里叶变换性质，不需要额外的透镜对光场做傅里叶变换，所述光学空间微分器件直接作用于入射光场图像，在波矢空间实现对光场图像的空间频率调控，从而达到在光域实现处理图像的目的。
[0034]
该器件由多层介质超表面组成，每一层具有自由几何形式分布的介电材料，每层超表面的厚度在百纳米量级，体积非常紧凑。所述设计方法采用目标驱动的逆向优化方法进行器件的设计，具有通用性，可以应用于多种类型空间谱滤波(例如空间高斯滤波)的功能器件设计中，对设计者的先验知识与设计经验依赖程度低，所获得各层图形可以直接应用于双光聚合3d打印技术，从而制备样品。
[0035]
相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：本发明提供以目标驱动的逆向设计方法，方法针对的是光学器件的空间谱传递函数与目标空间谱传递函数的均方差，因此不局限于特定的光学结构，也不局限于特定的目标功能，通过在波矢空间调控不同空间频率的光场的光学器件都可以采用本发明提供的方法进行设计，不依赖于光学结构的几何特性以及设计者的经验。
[0036]
本发明提供的设计方法以超表面的介电常数分布ε(x,y)作为参数，结合拓扑优化算法以及tanh函数二值化算法对介电常数分布ε(x,y)进行迭代处理，有利于使用自由形式超表面结构进行优化，比使用散射阵列结构设计光学空间微分器件的现有技术具有更高的设计自由度，同时可以产生功能更加丰富的传递函数形式；
[0037]
本发明提供的光学空间微分器件直接作用于入射光场，不需要额外使用透镜，器件的总体尺寸在微米量级，具有结构紧凑、体积小的特点，便于应用在集成系统中。
[0038]
本发明提供的光学空间微分器件工作在近红外波长，对单元周期结构内的超表面像素化后每个像素单元的尺度在亚百纳米量级，且器件仅包含两种介质材料，分成具有相同厚度的多层结构，每层内是基本单元按照优化后的周期进行重复排列，有利于直接使用双光聚合3d打印技术制备样品。
[0039]
第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0040]
本发明提供了一种适用于光学空间微分器的目标驱动的逆向设计方法，所述方法通过衍射光学角谱理论和拓扑优化算法相结合而逆向设计光学微分器件，同时提出一种对光场图像实现一阶空间微分运算的一阶光学空间微分器，以及一种对光场图像实现二阶空间微分运算的二阶光学空间微分器。
[0041]
再者，本发明提供的空间微分器件的设计方法，原理是将特定的光学响应作为优化目标，逆向求解光学器件的结构参数。这种方法不需要依赖先验知识选择特殊的光学结构，不需要人工调整结构参数，并且可以将该方法应用于对其他功能的器件的设计中，从而设计出具有更加复杂功能的光学器件。
[0042]
第三、作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0043]
(1)本发明的技术方案可以用于微纳光学产品的设计，不仅局限于光学空间微分器，还包括任何对空间频率光场调控的光学器件。所设计出的产品可以集成到光电系统中，进一步应用于人工智能、自动驾驶以及机器视觉领域中。
[0044]
(2)现有技术或使用散射阵列结构通过共振原理设计空间谱传递函数，或设计光学器件在实空间的光场响应，本发明提供了一种面向目标提取的光学空间微分器件、逆向设计方法，对自由几何形式超表面在波矢空间的光场响应进行逆向设计，填补了在波矢空间通过逆向方法设计光学器件的空白。
[0045]
(3)本发明的技术方案对自由几何形式超表面进行基于生成目标的逆向设计，解决了现有技术使用散射阵列结构而设计自由度低的问题，同时解决了现有技术依赖于设计者的直觉和经验导致设计效率低的问题。
[0046]
(4)现有技术出于集成光学器件和电子器件的目的，局限于使用单层散射阵列超表面结构进行光学器件的设计，本发明的技术方案对多层超表面结构进行设计，器件的整体结构在微米量级，体积紧凑、便于集成，并且相较于单层结构可以设计更加丰富的功能。
附图说明
[0047]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
[0048]
图1为本发明实施例提供的面向目标提取的光学空间微分器件的逆向设计方法流程图；
[0049]
图2为本发明实施例提供的面向目标提取的光学空间微分器件的逆向设计方法原理图；
[0050]
图3为本发明实施例提供的光学空间微分器件结构与工作原理示意图，实际器件主要利用0阶衍射输出；
[0051]
图4为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件的周期微结构基本单元设计输
出，黑色区域为介质，白色区域为空气，该结构由40层自由几何形式超表面堆叠组成，右侧列出其中四层超表面介质材料的空间分布图；
[0052]
图5为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件的目标传递函数与优化方案的传递函数对比；
[0053]
图6(a)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件输入图像一示意图；
[0054]
图6(b)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件对输入图像一进行一阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0055]
