[发明专利]基于超表面器件的全光图像处理系统及处理方法

说明书

本发明提供了一种基于超表面器件的全光图像处理系统，所述处理系统包括：光源、超表面透镜、复振幅滤波器和接收屏；其中，所述光源产生圆偏振光经过待测物体之后传播到达超所述表面透镜前表面，穿过所述超表面透镜后继续传播到达所述复振幅滤波器前表面，经过所述复振幅滤波器滤波之后，继续传播到达所述接收屏；其中，超表面透镜和复振幅滤波器的间距可调，其取值范围为0到f之间，其中，f为透镜焦距，在所述接收屏前利用检偏器检偏出正交偏振态之后在所述接收屏上形成滤波之后的图像，所述检偏器设置在所述复振幅滤波器和所述接收屏之间的任意位置。

技术领域

本发明涉及微纳加工和全光学信息处理领域，具体涉及一种基于超表面器件的全光图像处理系统及处理方法。

背景技术

随着越来越多的复杂数字工具在生物成像，三维(3D)重建和自动驾驶汽车领域的应用，图像处理技术已成为各种科学和工程学科的一项关键且快速发展的技术。快速成像，可靠的目标检测和识别是显微镜成像、机器学习和人工智能等应用程序所需的基本功能之一。当前的图像处理方法主要使用集成电路和程序算法，但是标准电子组件的性能(例如速度和功耗)难以提高，因为它们的特征尺寸接近量子极限。其中，基于光子的计算提供了一种潜在的方式来克服这些限制，因为自然的并行操作特性为某些计算任务提供了高速和低功耗的解决方案。近年来，光学超表面的发展使得能够将光精确地控制在亚波长厚度范围内。通过改变微纳结构的横向尺寸和形状，可以有效地调控光场，实现各种传统的光学功能，以取代笨重的传统光学组件，从而打开一个紧凑、轻便和多功能平面光学系统开发的新途径。

在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：

(1)现有的系统中，一些系统体积较大，集成度较低，不能满足消费类电子产品轻便和小型化需求；

(2)由于一些全光图像处理技术方法基本来源于光学差分运算，通过光的空间频率调制或偏振态控制来实现最终目的，无法处理更复杂的操作，比如，边缘提取、图像增强、降噪、滤波和特征提取等。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于超表面器件的全光图像处理系统及处理方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于超表面器件的全光图像处理系统，所述处理系统包括：光源、超表面透镜、复振幅滤波器和接收屏；其中，

所述光源产生圆偏振光经过待测物体之后传播到达超所述表面透镜前表面，穿过所述超表面透镜后继续传播到达所述复振幅滤波器前表面，经过所述复振幅滤波器滤波之后，继续传播到达所述接收屏；其中，超表面透镜和复振幅滤波器的间距可调，其取值范围为0到f之间，其中，f为透镜焦距，在所述接收屏前利用检偏器检偏出正交偏振态之后在所述接收屏上形成滤波之后的图像，所述检偏器设置在所述复振幅滤波器和所述接收屏之间的任意位置。

其中，所述光源为左旋或者右旋圆偏振的激光光源。

其中，所述超表面透镜包括介质衬底和各向异性的电介质纳米结构阵列，所述各向异性的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上，所述各向异性的电介质纳米结构阵列包含多个纳米柱。

其中，所述介质衬底的材料采用蓝宝石，所述各向异性的电介质纳米结构阵列的材料采用单晶硅。

其中，所述各向异性的电介质纳米柱阵列高度是300nm，各向异性的电介质纳米柱阵列周期为250nm，其中各向异性的电介质纳米柱阵列短轴和长轴分别为110nm和180nm，利用透镜相位公式对相位离散成180份，即所述超表面透镜的相位每改变2π/128，所述各向异性的电介质纳米柱面内旋转(180/128)°；在透镜相位公式中，k是光波矢，x和y代表平面直角坐标系的横纵坐标，f是超表面透镜的焦距。