[发明专利]一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统。传统傅里叶光学信息处理基于透镜系统，其结构尺寸大，不易集成。本发明设计了一种表面等离激元空间光场微分器，具有设计简单，器件厚度为纳米尺寸，易于大规模制备，可与硅基器件集成等优点，并以此实现了提取图像边缘的处理。本发明基于金属表面等离激元的特性，通过激发金属与介质界面上的表面等离激元，并控制其空间传播泄漏率和由材料损耗导致的衰减率满足临界耦合条件，实现对输入空间光场进行一阶微分处理，从而完成对输入图像的边缘提取。本发明所提供的边缘提取是一种超快速、实时、大通量的图像处理方法，在医学和卫星图像处理中有重要的技术应用前景。

技术领域

本发明涉及光学信息处理领域，具体是一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统。

背景技术

随着信息技术的迅猛发展，对信息处理性能的需求正在不断地提高。与传统电子器件的信息处理方式相比，光学信息处理技术凭借其高速、超大带宽、低损耗等优势，已经逐渐发展成为一种重要的信息处理手段。传统傅里叶光学信息处理利用了透镜的傅里叶变换特性，通过两块透镜组成4f系统，在其频谱面上选择合适的空间滤波器，进行光场模拟运算，进而实现图像处理。其中利用空间光场微分运算，可以实现的图像边缘提取，从而实时、高速、大通量地进行图像处理，在医学和卫星图像处理中有重要的技术应用前景。

由于传统傅里叶光学信息处理需要光场在自由空间中传播，并由透镜等具有宏观尺寸的光学器件组成，所以此类光学处理方式所需占用的空间过大。为此，利用微纳光学技术，压缩器件尺寸，设计并制备微型化、可大规模集成的光学器件符合市场需求和未来发展趋势。经对现有微纳尺寸的空间光场微分器的文献检索发现，俄罗斯V.A.Soifer教授于2014年3月在Optics Letters上发表文章“Spatial differentiation of optical beamsusing phase-shifted Bragg grating”(基于相移布拉格光栅的空间光束微分器)。该文通过给定各介质层的折射率及厚度等参数，设计了一种复杂的特殊结构相移布拉格光栅，使其在光束斜入射时的反射传递函数符合空间微分运算的要求。利用上述特殊设计的相移布拉格光栅，可以在反射过程中直接得到空间光场的一阶微分。然而正如之前所述，该文中提出的多层介质平板结构极其复杂：由17层特定介质共同组成，其中每一层介质的折射率、厚度等物理参数均经过特殊设计并受到严格要求。该微分器的具体实现对制作工艺的要求太高，因此在此精度要求下实现器件的规模化生产与应用较为困难。

发明内容

本发明针对上述技术尺寸大、不易集成、结构复杂、难制备等的不足，提出了一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法及系统。本发明通过相位匹配激发金属与介质界面上的表面等离激元，控制其空间传播泄漏率和由材料损耗导致的衰减率相等(即满足临界耦合条件)，使得器件在此空间频率附近的传递函数为线性，从而能够在反射或透射过程中直接得到输入光场的一阶空间微分结果，进而实现对图像的边缘提取。本方法中的器件厚度为亚波长量级，以波长约500nm的可见光为例，器件厚度可以控制在20‐200nm，与传统傅里叶方法所需的厘米(cm)量级空间尺寸相比缩小了多个数量级。本发明所提出的图像边缘提取方法具备结构设计简单、易于实现、易与硅基器件集成等优点。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：

一种基于表面等离激元空间光场微分器的图像边缘提取方法，当空间光场在金属与介质的界面上激发表面等离激元，且满足临界耦合条件时，输出光场为输入光场的空间微分结果，从而实现对输入图像的边缘提取处理。所述临界耦合条件为表面等离激元传播过程中的泄漏率等于由材料损耗导致的衰减率。

进一步地，使用不同的激发方式实现金属表面等离激元的激发：当使用光栅耦合方式激发时，金属层设计为光栅结构；当使用棱镜耦合方式激发时，金属层设计为平板结构。