基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法

摘要

本发明公开了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，属于光学器件领域。方法包括：在衍射光学元件的基底器件上加工一块抑光区域，得到空间滤波器；确定衍射光学元件的相位分布，并转换为各衍射单元的结构参数；根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。本发明使用了加工工艺成熟的衍射光学元件作为主要的光场调制器件；并且在加工衍射光学元件之前，通过镀膜工艺在其基底器件中心加工一块具有特定设计参数的不透光或渐变透光等分布特点的区域，使得本发明所提的空间频谱调制器件在具有对频域光场进行复调制能力的同时，兼顾了可定制化和零功耗的优点。

权利要求

1.一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，包括：在衍射光学元件的基底器件上加工一块抑光区域，得到具有振幅调制能力的空间滤波器；

确定衍射光学元件的相位分布，并转换为各衍射单元的结构参数；

根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到具有复调制能力的空间频谱调制器件。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，所述抑光区域为不透光区域或由中心到四周透光率径向渐变增大的区域。

3.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，作为衍射光学元件的相位分布。

4.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，其特征在于，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，与具有聚焦功能的相位分布进行叠加，以叠加后的相位分布作为衍射光学元件的相位分布。

5.一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的方法得到。

6.一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，其特征在于，包括：第一透镜、采用如权利要求3所述的方法得到的空间频谱调制器件和第二透镜，所述空间频谱调制器件位于第一透镜的后焦平面以及第二透镜的前焦平面；

所述第一透镜用于将位于第一透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，并在第一透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；

所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制；

所述第二透镜用于将调制后的空间频谱分布转换至空间域，并在第二透镜的后焦平面上获得边缘检测后的光场分布。

7.一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，其特征在于，包括：透镜和采用如权利要求

4所述的方法得到的空间频谱调制器件，所述空间频谱调制器件位于透镜的后焦平面上；

所述透镜用于将位于透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，在透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；

所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制，并在空间频谱调制器件的焦平面上获得边缘检测后的光场分布。

说明书

基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学器件领域，更具体地，涉及一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法。

背景技术

[0002] 空间频谱调制器件用于对光的空间频谱进行调制，通过调制空间频谱，可以方便、准确的对光学系统的性质进行分析与调制，在诸如成像领域、光模拟计算领域等得到了广泛的应用。

[0003] 现有的空间频谱调制器件主要包括空间光调制器、传统光学器件以及超表面等新兴集成光学元件。

[0004] 空间光调制器最常见的是液晶空间光调制器与数字微镜阵列，这一类器件通常可以通过计算机来控制其器件上调制单元阵列的分布与性质，以此实现对频域光场的相位或振幅进行调制，可以以一种非常便捷、高效的方式来实现灵活的调制效果，但其最大的问题在于目前这一类器件都是电控主动式器件，其能耗不可被忽视，同时受限于工业加工能力，其像素单元往往具有较大的尺寸（对可见光波段而言，其像素单元往往可以达到十倍波长量级），这使得其调制能力、器件尺寸等都受到了较大的限制。

[0005] 传统光学器件以固定式器件为主，其主要问题在于难以根据需求灵活的调整变化，同时其结构与工作特点使得使用该类器件的系统的体积十分庞大。

[0006] 超表面是近些年新型的具有超高集成度的新兴平面光学器件，相比于空间光调制器以及传统光学器件，其设计灵活度极高，具有更高的调制自由度，但是目前超表面的设计难度较高，同时其加工工艺难度大，成本高，还难以实现大规模实际应用。

[0007] 同时，由于光场具有振幅和相位特性，现有的空间频谱调制器件往往都是对单一的振幅或者相位进行调制，难以同时对光场进行复调制（同时对振幅和相位进行调制），尽管可以通过光学设计，组合各类调制器件来一定程度上实现复调制功能，但这会使得整个光学系统复杂度提升，同时导致最终效率大大降低，最重要的是这种方式的调制自由度较低，难以实现一些较为复杂的调制需求，这也限制了目前的空间频谱调制器件在光计算等对调制复杂度、灵活性要求较高的领域的应用。

