基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法

本发明涉及一种基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，属于微纳光学和图像信息提取应用。

背景技术：

1、深度测量和边缘提取在机器视觉、医学成像和智能识别等领域起着至关重要的作用。传统相机只能在未知深度的情况下，从三维场景中捕获特定的二维强度信息投影，但快速发展的3d成像技术可通过捕获额外的光信息来获取深度特征，其中的关键技术便是深度测量技术。与此同时，边缘信息包含了各种图像处理过程的重要几何特征，可通过过滤低空间频率获取。如何同时获取场景的深度、边缘等光信息，以准确地感知物理世界，是成像系统面临的一个重要问题，

2、常见的深度测量的方法包括立体视觉法、飞行时间法和点源/条纹投影法，但这些方法通常需要主动照明或多个视点，从而增加了系统的复杂性。此外，也有从不同散焦设置下的一组图像序列中获取深度信息的方法，但由于点扩散函数随深度的变化缓慢以及散焦距离方向的不确定，使得测量精度从根本上受限。因此，获得能够实现更精确的深度表征的点扩散函数是非常重要的。双螺旋点扩散函数是一个有效解决途径，它能产生具有两个焦点的光束，光束随着点源的移动距离连续旋转。同时，传统的边缘提取方法通常是利用结构光进行空间微分。然而，许多空间微分方法实现的是一维微分，这会导致物体的各向异性边缘提取，因此并不完全适合成像应用。近年来，螺旋相位为边缘提取提供了一种新的方法。螺旋相位的任何径向线都会在入射光的正、负空间频率之间引入π的相位差，从而导致观测物体的各向同性边缘对比度增强，实现各向同性边缘提取。然而，产生螺旋相位的空间光调制器(slm)或螺旋相位板体积较大，限制了光学系统的微型化和集成化。此外，若要同时获取场景的深度和边缘信息，则通常需要设计更加复杂、体积更加庞大的光学元件和主动照明条件。

3、近年来，光学超表面为开发具有多种功能的非常规超薄器件提供了全新的途径，且能够适应光学系统微型化和集成化的需求，在众多实际应用领域发展迅速。在深度测量领域，利用超透镜阵列构成光场相机的深度成像方法，以及利用空间交错复用的两个离轴聚焦超透镜的三维成像方法等，已被提出并进行了实验验证。而在边缘提取方面，利用全光学模拟计算的空间微分方法，可以实现光学边缘提取。如基于表面等离子体激元干涉效应，将光子晶体板作为拉普拉斯算子将图像转换为其二阶导数的光学空间微分器；或利用重叠的电偶极子共振和磁偶极子共振，局部且独立地操纵正交偏振出射电磁波的振幅和相位，结合空间傅里叶变换实现的空间微分器等。然而，以前的工作通常仅限于在深度测量或边缘提取中执行单个功能。而结合了多种功能的检测系统往往体积十分庞大。迫切需要一种使用单一超表面集成深度测量和边缘提取两种功能的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，基于双螺旋点扩散函数沿传播方向绕光轴旋转的特性，并基于单个全介质超表面所对应的相位轮廓中间区域的螺旋相位特征，通过单个全介质超表面实现深度测量和边缘提取。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，基于同一个超表面光学系统，在非相干光和相干光入射条件下，利用超表面生成的双螺旋点扩散函数和超表面中间区域的具备螺旋相位特征，分别实现深度测量和边缘检测两种不同的功能。所述全介质超表面的相位分布依据菲涅耳波带法获得，由一系列菲涅耳波带组成，每个菲涅耳区对应一个具有不同拓扑电荷数的螺旋相位，从内到外依次增加，能够生成双螺旋点扩散函数，且该相位分布的中间区域具备螺旋相位特征。所述全介质超表面通过沉积、光刻、剥离和蚀刻加工在玻璃基底上，将超表面置于4f系统的频谱面上，并通过在其前后分别放置一对线性偏振器和四分之一波片，实现相应圆偏振光的选择，确保基于几何相位调制原理的相位调制，获得所设计的用于实现深度测量与边缘提取的超表面光学系统。使用非相干光进行实验，通过记录点光源所处深度位置发生变化时，所述超表面光学系统所产生的双螺旋点扩散函数的主瓣旋转角度的对应变化，实现距离-角度关系的标定。非相干光入射时，入射光照射到物体上，再通过4-f系统及频谱面上的编码了双螺旋点扩散函数的全介质超表面，成像在ccd上，得到由一对“孪生像”，通过使用图像倒频分析法提取“孪生像”所对应的双螺旋点扩散函数主瓣旋转角度，能够反推出物体的深度信息。相干光入射时，入射光与超表面的中心部分相互作用，通过目标物体与螺旋相位的卷积，能够实现针对相位/振幅均匀区域的相干相消，只留下高对比度的区域(即物体的边缘)，提取目标物体的边缘信息。本发明所述的超表面光学系统能够实现深度测量和边缘提取。

