基于渦旋光差頻掃描的各向異性邊界提取裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及物體的邊界提取W及圖像特征的增強(qiáng)，特別是一種基于滿旋光差頻掃 描的各向異性邊界提取裝置，可W選擇性的提取物體某一方位的邊界信息。 技術(shù)背景
[0002] 邊界提取巧dgeExtraction或者稱為邊界增強(qiáng)EdgeEnhancement)技術(shù)是一種 圖像信息處理技術(shù)，可W去除物體低頻信息，將其邊界的信息單獨(dú)提取出來，因此可W極大 地提高待測物體的信噪比，在機(jī)器視覺、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)載探測W及深空探測等領(lǐng)域具有特別 重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 邊界提取技術(shù)的基本原理是對物體的頻譜進(jìn)行調(diào)制，使得邊界處的信息最大程度 的保留，同時(shí)其他信息盡可能的過濾掉。通常物體邊界由于是變化較快的區(qū)域，因此屬于頻 譜中的中高頻，而物體內(nèi)部及外部的信息為緩變的區(qū)域，因此屬于頻譜中的低頻或零頻。原 則上，只要使物體通過高通低阻濾波調(diào)制，就能實(shí)現(xiàn)邊界信息的提取或增強(qiáng)。光學(xué)上處理物 體的頻譜是非常有利的，因?yàn)槭紫裙鈱W(xué)系統(tǒng)可W作為物體信息的記錄系統(tǒng)，同時(shí)還可W用 于物體的頻譜調(diào)制，再加上光學(xué)系統(tǒng)通常具有的并行處理能力，使得光學(xué)信息處理方法優(yōu) 于其他處理方法，成為最為重要的邊界提取技術(shù)。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)物體的邊界提取，經(jīng)典的光學(xué)系統(tǒng)是4f濾波系統(tǒng)，由兩個(gè)傅里葉變換透 鏡組成，透鏡距離2倍的焦距，物體放置在第一個(gè)透鏡的前焦面上，第二個(gè)透鏡的后焦面為 經(jīng)過處理的物體圖像。而在兩個(gè)透鏡的共焦面上，可W通過插入頻率調(diào)制元件實(shí)現(xiàn)對物體 的邊界信息提取。
[0005] 在邊界提取技術(shù)中，有一種特別的應(yīng)用，就是對待測物體的某一方向的邊界信息 有興趣，或者出于信噪比等方面的考慮，想要將某一方向的邊界信息濾除，運(yùn)就需要考慮各 向異性的邊界提取技術(shù)。運(yùn)在原理上是非常容易實(shí)現(xiàn)的，在高通濾波調(diào)制的同時(shí)，對需要保 留的某一方向的中高頻譜通過，對需要抑制的某一方向的頻譜進(jìn)行阻斷。各向異性邊界提 取技術(shù)在特征識別、特征增強(qiáng)等方向有很重要的應(yīng)用前景。
[0006] 在經(jīng)典的4f光學(xué)濾波系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)邊界提取，一般采用中間涂黑邊緣透明的 強(qiáng)度調(diào)制板，直接插入頻譜面上進(jìn)行濾波調(diào)制。運(yùn)種方法簡單、成本低，但是缺點(diǎn)也比較明 顯。由于強(qiáng)度調(diào)制板的衍射，使得在輸出面上得到邊界增強(qiáng)的物體的同時(shí)，還伴隨著許多的 寄生條紋，嚴(yán)重影響了成像質(zhì)量；另外，由于物體能量主要集中在零頻附近，通過強(qiáng)度調(diào)制 板后能量損失會(huì)導(dǎo)致信噪比的降低。
[0007] 滿旋位相是實(shí)現(xiàn)物體邊界信息增強(qiáng)的另外一種處理方法。滿旋位相是指強(qiáng)度不 變、位相隨著方位角的變化而變化的一種純位相調(diào)制器，可W在極坐標(biāo)系中表示為Φ(P， Θ)=日邱（inΘ)。通常的位相與方位角的關(guān)系是線性的，η為滿旋位相的載荷數(shù)（charge)， 在邊界信息提取技術(shù)中一般采用η為1的滿旋位相。同樣的，為了實(shí)現(xiàn)邊界信息提取，將滿 旋位相調(diào)制器插入到4f光學(xué)濾波系統(tǒng)的頻譜面上。雖然與高通濾波一樣是對物體頻譜進(jìn) 行調(diào)制，但是滿旋位相調(diào)制是一種位相調(diào)制技術(shù)，其原理和信息處理中的希爾伯特變換類 似，能夠完美的提取物體邊界信息，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于衍射導(dǎo)致的寄生條紋。
[0008] 利用4f系統(tǒng)進(jìn)行物體邊界是基于相干光學(xué)信息處理系統(tǒng)原理，而相干光學(xué)由于 對物體位相信息特別敏感，因此會(huì)產(chǎn)生散斑干設(shè)，降低成像質(zhì)量。在先技術(shù)（P.Bouchaland Z.Bouchal,"Selectiveedgeenhancementinthree-dimensionalvorteximagingwith incoherentli曲t, "Opt.Lett. 37, 2949-2951, (2012).)結(jié)合菲涅耳非相干相關(guān)數(shù)字全息 術(shù)（FINCH)，提出了一種基于滿旋位相調(diào)制的邊界提取技術(shù)，可W實(shí)現(xiàn)對非相干物體的邊界 增強(qiáng)，由于對物體位相不敏感，因此大大提高了成像質(zhì)量。另外，在先技術(shù)（Y.Pan,W.Jia，J. Yu,Κ.Dobson,C.Zhou,Υ.Wang,Τ.-C.Poon,"Edgeextractionusingatime-varying vortexbeaminincoherentdigitalholography, "Opt.Lett. 39, 4176-4179(2014).)首 次將滿旋位相片引入到光學(xué)掃描全息技術(shù)的pticalScanning化lography，OSH)中，實(shí)現(xiàn) 了各向同性的非相干邊界提取技術(shù)。與FINCH技術(shù)相比，運(yùn)種技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是利用了掃 描機(jī)制，極大地放寬了對物體尺寸的要求，因此在生物顯微成像、遙感、機(jī)器視覺等領(lǐng)域均 有重要應(yīng)用前景。