图6(c)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件输入图像二示意图；
[0056]
图6(d)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件对输入图像二进行一阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0057]
图7为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件的周期微结构基本单元设计；
[0058]
图8为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件的目标传递函数与优化方案的传递函数对比；
[0059]
图9(a)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件输入图像一示意图；
[0060]
图9(b)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件对输入图像一进行一阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0061]
图9(c)为使用现有技术设计的二阶光学空间微分器件对输入图像一进行二阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0062]
图9(d)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件输入图像二示意图；
[0063]
图9(e)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件对输入图像二进行一阶空间微分运算的输出效果示意图。
[0064]
图9(f)为使用现有技术设计的二阶光学空间微分器件对输入图像二进行二阶空间微分运算的输出效果示意图；
具体实施方式
[0065]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0066]
一、解释说明实施例：
[0067]
如图1所示，本发明实施例提供的面向目标提取的光学空间微分器件的逆向设计方法包括以下步骤：
[0068]
步骤一，根据光学器件的功能需求设定目标空间谱传递函数；
[0069]
步骤二，根据超表面的设计参数建立优化模型，所述设计参数为介电常数分布，每个迭代过程中对设计参数做一定约束以及二值化处理；
[0070]
步骤三，判断损失函数是否收敛，收敛就输出优化方案，否则进行梯度计算更新设计参数，然后继续下一个迭代优化过程。
[0071]
在本发明优选实施例中，步骤一中，基于衍射光学角谱理论与空间傅里叶变换性质，根据光学空间微分器件的具体功能需求，确定其在波矢空间的目标传递函数，并增加高
斯核函数用于控制传递函数对不同大小空间频率的局部作用，将目标传递函数记为h
obj
(k
x
,ky)；
[0072]
在本发明优选实施例中，步骤二中，对自由形式超表面进行优化，把每一层超表面进行像素化，将每个像素点(x,y)的介电常数ε(x,y)作为设计参数，设置随机相干噪声作为ε(x,y)的初始值，ε(x,y)的取值区间设为[ε
min
,ε
max
]，即介于两种介质(其中一种可能是空气ε
min
＝ε
air
)，对ε(x,y)为连续情形的拓扑优化问题时，在一个优化迭代过程中，对ε(x,y)施加一定的约束条件以及进行tanh函数二值化处理；
[0073]
在本发明优选实施例中，步骤三中，使用全波电磁求解器(例如严格耦合波分析法rcwa)计算一个优化迭代过程中由ε(x,y)给出的光学器件的空间谱传递函数，此传递函数即为光学器件在波矢空间对不同空间频率光场的响应，记为h
sim
(k
x
,ky)；将h
sim
(k
x
,ky)与h
obj
(k
x
,ky)的均方差作为优化迭代过程中的损失函数l，在一次优化迭代过程中计算出l对ε(x,y)的梯度，结合优化迭代过程更新设计参数，使l达到收敛，比较超表面不同周期尺寸下的结果，输出优化方案εo(x,y)。
[0074]
在本发明一优选实施例中，根据光学器件的功能需求设定目标传递函数具体包括以下步骤：
[0075]
一阶光学空间微分器件，实现对光场图像在x(或y)方向上的一阶微分运算，可以用于提取出图像的边缘信息，所述器件的目标传递函数形式为：
[0076][0077]
其中k
x
，ky为入射光场分解为基元平面波对应的空间频率，a为透射系数的强度，控制着高斯核函数的局部作用范围，可以根据具体设计调整；
[0078]
二阶光学空间微分器件，实现对光场图像在x，y方向上的二阶微分运算，可以用于增强图像的边缘信息，对图像进行锐化处理，所述器件的目标传递函数形式为：
[0079][0080]
其中k
x
，ky为入射光场分解为基元平面波对应的空间频率，a为透射系数的强度，控制着高斯核函数的局部作用范围，可以根据具体设计调整。
[0081]
在本发明一优选实施例中，步骤二中，所述对设计参数ε(x,y)施加一定的约束条件以及进行二值化处理，包括：
[0082]