4、本发明公开的基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，包括如下步骤：

5、步骤一、基于菲涅耳波带法设计全介质超表面的相位分布，该相位分布由一系列菲涅耳波带组成，每个菲涅耳波带对应一个具有不同拓扑电荷数的螺旋相位，从内到外依次增加。通过所述相位分布生成双螺旋点扩散函数，且中间区域具备螺旋相位特征。

6、生成双螺旋点扩散函数的相位分布表示为：

7、

8、其中，为极坐标下位置处的相位，r为最大半径。生成双螺旋点扩散函数的相位分布相位由一系列菲涅耳波带组成，n是菲涅耳波带的数量，每个菲涅耳区对应一个具有不同拓扑电荷数的螺旋相位，从内到外依次增加，每一层增加2，相位轮廓中间区域，即最内层的菲涅耳波带具备螺旋相位特征。将所述的相位分布表征在4-f系统的频谱面上，能够在像方焦点附近得到双螺旋点扩散函数。

9、所述的双螺旋点扩散函数在焦平面上的二维分布是两个离散的等大、等亮度的主瓣，两个离散的等大、等亮度的主瓣的连接线的方位角随着离焦而旋转，并且旋转角度随着离焦量的增加而增加。主瓣的离焦旋转速率表达式为：

10、

11、公式中na代表4-f系统光路的数值孔径，在深度测量范围内na≈r/f，δl表示每一层的拓扑电荷的差，根据式(1)，δl＝2。根据式(2)，双螺旋点扩散函数的旋转速率会随着菲涅耳波带的数量n的变化而发生变化，而深度测量的范围则发生相反的变化。

12、步骤二、采用严格耦合波分析法或时域有限差分法优化组成超表面的介质纳米天线，通过几何相位调制原理利用介质纳米天线的面内方向角实现超表面的相位分布编码。

13、使用反旋圆偏振透射率较高的介质纳米天线，根据目标光场的空间相位分布决定超颖表面中各个位置的介质纳米天线的不同面内方位角。基于几何相位的手性选择性的相位调控特性，当左/右旋圆偏入射光入射到方位角为θ的介质纳米天线上时，能够对右/左旋圆偏振出射光形成大小为±2θ的相互共轭的相位调制，其中“+”或“-”是由入射光和出射光的具体偏振态组合决定的，依据上述原理，通过排布介质纳米天线的面内方位角，实现超表面的相位分布编码。所述偏振态组合包括左旋/右旋组合，右旋/左旋组合。

14、所述的介质纳米天线为非晶硅纳米棒天线。

15、所述的非晶硅纳米棒天线的形状和尺寸通过严格耦合波分析法(rcwa)或时域有限差分法(fdtd)确定。在非晶硅纳米棒天线结构优化过程中，固定非晶硅纳米棒天线的高度、周期及其工作波长，而后在此条件下通过扫描非晶硅纳米棒天线的长度和宽度，选择在工作波长下具有高反旋圆偏振透射率和低同旋圆偏振透射率的结构尺寸。通过几何相位调制原理利用介质纳米天线的面内方向角实现超表面的相位分布编码。

