1.本发明涉及一种基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法。目前已有的光学边缘检测系统所提取的边缘方向和边缘分辨率难以实时调节，本发明通过联合两几何相位光学元件对已有的光学边缘检测系统进行了改进，提出一种新型的实时可调节边缘方向和边缘分辨率的方法，可实现多种方向的、全二维的、分辨率可调的图像边缘获取。本方法相较于已有的光学边缘检测方法在实时可调性、灵活性上具有特别的优势，属于模拟光学计算范畴，可应用于全光学图像处理等领域。
技术背景
2.通常的图像处理方法是通过相机采集图像，将光信号转化为电信号之后编码储存，处理时将其复原后进行计算操作，该方法过去已经发展得较为成熟。但是数字图像处理存在着先采集后处理的问题，实时性较差。随着需要处理的图像数据量越来越庞大，图像处理存在着严重的时延且耗费大量电能，这限制了图像计算和处理的发展。为了达到实时、节能、并行计算的目的，近年来有研究者提出了全光学模拟计算的方法，即用光学系统实现各种数学计算。由于真空中的光速是信息传输的最快速度，理论上全光学模拟计算的速度可以到达光速，且无需消耗过多能量，因此全光学模拟计算成为了光学领域新兴的、极具潜力的发展分支。
3.由于边缘信息是物体的基本特征,人类视觉对边缘信息具有较高的灵敏度，边缘检测成为了光学模拟计算中的一个重要的研究方向。目前已经有许多的光学方法可以实现边缘的提取，例如利用布拉格光栅的相移特性对入射光实现差分运算，利用等离子体暗场的显微镜，等等。公开专利显示有利用台阶结构的反射镜实现光学微分和希尔伯特运算转换的光学系统。
4.近年来光学微纳加工技术的发展使设计基于几何相位的微纳光学元件来实现数学运算成为可能。例如专利基于超构表面的光学边缘检测设计方法，该方法通过调控纳米柱子的面内尺寸和面向角使得不同偏振通道的透镜焦点所成的像发生重叠，再进行偏振滤光得到图像的边缘。但是通过单个几何相位光学元件实现边缘提取的方法同样存在着不够灵活的问题，例如，一旦几何相位光学元件制作完成，边缘提取的维度和方向不可调整，边缘提取的分辨率也难以调节。基于超构表面的光学边缘检测设计方法的专利可以设计多样的用于边缘检测的超构表面，但超构表面设计制作完成后也不能对边缘的性质进行调节。在实际中常常需要对感兴趣的边缘方向进行重点观测，有时还需要调整边缘分辨率以便观察，因此需要更灵活的边缘检测方法。这些问题使光学边缘检测的实际应用受到了限制。
技术实现要素：5.本发明的技术解决问题是：针对目前已有的光学边缘方法，本方法对已有的光学边缘检测方法进行了改进，提出了级联两个几何相位光学元件实现实时可调的不同方向的
边缘检测，且可以实时调节边缘分辨率的方法，通过实验完成了多种方向的、全二维的、分辨率可调的图像边缘检测，本方法相较于已有的光学边缘检测方法在实时可调性、灵活性上具有优势，在可调式图像边缘提取方面取得了较好的效果。
6.本发明的技术解决方案是：
7.本发明涉及一种基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法，其主要包括以下步骤：
8.(1)将光源准直扩束后通过一个偏振片，得到准直、单向偏振、光斑较大的光源。
9.(2)搭建4f系统，将两个凸透镜之间的距离调整为焦距之和，使光束平行出射。在频谱面上放置第一个几何相位光学元件，安装第二个几何相位光学元件下方的位移台，将第二个几何相位光学元件放置在位移台上，调整位置和高度，使两个几何相位光学元件对齐，将需要进行边缘检测的物体放置在物面上，将相机放置在像面上。
10.(3)调节第二个几何相位光学元件下的水平位移台在轴向上的位移，使得此时像清晰。微调第二个几何相位光学元件上的旋钮，使其在横向和纵向与另一个几何相位光学元件精细对齐，在相机前放置偏振片，旋转偏振片使边缘清晰度达到最高。
11.(4)微调第二个几何相位光学元件上的旋钮，来调节两个几何相位光学元件的之间横向和纵向的相对位置，获得不同方向的边缘。微调第二个几何相位光学元件下的水平位移台在轴向上的位移，调节边缘分辨率，再次调节几何相位光学元件在面内的位移，进一步调节某些方向的边缘分辨率。
12.本发明的原理是：
13.几何相位光学元件是利用双折射效应制作的快轴按一定规律分布的光学器件，几何相位光学元件的每个点相当于一个半波片，这里推导用的两个几何相位光学元件快轴分布的公式均为：
[0014][0015]
t为快轴变化的周期。
[0016]
几何相位光学元件对光场的作用效果如下：
[0017][0018]
通过以下公式将基底转换为圆偏振光：
[0019][0020]
经过基底变换，几何相位光学元件对左旋e
l
和右旋er圆偏振光的作用效果如下：
[0021][0022]
根据该公式，几何相位光学元件对左旋e
l
和右旋er圆偏振光添加了一个相反的相位，且左右旋圆偏振互换。
[0023]
当两个几何相位光学元件之间存在微小错位δx,δy时,对左右旋圆偏振光的作
用效果如下：
[0024][0025][0026]