针对具有对称性的目标传递函数，超表面的结构应该具有一定的对称性，对ε(x,y)施加一定的约束条件使其满足相应的对称性；
[0083]
设计参数ε(x,y)取值为连续变化的，取值区间为[ε
min
,ε
max
]，在梯度计算中ε(x,y)是连续的，在使用全波电磁求解器计算器件透射系数时需要结合二值化处理算法使ε(x,y)的取值仅为ε
min
或ε
max
，即两种组分材料中的一种。
[0084]
在本发明一优选实施例中，步骤三中，所述优化迭代过程中的损失函数形式为：
[0085][0086]
其中i、j表示波矢分量k
x
、ky的采样点，n表示总采样点个数。
[0087]
在本发明实施例中，如图3-图7所示，本发明实施例还提供一种光学空间微分器
件，包括：
[0088]
多层介质的超表面周期性结构，尺度在微米量级，超表面像素化后每个像素点的尺度在亚百纳米量级；
[0089]
所述超表面周期性结构仅由两种介电材料组成(其中一种可以为空气)，结构形貌具有自由几何形式，可以用双光聚合3d打印技术进行制备。
[0090]
实施例1
[0091]
现有光学空间微分器件的设计方法大多基于亚波长散射结构阵列的共振效应，受限于结构的几何特征，器件传递函数的形式较为简单，且依赖于设计者的先验知识，同时现有设计方法不具有迁移性，在对其它功能的器件进行设计时需要从头开始设计，导致设计效率偏低。
[0092]
为解决上述问题，如图2所示，本发明实施例提供一种面向目标提取的光学空间微分器件的逆向设计方法，包括以下具体步骤：
[0093]
步骤1、产生随机相干噪声作为初始结构
[0094]
本发明对自由形式超表面进行优化，在一个优化迭代过程中，对超表面进行像素化，将每个像素点的介电常数ε(x,y)作为设计参数，设置随机相干噪声作为ε(x,y)的初始值，ε(x,y)的取值区间设为[ε
min
,ε
max
]，即介于两种介质(其中一种可能是空气ε
min
＝ε
air
)，对ε(x,y)为连续情形的拓扑优化问题时，在一个优化迭代过程中，对ε(x,y)施加一定的约束条件以及进行二值化处理；
[0095]
步骤2、使用全波电磁求解器计算波矢空间的透射系数
[0096]
设置光学空间微分器件的波矢k
x
，ky范围，根据波矢与入射面内入射角以及入射面和坐标轴方位角的关系，计算出基元平面波的入射角度和方位角度，波矢和入射光角度关系如公式(1)所示：
[0097][0098][0099]
利用全波电磁求解器(例如严格耦合波分析法rcwa)计算出介电常数分布为ε(x,y)的单元周期结构对于不同空间频率的基元平面波的透射系数，即得到光学器件的空间谱传递函数h
sim
(k
x
,ky)。
[0100]
步骤3、判断损失函数是否达到收敛和极值
[0101]
本发明提供的逆向设计方法的损失函数定义为结构的空间谱传递函数与目标空间谱传递函数的均方差，如下所示：
[0102][0103]
公式(2)中i、j表示波矢分量k
x
、ky的采样点，n表示总采样点个数。
[0104]
步骤4、如果步骤3中的损失函数达到收敛和极值，就结束优化，输出优化结构，否则计算设计参数ε(x,y)的梯度，更新介电常数的分布，然后重复上述步骤2-4。
[0105]
如图3为本发明实施例提供的光学空间微分器件结构与工作原理示意图，实际器件主要利用0阶衍射输出。本发明基于衍射光学角谱理论与空间傅里叶变换性质实现光学器件对光场图像的微分运算，入射光场可以分解为不同波矢分量的平面波的叠加，具有如
下形式：
[0106][0107]
公式(3)中a0(k
x
,ky)表示在波矢k
x
，ky上的复振幅，也可以看作相应波矢在平面波叠加中所占的权重。对公式(3)求二维傅里叶变换可以得到角谱：
[0108][0109]
结合公式(4)与系统传递函数的概念可得，当光场入射到空间谱传递函数为h(k
x
,ky)的光学系统后，该系统光学响应的角谱表示为：
[0110]
a(k
x
,ky)＝h(k
x
,ky)a0(k
x
,ky)(5)
[0111]
公式(5)中的a0(k
x
,ky)表示入射光场的角谱。
[0112]
根据公式(3)和公式(5)可知，当入射光经过一个透射结构后的透射光如下：
[0113][0114]
公式(6)中h(k
x
,ky)表示结构对不同波矢上的平面波分量的透射系数，即空间谱传递函数。根据傅里叶变换的性质，公式(6)可以表示为卷积的形式：
[0115]u′
(x,y)＝f-1
{a0(k
x
,ky)
·
h(k
x
,ky)}＝f-1
{a0(k
x
,ky)}*f-1
{h(k
x
,ky)}(7)
[0116]
由公式(7)可知，透射光场的实空间分布可以看作入射光场和波矢空间透射系数的傅里叶逆变换的卷积。因此，当h(k
x
,ky)具有微分算子的形式时，光学空间微分器件就可以实现对入射光场的微分运算。
[0117]
实施例2：示例性一阶光学空间微分器件设计方法
[0118]
对光场图像进行一阶微分运算如以下公式所示：
[0119][0120]
本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件可以实现对光场图像在x方向上的一阶微分运算，所述器件的目标传递函数在一阶微分算子的基础上增加了高斯核函数，如下所示：
[0121][0122]
公式(9)中具有控制高斯核函数作用范围的功能，其值越大，高斯核函数的局部影响范围就越大。高斯核函数使得微分效果对不同尺度的边缘有特定的敏感度。