16、步骤三、通过沉积、光刻、剥离、蚀刻方法将介质纳米天线构成的全介质超表面加工在玻璃基底上。将全介质超表面置于4-f系统的频谱面，并通过在其前后分别放置一对线性偏振器和四分之一波片，实现相应圆偏振光的选择，确保基于几何相位调制原理的相位调制，获得所设计的用于实现深度测量与边缘提取的超表面光学系统。

17、步骤四、非相干光入射下，使用步骤三构建的超表面光学系统，记录点光源所处深度位置发生变化时该超表面光学系统所产生的双螺旋点扩散函数的主瓣旋转角度的对应变化，实现距离-角度关系的标定。

18、步骤五、非相干光入射下，物体通过步骤三构建的超表面光学系统，成像为一对“孪生像”，通过使用图像倒频分析法提取“孪生像”所对应的双螺旋点扩散函数主瓣旋转角度，反推出物体的深度信息。

19、非相干光入射光照射到物体上，再通过超表面光学系统，最终成像在ccd上，得到由一对“孪生像”组成的图像，其二者之间距离与点扩散函数的主瓣间的距离相一致，旋转角则取决于样本的深度。因此，通过使用图像倒频分析法提取图像所对应的双螺旋点扩散函数的主瓣旋转角度，进而反推出物体的深度信息。

20、所述的图像倒频分析法，包括如下步骤：

21、1)非相干光入射光照射到物体上，再通过4-f系统及步骤三构建的超表面光学系统谱面上的编码了双螺旋点扩散函数的全介质超表面，成像在ccd上，得到由一对“孪生像”组成的图像i；

22、2)对“孪生”图像i用二维hann窗进行处理，得到图像i’，以提高峰值识别的可靠性。采用的hann窗口如公式(3)所示：

23、

24、其中，m和n是整幅图像在两个轴上的空间坐标，sw是窗的大小。

25、3)对图像i’进行倒频谱计算，得到其倒频谱c。倒频谱是功率谱在对数坐标下的逆傅里叶变换，常被用作信号处理中的关键工具，例如滤波、去噪、重构等。图像的倒频谱运算表示为：

26、c＝c{i′}:＝f-1{log(|f{i′}|2)}                    (4)

27、其中，f表示傅里叶变换。

28、4)根据双螺旋点扩散函数主瓣之间的距离和主瓣宽度对倒频谱结果进行裁剪，在倒频谱c中获取由虚线环形区域标明的两个峰值位置。之后对倒频谱c中获取由虚线环形区域进行高斯滤波，以减轻噪声对峰值位置的影响，继而计算两个峰值所在的位置对应的旋转角度；

29、5)将提取出的峰值旋转角和已标定的距离-角度关系进行对应，即能够测量出物体的轴向深度信息。

30、步骤六、相干光入射下，物体通过步骤三构建的超表面光学系统，超表面中心区域相对原点对称的任意两个点具有相同的振幅，但相位相差π。通过物体与螺旋相位的卷积，相位/振幅均匀的区域将因相消干涉相干相消，只留下高对比度的区域，实现边缘提取。

31、有益效果：

32、1、本发明公开的基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，基于同一个超表面光学系统在，非相干光和相干光入射条件下，利用超表面生成的双螺旋点扩散函数和超表面中间区域的具备螺旋相位特征，分别实现深度测量和边缘检测两种不同的功能。本发明相比传统光学检测系统更加集成与紧凑。

33、2、本发明公开的基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，利用入射光的相干性作为一个新的复用维度，在不同的入射条件下实现不同的功能，实现单一系统功能复用。

34、3、本发明公开的基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，通过调整菲涅耳波带的数量n改变深度测量的范围。

35、4、本发明公开的基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，超表面中心区域相对原点对称的任意两个点具有相同的振幅，但相位相差π。通过物体与螺旋相位的卷积，相位/振幅均匀的区域将因相消干涉相干相消，只留下高对比度的区域，实现边缘提取。

36、5、本发明公开的基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取方法，能够应用于光学检测、机器视觉、模式识别、自动驾驶汽车、虚拟现实和增强现实等领域，基于单个全介质超表面的深度测量与边缘提取，改善光学检测、机器视觉、模式识别、自动驾驶汽车、虚拟现实和增强现实效果。