对指数部分在错位后重合部分的中心点处进行泰勒展开，舍去高阶项得：
[0027][0028]
将两个几何相位光学元件非常贴近地放置在4f系统的频谱面上时，右旋和左旋圆偏振光的输出光场如下，f
x
,fy为频谱面上的坐标。
[0029][0030][0031]
令：
[0032][0033][0034]
输出光场为左右旋圆偏光的叠加，用偏振片去除叠加后x方向的偏振光得到检测的边缘：
[0035][0036]
由上可知x、y方向的边缘宽度为：
[0037][0038][0039]
边缘宽度只由两个几何相位光学元件之间的错位距离决定，且可以合成边缘为任意方向。
[0040]
当增加第二个与第一个几何相位光学元件的轴向距离时，此时两个几何相位光学
元件没有错位，使用极坐标进行分析，根据角谱理论有：
[0041][0042][0043][0044]
化简：
[0045][0046][0047][0048][0049]
同理有左旋圆偏振光：
[0050][0051]
输出光场为左右旋圆偏光的叠加，用偏振片去除x方向的偏振分量得：
[0052][0053]
对指数部分进行泰勒展开，舍去高阶项并提取公共项得：
[0054][0055]
省略公共相位因子得：
[0056][0057]
由于指数部分的值大约与波长的二次方成正比，是一个非常小的量，可以忽略不计，指数部分约为1，边缘最终为：
[0058][0059]
边缘的宽度为左右旋圆偏光的偏移量之和：
[0060][0061]
根据该公式，边缘的宽度与两个pb相位板之间的距离成正比，因此调节两个几何相位光学元件之间的距离可以改变边缘分辨率。
[0062]
此时在面内某方向移动第二个几何相位光学元件后，微小错位用δx,δy 表示。
得到的右旋和左旋圆偏振光输出为：
[0063][0064][0065][0066][0067][0068][0069][0070][0071]
根据公式，左右旋圆偏光在两个几何相位光学元件轴向有距离且有错位时，偏离的距离相当于径向分离后叠加上错位产生的分离，是前两种情况的叠加，因此在轴向有距离时提取二维边缘的情况下，可以通过调节错位距离来进一步调节某些方向的边缘分辨率。
[0072]
本发明方案与现有方案相比，主要优点在于：
[0073]
(1)目前通过几何相位光学元件进行光学边缘检测的系统在搭建完成后无法再对边缘提取的方向进行选择，也无法在任意单方向和全二维的边缘之间进行切换，本方法可以实现任意单方向的边缘提取，且可以在任意单方向的边缘和全二维的边缘之间进行实时地、灵活地切换，这为光学边缘检测在实际应用中提供了灵活性和便捷性，对于其应用具有较大意义；
[0074]
(2)在调节边缘方向的基础上，还可以调节边缘分辨率，可以针对不同的需求调节边缘分辨率，对于观察者来说具有实时可控性，因而是视觉友好的，观察者可以调节边缘分辨率来使观察达到最佳效果。
[0075]
(3)在全二维光学边缘检测的系统中，为了解决在空间上左右旋圆偏振光径向分离过快的问题，采用了制作超长焦距几何相位光学元件的方法，即几何相位光学元件的双折射快轴方向角变化的周期t较大，该方法存在着制作工艺较为复杂的问题，且制作完成后焦距无法更改，因此边缘的分辨率固定。本方法将两个几何相位光学元件贴近地放置，其中有一个微小的距离，这种装置可以等效为超长焦距的几何相位光学元件，且可以通过微调两者之间的距离来实现几何相位光学元件焦距的控制，本方法解决了需要使用超长焦距的几何相位光学元件且焦距固定的问题。
附图说明
[0076]
图1为基于几何相位光学元件的分辨率可调式二维光学边缘检测方法搭建及应用流程图；
[0077]
图2为分辨率可调式光学边缘检测实验光路图；
[0078]
图3为多个单方向边缘检测的实验效果图；
[0079]
图4为通过距离调节全方向二维边缘分辨率实验效果图；
[0080]
图5为调节二维边缘某方向边缘分辨率的实验效果图
具体实施方案
[0081]
本发明以物体的光学边缘方向和边缘分辨率为实验对象，实施对象为两个几何相位光学元件的相对位置，具体实施步骤如下：
[0082]
首先，激光器采用光纤耦合输出，波长为635nm的高斯光束通过一个透镜(l1)准直，再通过一个偏振片(p1)使光束成为线性偏振光。光束接着打在物面上，通过4f系统的第一个透镜(l2),再通过频谱面上的两个几何相位光学元件，经过4f系统的第二个透镜(l3)，ccd相机前放置一个可旋转的偏振片，旋转偏振片消除左右圆偏振在中心合成的线性偏振光，记录采集到图像的边缘。实验光路图如图2所示。
[0083]
在两个几何相位光学元件非常贴近的情况下，二者距离可以忽略，微调第二个几何相位光学元件与第一个几何相位光学元件面内各方向位移差，可以得到不同方向的边缘检测，图3(a)为物面上的原始图像，图3(b)为提取上下方向边缘后的像，是上下移动第二个几何相位光学元件后的边缘效果，图 3(c)为提取左右方向边缘后的像，是左右移动第二个几何相位光学元件后的边缘效果。
[0084]
