一种基于光擦写频域滤波板的边缘增强成像方法与流程

本发明涉及的边缘增强成像方法，是基于液晶光控取向技术，制作的可擦写液晶板具有频域滤波的功能，实现了图像任意方向上的边缘增强。

背景技术：

在图像处理与获取中，图像边缘增强得到了广泛的研究，已经在图像处理，天文探测、模式识别等领域得到大量应用。图像边缘增强方法可分为空间域增强和频域增强。这两种方法一个对应后期处理，一个对应前期处理，第一种方法是通过计算机对物光场的强度图像进行处理，但受限于图像本身的分辨率与质量等因素，这种办法无法获得更多的物光场信息；第二种是在成像过程中通过对物光场信息进行预处理，直接得到图像的边缘增强效果。

近年来，在频域进行图像边缘增强成为了研究的热点，频域滤波是基于4f系统，其在光学系统的空间频谱平面上放置适当的光学元件(频域滤波器)，去掉或选择性通过某些空间频率，或改变空间频域的振幅和相位，使成像结果获得相应的变换或者按照要求得到改善。其中频域滤波板对频谱面上的光强分布进行调制，为该系统的核心器件。本文提出了一种基于光擦写频域滤波板的边缘增强成像方法，并基于液晶光控取向技术设计了一种光擦写频域滤波板，实现了图像在任意方向上的边缘增强。

技术实现要素：

本发明的技术解决的问题是：提供一种基于液晶滤波板实现边缘增强成像的方法，其中该液晶滤波板使用光控取向技术制备，并且可对其进行光擦写操作。

本发明的技术解决方案是：一种基于光擦写频域滤波板的边缘增强成像方法，该系统包括：入射光、起偏器、透镜一、光擦写液晶频域滤波板、透镜二、检偏器及相机，如图1所示。

入射光：携带目标物体的光场信息；

起偏器：位于透镜一前，使入射光变为线偏光；

透镜一：对入射光束进行傅里叶变换，在透镜的焦平面上得到目标的傅里叶频谱；

频域滤波板：对目标的傅里叶频谱进行调制；

透镜二：该透镜对经过液晶频域滤波板调制后的傅里叶频谱进行傅里叶逆变换成像。

检偏器：透偏方向与起偏器平行；

相机：拍摄图像。

本发明提供了该系统中频域滤波板的制备方法，该频域滤波板包括：相对设置的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和第二基板间的液晶层；如图2所示。

其中，第一基板上设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；

所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极；

所述第一电极和第二电极近邻所述液晶层的一侧分别设置有光擦写控取向膜层和光稳取向膜层。

进一步的，其特征在于，所述液晶层的材料为向列相液晶。

进一步的，在所述第一电极和所述第二电极之间形成预设电压差，改变所述液晶层中的液晶分子分布，从而实现频域滤波功能的可控抑制。

本发明的有益效果：本发明公开了一种利用光擦写频域滤波板实现图像边缘增强的方法，首先将入射光投射到起偏器上获得线偏光，再对其进行傅里叶变换，并在傅里叶透镜的焦平面上放置频域滤波板进行频谱调制，然后对调制后的光束进行傅里叶逆变换，最终得到边缘增强后的图像。其中，对光束进行频域调制的光擦写滤波板采用液晶光控取向技术制备且具有光擦写功能。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明中液晶频域滤波板结构图；

图3为本发明频域滤波板制备流程图；

图4为本发明频域滤波板实物图；

图5为本发明的测试光路图；

图6为本发明对圆孔目标进行实验的结果图；

图7为本发明对空间分辨率板进行实验的结果图；

具体实施方式

以主动照明透射式物体为例，利用振幅型液晶频域滤波板对其进行一维边缘增强成像的原理及实验结果进行详细介绍。基于希尔伯特变换理论，通过增强物体的折射梯度实现边缘增强。因此，该系统可以对振幅型和相位型物体的边缘进行增强。

希尔伯特变换基于4f系统，如图1所示。假设物光场为o(x0,y0)，在通过透镜一到达其后焦面时得到物光场的频谱为o(u,v)。此时在物光的频谱面上放置希尔伯特滤波器h(u,v)，物光场的频谱就会被希尔伯特滤波器调制，变为o(u,v)与h(u,v)的乘积。当经过调制的光场通过透镜二到达输出平面得到输出函数o'(x1,y1)：

o'(x1,y1)＝o(x,y)*h(x1,y1)(1)

其中，*表示卷积，h(x1,y1)是希尔伯特滤波器h(u,v)的傅里叶逆变换。

对于一维p阶的希尔伯特变换可以定义为：

hp(u)＝exp(ipπ/2)s(u)+exp(-ipπ/2)s(-u)(2)