[0009] 本發(fā)明在此基礎(chǔ)上，通過使用不同的滿旋光調(diào)制，利用差頻光學(xué)掃描實(shí)現(xiàn)各向異 性的邊界提取，可W進(jìn)一步拓寬0SH技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在針對特殊物體形貌或者特 殊方向物體特征的探測方面，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 圖像邊界增強(qiáng)（或者提?。┘夹g(shù)在圖像識別W及特征提取等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià) 值，而對于特殊的應(yīng)用需求，例如對物體某一方位的邊界信息更感興趣，或者當(dāng)需要對某一 方位的信息進(jìn)行有效過濾時(shí)，各向異性邊界提取技術(shù)就顯得非常重要，為此我們提出一種 基于滿旋光差頻掃描的各向異性邊界提取裝置，該裝置用于生物顯微成像等領(lǐng)域的特殊邊 界增強(qiáng)，具有速度快、信噪比高W及能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0012] 一種基于滿旋光差頻掃描的各向異性邊界提取裝置，其特點(diǎn)在于構(gòu)成包括化-Ne 激光器，沿化-化激光器的發(fā)射光束方向是第一分束鏡，在該第一分束鏡的透射光束方向 依次是聲光調(diào)制器、第一反射鏡、小孔、第一透鏡、第二分束鏡和第二光電探測器，所述的第 二光電探測器的輸出端與鎖相放大器的第一輸入端相連，在第一分束鏡的反射光束方向依 次是第二反射鏡、滿旋位相調(diào)制模塊、第二透鏡、所述的第二分束鏡、載物臺、第Ξ透鏡和第 一光電探測器，所述的第一光電探測器的輸出端與所述的鎖相放大器的第二輸入端相連， 該鎖相放大器的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端相連。
[0013] 所述的滿旋位相調(diào)制模塊是由光路方向依次的第Ξ反射鏡、第四反射鏡和滿旋位 相調(diào)制片組合而成，所述的滿旋位相調(diào)制片是由計(jì)算機(jī)生成的全息圖，該全息圖可產(chǎn)生兩 個(gè)重疊的滿旋位相，且滿旋方向相反。
[0014] 所述的滿旋位相調(diào)制模塊具有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，沿光軸旋轉(zhuǎn)滿旋位相調(diào)制模塊，可W得 到不同方向的滿旋調(diào)制光瞳，從而實(shí)現(xiàn)特定方向的物體邊界提取。
[0015] 本發(fā)明基于滿旋光差頻掃描的各向異性邊界提取裝置，構(gòu)成包括激光調(diào)制模塊， 物體掃描模塊，信息處理模塊等。所述的激光調(diào)制模塊采用化-化激光器波長為632. 8nm， W馬赫-曾德方式分成兩束光，其中一束通過聲光調(diào)制器得到40曲Z的頻移，另一束經(jīng)過滿 旋位相調(diào)制片和傅里葉透鏡，然后兩束光通過第二分束鏡合為一束具有差頻的干設(shè)光，利 用運(yùn)束光掃描物體，透過物體的光由第一光電探測器接受轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過信號處理 和鎖相放大器，得到去除差頻的物體全息圖，最后利用計(jì)算機(jī)提取得到各向異性的物體邊 界信息。所述的滿旋位相調(diào)制片是計(jì)算機(jī)生成的全息圖，可W產(chǎn)生兩個(gè)重疊的滿旋位相，兩 個(gè)滿旋的方向相反。本發(fā)明結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)滿旋位相調(diào)制片，可W對物體不同方向的邊界信 息有選擇的提取，同時(shí)可W保證較高的信噪比。
[0016] 本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0017] 首先，本發(fā)明基于光學(xué)掃描全息技術(shù)（0SH)，其中包括兩個(gè)入射光瞳，本發(fā)明對光 瞳進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，通過插入一塊滿旋位相調(diào)制片實(shí)現(xiàn)對入射光的光場調(diào)制，同時(shí)另外一 個(gè)光瞳為脈沖函數(shù)（W5微米小孔實(shí)現(xiàn)），然后利用兩束光的差頻相干光場對物體進(jìn)行二維 掃描，并通過光電探測W及鎖相放大等信號處理，就可W利用計(jì)算機(jī)得到物體的邊界信息， 由于插入的滿旋位相調(diào)制片具有空間不對稱性，因此使得獲取的物體邊界信息是各向異性 的。
[0018] 其次，滿旋位相片是通過計(jì)算機(jī)生成的二元光學(xué)元件，當(dāng)激光束W某一個(gè)傾斜角 入射在滿旋位相片上時(shí)，將在垂直方向出射具有滿旋調(diào)制的光束，通過在入射光瞳上旋轉(zhuǎn) 滿旋位相調(diào)制片，就可W實(shí)現(xiàn)對不同方位物體的邊界信息進(jìn)行選擇性的提取，結(jié)構(gòu)簡單易 于實(shí)現(xiàn)。
[0019] 另外，通過改變0SH系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用物鏡系統(tǒng)對光瞳成像并利用二維精密電 動(dòng)平臺，可W用于生物樣品的顯微成像，當(dāng)采用振鏡掃描的機(jī)制W及大功率激光器、高靈敏 度光電探測器，可W用于航拍遙感大物體的各向異性邊界探測。
【附圖