在保持二维全方向边缘提取的基础上，调节第二个几何相位光学元件下位移台，使两个几何相位光学元件的轴向距离为1mm、2mm、3mm，随着距离的增加，可以看到边缘宽度变大。由于这种边缘分辨率的调整属于微小调整，在轴向距离大于3mm的情况下边缘会因为衍射而变得模糊，因此轴向调节距离有限。图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为物面上的原始图像、两个几何相位光学元件距离为1mm、2mm、3mm情况下的图像边缘情况。
[0085]
在调节第二个几何相位光学元件下位移台沿快轴方向的距离，使两个几何相位光学元件的距离为1mm，调节第二个几何相位光学元件上的面内位移旋钮，微调不同方向的边缘粗细，以适应观察或其他用途。图5(a)为物面上的原始图像,图5(b)为1mm下未移动面内位置得到的边缘，图5(c)为调节第二个几何相位光学元件左右位置后得到的图像，图5(d)为调节第二个几何相位光学元件上下位置后得到的图像、图5(e)同时调节第二个几何相位光学元件上下左右位置后得到的图像。由这些图像可见，该方法对调节边缘分辨率的效果明显。
[0086]
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
技术特征：1.一种基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法，其特征在于：通过联合两个几何相位光学元件实现实时可调的不同方向的边缘检测，且可以实时调节边缘的分辨率。为了实现边缘检测方向和分辨率实时可调，在以往单个几何相位光学元件实现单方向、不可调分辨率边缘检测的基础上进行改进，联合两个几何相位光学元件，将它们非常贴近地放置在4f系统的频谱面上，在二者几乎贴上的情况下，通过移动第二个几何相位光学元件在面内的位置，可以检测任意方向的一维边缘；微调第二个几何相位光学元件的轴向位置，使二者距离稍远，可以实现二维边缘检测，随着距离增加边缘分辨率降低；此时再在面内微调第二个几何相位光学元件的位置，可以达到选择性改变某方向边缘分辨率的目的，最终实现灵活控制边缘检测的方向以及边缘分辨率。2.根据权利要求1所述的一种基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法，联合两个几何相位光学元件，将其放置在4f系统的频谱面上。这两个几何相位光学元件的双折射快轴方向角由以下公式定义：t为快轴方向变化的周期。2n为快轴方向随径向距离变化的指数，在原理推导部分使用为例，其余指数由于在径向上对不同圆偏振方向的光束同样具有放大和缩小的作用，同样能够实现本发明的功能。3.根据权利要求1和2所述的基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法，其特征在于：联合两个几何相位光学元件，将二者非常贴近地放置在4f系统的频谱面上，轻微移动其中第二个几何相位光学元件在面内的位置，检测图像不同方向的一维边缘。4.根据权利要求1和2所述的基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法，其特征在于：联合两个几何相位光学元件，将二者贴近地放置在4f系统的频谱面上，轻微移动其中第二个几何相位光学元件的轴向位置，使两个几何相位光学元件的距离稍远，随着距离的增加，边缘分辨率降低，达到调节边缘分辨率的目的。5.根据权利要求1和2所述的基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法，其特征在于：联合两个几何相位光学元件，将二者贴近地放置在4f系统的频谱面上，轻微移动第二个几何相位光学元件的轴向位置，使两个几何相位光学元件的距离稍远，此时再调节一个几何相位光学元件在面内的位置，可以进一步调节某个方向的边缘分辨率。
技术总结本发明涉及一种基于几何相位光学元件的分辨率可调式光学边缘检测方法。将两个几何相位光学元件级联放置在4f系统的频谱面上，几何相位光学元件将光束左右旋分量分离，通过偏振片滤除中间重叠部分的线偏振光后得到图像的二维边缘。在两个几何相位光学元件非常贴近的情况下，微调两者在平面内的横向相对偏移可以实现任意方向的一维边缘检测。在两个几何相位光学元件之间存在轴向距离的情况下，当两者中心对准时可以实现二维边缘检测，通过改变其轴向距离可以实现边缘分辨率的调节，再通过改变其横向相对偏移可以达到选择性改变某个方向边缘分辨率的目的。本方法相较于其他光学边缘检测方法具有使用便捷、边缘方向和分辨率实时可调的优点，且无需使用超长焦距几何相位光学元件，降低了制作难度，在模拟光学计算与光学图像处理等方面具有潜在应用价值。图像处理等方面具有潜在应用价值。图像处理等方面具有潜在应用价值。
技术研发人员：刘通 图英楠 任元 刘政良 孙汝生 李瑞健
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：2022.06.20
技术公布日：2022/11/1