[0123]
如图4所示为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件的周期微结构基本单元设计输出，黑色区域为介质，白色区域为空气，该结构由40层自由几何形式超表面堆叠组成，右侧列出其中四层超表面介质材料的空间分布图(其中包括第5层、第15层、第25层、第35层)。
[0124]
如图5所示，左列为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件进行优化设计时定义的目标传递函数，右列为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件在波矢空间的透射系数。
[0125]
图6(a)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件输入图像一示意图；
[0126]
图6(b)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件对输入图像一进行一阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0127]
图6(c)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件输入图像二示意图；
[0128]
图6(d)为本发明实施例提供的一阶光学空间微分器件对输入图像二进行一阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0129]
此例中实施的是水平方向(x方向)微分。可以看出所述一阶光学空间微分器件对入射图像进行了在x方向上的一阶微分运算，提取出了图像的边缘信息，并且无论图像中结构的尺度大小，所述光学微空间分器件对图像的微分计算都具有相同的效果。
[0130]
实施例3：示例性二阶光学空间微分器件设计方法
[0131]
对光场图像进行二阶微分运算如以下公式所示：
[0132][0133]
本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件可以实现对光场图像在x，y方向上的二阶微分运算，所述器件的目标传递函数在二阶微分算子的基础上增加了高斯核函数，如下所示：
[0134][0135]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0136]
二、应用实施例：
[0137]
应用例
[0138]
在本发明实施例所述的光学空间微分器件以及设计方法，能够适用于具有其它目标功能需求的光学器件的设计中。
[0139]
包括但不局限于光学高斯空间滤波器，其具有的空间谱传递函数如下所示：
[0140][0141]
包括但不局限于光学空间积分器，其具有的空间谱传递函数。
[0142]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0143]
三、实施例相关效果的证据：
[0144]
实验
[0145]
如图7所示为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件的周期微结构基本单元设计；图中黑色区域表示介质，白色区域表示空气。该结构由40层自由几何形式超表面堆叠组成，右侧列出其中四层超表面介质材料的空间分布图(其中包括第5层、第15层、第25层、第40层)。
[0146]
如图8所示，左列为本发明实施例所述二阶光学空间微分器件进行优化设计时定义的目标传递函数，右列为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件在波矢空间的透射系数。
[0147]
图9(a)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件输入图像一示意图；
[0148]
图9(b)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件对输入图像一进行一阶空
间微分运算的输出效果示意图；
[0149]
图9(c)为使用现有技术设计的二阶光学空间微分器件对输入图像一进行二阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0150]
图9(d)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件输入图像二示意图；
[0151]
图9(e)为本发明实施例提供的二阶光学空间微分器件对输入图像二进行一阶空间微分运算的输出效果示意图。
[0152]
图9(f)为使用现有技术设计的二阶光学空间微分器件对输入图像二进行二阶空间微分运算的输出效果示意图；
[0153]
可以看出所述二阶光学空间微分器对入射图像进行了在x，y方向上的二阶微分运算，增加了图像边缘的对比度，对图像起到了锐化的作用。本发明技术方案使用了增加高斯核的空间谱传递函数，相比于现有技术设计的二阶光学空间微分运算器件，本发明提供的实施例对输入图像进行二阶微分运算的效果更清晰，对于输入图像中的精细结构也可以得到很好的微分效果。
[0154]
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。