matlab拉普拉斯算子边缘提取_使用平面光学器件进行图像边缘的差分检测

原文Flat optics for image differentiation见于Nature Photonics，作者为You Zhou，来自Vanderbilt University的Jason Valentine团队。

https://www.nature.com/articles/s41566-020-0591-3

摘要：图像处理已成为各种科学和工程学科中的关键技术。尽管大多数图像处理是数字方式进行的，不过光学模拟处理具有低功耗和高速的优点，但是它的体积较大。在这里，我们演示了用于直接图像边缘检测的平面光学器件，使我们能够大大缩小所需的光学系统尺寸。我们首先演示如何将微分器与传统成像系统（例如商用光学显微镜和相机传感器）结合使用，以进行边缘检测（最大数值孔径为0.32）。接下来，我们演示如何通过将微分器与超透镜集成在一起，将整个处理系统实现为单片复合平板光学器件。复合纳米光子系统具有薄型化的优点以及实现复杂传递函数的能力，并且可以为诸如生物成像和计算机视觉等应用打开新的机遇。

图1 使用纳米光子学材料进行二维图像的差分检测

1a. 光子晶体平板充当拉普拉斯算子的示意图，该算子将图像

转换为其二阶导数，

。

1b. 微分器的单晶胞，由Si纳米棒组成。

1c. 对于s和p极化，模拟传输系数的幅度

，自变量为频率和沿着

方向(

)的入射角。

1d.

=1120nm时，p极化的光学传递函数

；以

进行二次拟合。

1e. bound-state-in-the-continuum(BIC)和quasi-guided模型的仿真示意图。1f. 在

=0时BIC激发的

场（上）和

=0.12(

)时quasi-guided模型的

场。

1g. BIC(

=0，左)和quasi-guided模型(

，右)的

场分布。

图2 纳米光子学空间差分器的加工和特性

2a. Si光子晶体的SEM图像。

2b, 2c. 沿着

方向上，s(

2b)和p(2c)极化的模拟传输光谱。

2d. 不同入射角下测量传输光谱的实验装置；P为偏振片，R为旋转平台，L为棱镜(f=200nm)，M为反射镜。

2e, 2f. s极化(2e)和p极化(2f)入射光的测量传输光谱。

2g. 纳米光子微分器在关闭和开启的情况下，测得的后焦平面图像。

2h. 沿着

和

提取1维调制传递函数。

图3 差分器的分辨率特征

3a. 成像装置的示意图。纳米光子微分器直接放置在1951USAF测试板的前面，并且通过物镜和管状透镜的组合来放大目标。

3b, 3c. 存在微分器(3b)和不存在微分器(3c)时，目标的成像结果。

3d. 沿着3c中的白色虚线水平剖面的光谱强度(左)，基于此，使用高斯滤波的拉普拉斯算子计算得到二阶导数(右)。

3e.

从1100nm至1180nm的边缘探测结果。

图4 可见光范围内的边缘探测显微镜

4a. 边缘探测显微镜的示意图。空间差分器需在

=740nm下重新设计，大小为3.5

3.5

，直接集成在商用集成光学显微镜(Axio Vert.A1)。

4b-4d. 三种生物细胞样本的成像和边缘探测结果：洋葱表皮(4b)、南瓜茎(4c)和猪运动神经(4d)。 在远离共振频率的λ= 900 nm处获得左侧图像，而在

=740 nm处获得右侧的差分图像

。图中尺度条为50μm。

图5 使用纳米球光刻技术的大型图像微分器

5a. 制造过程流程图。首先在水/空气界面生成一个单层纳米球，然后将其转移到一个带有Si薄膜的倾斜衬底上，从而得到排列成六方晶格的致密堆积纳米球。接着，减小纳米球的尺寸，并将其作为干法蚀刻掩模，用来定义Si纳米结构。PS，聚苯乙烯；DI water，去离子水。

5b. 厘米尺度的差分器。

5c. Si纳米棒的SEM图像。

5d. 成像装置的示意图。大型差分器置于近红外相机传感器之前。

5e. 塑料花模具的光学图像，作为3D宏观成像目标。

5f. 同一目标的亮场和微分结果。左侧和右侧的图像分别对应于没有和带有微分器的系统。

5g, 5h. 采用了不同的样本作为第二个目标图像。

图6 复合器件的成像结果

6a-6c. 纳米光子微分器(6a)、超透镜(6b)和整体式复合系统(6c)的光学图像。插图为设备横截面的示意图。6d. 成像装置示意图。

6e. 洋葱细胞的亮场(左)和差分(右)成像结果。尺度条为50um。