其中，s(u)是单位阶跃函数。p是希尔伯特变换的阶数，当p＝1时为经典hilbert变换，下面将在p＝1条件下进行讨论。上式可变换为：

hp(u)＝isgn(u)(3)

其中，sgn(u)为符号函数，对于整个系统的输出，可以表示为：

o'(x1,y1)＝i{[o(x0,y0)]*(1/iπx)}(4)

其中1/iπx是符号函数的傅里叶变换，因此输出o'(x1,y1)可以等价为o(x0,y0)与1/iπx卷积的结果。希尔伯特变换又被称为90°移相变换，其本质上可对信号的正频部分移相π/2弧度，负频部分移相-π/2弧度。

频域滤波板作为该系统的核心元件，它对物光场的频谱进行了调制，本实施例提供了一种光擦写频域滤波板，图2是本发明的光擦写频域滤波板的剖面结构示意图，如图2所示，所述滤波板包括：第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板间的液晶层；其中，所述第一基板上设置有间隔粒子，以支撑液晶层；所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧分别设置有第一电极和第二电极；所述第一电极和第二电极近邻所述液晶层的一侧分别设置有光擦写取向膜层和光稳取向膜层。

进一步的，所述光擦写取向膜层的取向方向可多次重复擦写，通过使用相应敏感波长的偏振光进行照射可对其取向方向进行擦写，可实时改变频域滤波板的图案，产生多种模式的频域滤波板。

本发明实施案例提供了一种光擦写频域滤波板的制备方法，图3为本发明提供的一种光擦写频域滤波板的制备流程图，如图3所示，所述方法包括以下步骤：

在设置有第一电极的第一基板的近邻液晶层一侧形成光擦写取向膜层和设置有第二电极的第二基板的近邻液晶层的一侧形成光稳取向膜层。

在设置有第一电极的第一基板和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧分别形成光擦写取向膜层和光稳取向膜层可以采用以下方式：

将光擦写取向材料和光稳取向材料分别旋涂在设置有第一电极的第一基板的近邻所述液晶层的一侧和设置有第二电极的第二基板的近邻所述液晶层的一侧。

将旋涂有光擦写取向材料的第一基板和旋涂有光稳取向材料的第二基板烘烤，形成取向膜层。

第一次曝光：将涂有光擦写取向膜层的第一基板和涂有光稳取向膜层的第二基板放到黑色曝光台上，然后在第一基板和第二基板的上方放置偏振片，将其放入紫外灯箱中照射。

第二次曝光：将涂有光擦写取向膜层的第一基板上方覆盖掩膜版后再次曝光，此时线偏光的偏振方向与第一次曝光时垂直。

在设置有第一电极的第一基板间设置间隔粒子，并与所述设置有第二电极的第二基板封装；封装并灌注完成后的光擦写频域滤波板在正交的起偏和检偏下如图4所示。

其中，间隔粒子的尺寸可以根据具体需要进行选取，通过选取不同尺寸的间隔粒子，可以调整第一基板和第二基板之间的距离。

其中，在第一基板和第二基板封装成盒后，将涂有光擦写取向膜层的第一基板面朝上，用任意掩膜版遮盖，可进行多次重新取向。

其中，在所述第一电极和第二电极之间形成预设电压差，可以改变所述液晶层中的液晶分子与第一基板所在平面的夹角，从而实现频域滤波功能的可控抑制。

实验结果

如图5所示，为本发明实施案例中边缘增强成像的测试光路系统，该系统包括：光源、空间滤波器、准直扩束镜、物体、起偏器、透镜一、光擦写频域滤波板、透镜二、检偏器、相机相机。其中光源为he-ne激光器，空间滤波器滤除光源中的杂散光，产生均匀的出射光，准直扩束镜对从空间滤波器出射的光进行准直扩束，其中，空间滤波器在准直扩束镜的前焦平面上，起偏器使入射光变为偏振光，透镜一对照射物体的光束进行傅里叶变换，光擦写模板对其频谱进行调制，透镜二对频谱调制后的光进行成像，再经过偏振方向与起偏器平行的检偏器，最后由相机相机得到边缘增强后的图像。

使用本发明中制备的光擦写频域滤波板搭建如图5所示的边缘增强成像测试光路系统。首先，对直径为7mm的圆孔进行边缘增强成像，实验结果如图6所示，其中(a)为原图，(b)为x方向上进行边缘增强的结果，(c)为在y方向上进行边缘增强的结果，(d)为在45°方向上进行边缘增强的结果。然后对2.52lp/mm分辨率板进行边缘增强成像，实验结果如图7所示，其中(a)为原图，(b)为x方向上边缘增强成像结果。

从图6和图7的实验结果可以看出，本发明提出了一种基于光擦写频域滤波板的边缘增强成像方法，其中使用液晶光控取向技术制备的光擦写频域滤波板实现了对物体边缘增强成像的效果。

本发明说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。