一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法及装置

1.本发明涉及光学领域，特别是涉及光学成像领域，具体为一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法及装置。


背景技术：

2.全光图像处理因其天然的低能耗、可并行、高速等特点，在信息处理领域受到了广泛关注，也是光学前沿的热点领域。边缘检测是图像处理的常用技术之一，通过保留重要的边缘特征，能对目标物进行快速识别，在生物显微成像和工业检测领域中有重要应用。为了解决传统方案对低相位对比度物体进行边缘检测时，存在的图像分辨率低问题，研究者提出了立体螺旋相衬法。该方法利用干涉相位滤波来获得具有阴影效果的边缘增强像，进而对阴影方向不同的边缘增强像进行叠加优化计算和希尔伯特逆变换，实现亚波长分辨率边缘检测。
3.目前实现立体螺旋相衬成像所需的干涉相位滤波唯一的办法是分区域相位调制，该方法将相位滤波器的外环和中心区域分别设计为螺旋相位和平面相位。由于图像的频谱面通常为非规则光斑，且低频信息的面积很小，很难通过分区域相位调制对干涉场的相位差进行精确调控。此外，现有可控干涉相位滤波主要依靠体积较大的液晶空间光调制器来实现，该器件体积巨大，且工作波段窄，无法满足实际应用需求。
4.因此，亟需发展一种新型可控干涉相位滤波装置及方法来满足立体螺旋相衬成像的宽波段和精确相位差调控需求。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法及装置，可满足立体螺旋相衬成像的宽波段和精确相位差调控需求。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法，包括以下步骤：s1，携带亮场像信息的光场经过起偏器和四分之一波片的调制后，得到携带亮场像信息的左旋圆偏振光场，其调制为偏振态调制，即左旋圆偏振；s2，携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜的傅里叶变换后，再依次经过涡旋波片和检偏器的调制，进一步经过第二透镜的逆傅里叶变换，实现干涉相位滤波；s3，旋转涡旋波片实现干涉相位滤波精确相位差调控。
7.s1步骤中，携带亮场像信息的左旋圆偏振光场如公式（1）所示：（1）其中，m表示携带亮场像信息的左旋圆偏振光场，e0表示光场携带的亮场像信息的复振幅，i为虚数。
8.s2步骤中，涡旋波片的琼斯矩阵如公式（2）所示：
其中，表示涡旋波片的琼斯矩阵，是涡旋波片快轴的方位角，是涡旋波片快轴的起始方位角，是相位延迟，设为。
9.s2步骤中，携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，与涡旋波片的琼斯矩阵相乘，如公式（3）所示：其中，表示携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后得到的复振幅，公式（3）的等式右边包含两个圆偏振分量，第一个圆偏振分量的旋向与等式左边的分量的旋向相反，其携带的相位为螺旋相位；第二个圆偏振分量的旋向与等式左边的分量的旋向相同，未进行相位调制；两个圆偏振分量经过透射方向为水平方向的检偏器和第二透镜的逆傅里叶变换后，两个圆中的水平偏振分量发生干涉，达到干涉相位滤波的目的；两个圆偏振分量之间的相位差通过起始方位角进行调控，调控即旋转涡旋波片。
10.本发明采用另外一个技术方案，一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波装置，包括依次设置的起偏器、四分之一波片、第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜；起偏器的起始端为待滤波的亮场像，第二透镜的末尾端为滤波后得到的像；其中第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜设置在同一光轴上，且第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜的中心是对准的；其中第一透镜和第二透镜的焦距相同，用于构建4f系统；其中涡旋波片的快轴绕涡旋波片中心点发生周期性旋转，周期为0.5，相位延迟为四分之一波，涡旋波片位置处于第一透镜的后焦面上；涡旋波片是基于几何相位超构表面来实现的，具有宽波段响应范围，其中快轴是涡旋波片传播速度快的光矢量方向。
11.本发明的有益效果：本发明利用涡旋波片的圆偏振相关相位调制来实现干涉相位滤波，并通过旋转涡旋波片对干涉场的相位差进行精确调控。所采用的核心器件涡旋波片是基于几何相位超构表面来实现的，受几何相位的无色散影响，该器件具有宽波段响应，且器件尺寸小、损耗低，有利于成像系统集成化。相比于传统的分区域相位调制法，本发明中圆偏振相关相位调制法采用的光学系统更简单，成本更低。该发明适用于低相位对比度的生物显微成像。
附图说明
12.图1为本发明立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波装置的示意图。
13.图2为本发明基于几何相位超构表面的涡旋波片单元结构（立体图）示意图。
14.图3为本发明基于几何相位超构表面的涡旋波片单元结构（俯视图）示意图。
15.在图1中， 1为起偏器，2为四分之一波片，3为第一透镜，4为涡旋波片，5为检偏器，
6为第二透镜。
16.在图2中，7为二氧化钛纳米长方体，8为二氧化硅基底。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.请参阅图1，图1是本发明立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波装置的示意图，包括依次设置的起偏器1、四分之一波片2、第一透镜3、涡旋波片4、检偏器5和第二透镜6；起偏器1的起始端为待滤波的亮场像，第二透镜6的末尾端为滤波后得到的像；其中第一透镜3、涡旋波片4、检偏器5和第二透镜6设置在同一光轴上，且各器件的中心是对准的；其中第一透镜3和第二透镜6的焦距相同，用于构建4f系统；其中涡旋波片的快轴（涡旋波片中传播速度快的光矢量方向）绕中心点发生周期性旋转，周期为0.5，相位延迟为四分之一波，其位置处于第一透镜的后焦面上；涡旋波片是基于几何相位超构表面来实现的，具有宽波段响应范围。
19.携带亮场像信息的光场经过起偏器和四分之一波片的调制后，其偏振态调制为左旋圆偏振。携带亮场像信息的左旋圆偏振光场m可写为：（1）其中， m表示携带亮场像信息的左旋圆偏振光场，e0表示光场携带的亮场像信息的复振幅，i为虚数。
20.涡旋波片的琼斯矩阵可写为：其中，表示涡旋波片的琼斯矩阵，是涡旋波片快轴的方位角，是涡旋波片快轴的起始方位角，是相位延迟，设为。
21.携带亮场像信息的左旋圆偏振光场m依次经过第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜，实现干涉相位滤波。携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜的傅里叶变换后与涡旋波片的琼斯矩阵相乘，可写为：其中为携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜的傅里叶变换作用后得到的复振幅。
22.等式右边包含两个圆偏振分量，第一个圆偏振分量的旋向与等式左边的分量的旋向相反，其携带的相位为螺旋相位；第二个圆偏振分量的旋向与等式左边的
分量的旋向相同，未进行相位调制。
23.两个圆偏振分量经过透射方向为水平方向的检偏器和第二透镜的逆傅里叶变换后，两圆偏振态中的水平偏振分量发生干涉，进而达到干涉相位滤波的目的。此外，两个圆偏振分量之间的相位差可以通过起始方位角进行调控，也即旋转涡旋波片。
24.对于所述基于几何相位超构表面的涡旋波片是由大量长方体纳米结构和基底组成，基底的材料为二氧化硅即二氧化硅基底8，长方体纳米结构的材料为二氧化钛即二氧化钛纳米长方体7。单元结构的立体图和俯视图示意图分别如图2和图3所示。所有结构的高度都是相同的，且高度可以通过时域有限差分软件对结构进行参数扫描来确定。值得注意的是，在选取单元结构的长度和宽度时，必须保证水平和竖直偏振分量的相移始终相差四分之一个波长。长、宽、高确定之后，旋转角由螺旋相位来决定。光场经过单元结构的调制后，产生的相移是旋转角的两倍。

技术特征：
1.一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法，其特征在于：包括以下步骤：s1，携带亮场像信息的光场经过起偏器和四分之一波片的调制后，得到携带亮场像信息的左旋圆偏振光场，其调制为偏振态调制，即左旋圆偏振；s2，携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜的傅里叶变换后，再依次经过涡旋波片和检偏器的调制，进一步经过第二透镜的逆傅里叶变换，实现干涉相位滤波；s3，旋转涡旋波片实现干涉相位滤波精确相位差调控；s1步骤中，携带亮场像信息的左旋圆偏振光场如公式（1）所示：
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（1）其中，m表示携带亮场像信息的左旋圆偏振光场，e0表示光场携带的亮场像信息的复振幅，i为虚数；s2步骤中，涡旋波片的琼斯矩阵如公式（2）所示：
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（2）其中，表示涡旋波片的琼斯矩阵，是涡旋波片快轴的方位角，是涡旋波片快轴的起始方位角，是相位延迟，设为。2.根据权利要求1所述的一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法，其特征在于：s2步骤中，携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后，与涡旋波片的琼斯矩阵相乘，如公式（3）所示：
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（3）其中，表示携带亮场像信息的左旋圆偏振光场经过第一透镜进行傅里叶变换后得到的复振幅，公式（3）的等式右边包含两个圆偏振分量，第一个圆偏振分量的旋向与等式左边的分量的旋向相反，其携带的相位为螺旋相位；第二个圆偏振分量的旋向与等式左边的分量的旋向相同，未进行相位调制；两个圆偏振分量经过透射方向为水平方向的检偏器和第二透镜的逆傅里叶变换后，两个圆中的水平偏振分量发生干涉，达到干涉相位滤波的目的；两个圆偏振分量之间的相位差通过起始方位角进行调控，调控即旋转涡旋波片。3.应用于权利要求2所述的一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法的滤波装置，其特征在于：包括依次设置的起偏器、四分之一波片、第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜；起偏器的起始端为待滤波的亮场像，第二透镜的末尾端为滤波后得到的像；其中第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜设置在同一光轴上，且第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜的中心是对准的；其中第一透镜和第二透镜的焦距相同，用于构建4f系统；其中涡旋波片的快轴绕涡旋波片中心点发生周期性旋转，周期为0.5，相位延迟为四分
之一波，涡旋波片位置处于第一透镜的后焦面上；涡旋波片是基于几何相位超构表面来实现的，具有宽波段响应范围，其中快轴是涡旋波片传播速度快的光矢量方向。

技术总结
本发明公开了一种立体螺旋相衬成像的可控干涉相位滤波方法及装置，该方法包括携带亮场像信息的光场经过起偏器和四分之一波片的调制后，得到携带亮场像信息的左旋圆偏振光场，依次经过第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜，实现干涉相位滤波；旋转涡旋波片实现干涉相位滤波精确相位差调控；该装置包括依次设置的起偏器、四分之一波片、第一透镜、涡旋波片、检偏器和第二透镜；起偏器的起始端为待滤波的亮场像，第二透镜的末尾端为滤波后得到的像。本发明的有益效果：本发明利用涡旋波片的圆偏振相关相位调制来实现干涉相位滤波，并通过旋转涡旋波片对干涉场的相位差进行精确调控。控。控。


技术研发人员：贺炎亮 骆兴芳 谢智强 陈娟 王贤平 陈书青
受保护的技术使用者：江西师范大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/7/7