发明内容

[0008] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，并以实现光学边缘检测为实施案例，提供了一种空间频谱调制器件以及边缘检测装置，旨在解决现有空间频谱调制器件难以兼顾灵活、高效、低能耗甚至零能耗的问题，以及以超表面为代表的新型光学元件的设计困难与加工成本高昂的问题。

[0009] 为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，包括：在衍射光学元件的基底器件上加工一块抑光区域，得到空间滤波器；确定衍射光学元件的相位分布，并转换为各衍射单元的结构参数；根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。

[0010] 进一步地，所述抑光区域为不透光区域或由中心到四周透光率径向渐变增大的区域。

[0011] 进一步地，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，作为衍射光学元件的相位分布。

[0012] 进一步地，所述确定衍射光学元件的相位分布，包括：将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，与具有聚焦功能的相位分布进行叠加，以叠加后的相位分布作为衍射光学元件的相位分布。

[0013] 第二方面，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件，采用如第一方面所述的方法得到。

[0014] 第三方面，本发明提供了一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，包括：第一透镜、空间频谱调制器件和第二透镜，所述空间频谱调制器件位于第一透镜的后焦平面以及第二透镜的前焦平面；所述第一透镜用于将位于第一透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，并在第一透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制；所述第二透镜用于将调制后的空间频谱分布转换至空间域，并在第二透镜的后焦平面上获得边缘检测后的光场分布。

[0015] 第四方面，本发明提供了一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，包括：透镜和空间频谱调制器件，所述空间频谱调制器件位于透镜的后焦平面上；所述透镜用于将位于透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，在透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制，并在空间频谱调制器件的焦平面上获得边缘检测后的光场分布。

[0016] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0017] （1）相比于现有的空间频谱调制器件，本发明使用了加工工艺成熟的衍射光学元件作为主要的光场调制器件；并且在加工衍射光学元件之前，通过镀膜工艺在其基底器件上加工一块不透光或渐变透光等具有特定设计分布的区域，该区域与衍射光学元件提供的相位分布共同作用，使得最终的空间频谱调制器件具有对光场进行复调制的能力，这一特点使得基于该方案所实现的频谱调制器件在光场调制方面具有更高的理论上限；

[0018] （2）相比于传统的对光场进行复调制的方法，本发明在具体设计与实现方面受到的限制更小，理论上可以实现多种设计的振幅和相位分布，同时最终器件集成度较高，一定程度上避免了多个光学元件级联进行复调制所造成的体积庞大、低效等问题；

[0019] （3）相比于现有的空间频谱调制器件，本发明所提空间频谱调制器件兼顾了液晶空间光调制器等电控主动式空间光调制器的灵活和螺旋相位板等传统光学元件的低功耗甚至零功耗的特点；

[0020] （4）基于本发明而提出的用于光学边缘检测的器件和系统，利用了衍射光学元件的相位自由度大的特点，在调制产生螺旋相位光场的基础上，再叠加一个带有特定焦距、具有聚焦能力的相位分布。该聚焦相位等效于一个无任何振幅损失的理想薄透镜，其效果上完全等效于光学4f系统的第二个傅里叶透镜，起到对光场执行二维傅里叶变换的功能。这使得本发明所提空间频谱调制器件只需要工作在光学3f系统下，一定程度上改善了光学4f系统集成度差的缺点；

[0021] （5）基于本发明而提出的用于光学边缘检测的器件和系统，相比于在衍射光学元件的基底器件中心加工一块不透光区域的方案，本发明还提出了在衍射光学元件的基底器件中心加工一块由中心到四周透光率径向渐变增大的区域的方案，如此，得到的空间频谱调制器件在理论上其振幅分布和相位分布满足了标准傅里叶变换的微分性质所要求的分布，在理论上与标准一阶光学微分器等价，这使得该空间频谱调制器件在边缘检测方面有能力实现微分计算所得到的理论最优效果；

[0022] （6）本发明所提基于衍射光学元件的边缘检测装置，相比于利用超表面作为调制器件的方案，设计难度、加工成本远低于超表面，对于实际应用来说更具优势。并且基于衍射光学元件的边缘检测装置的效率通常可以达到90%以上，显著高于表面等离极化激元、自旋霍尔效应等其他光学边缘检测方案。

附图说明

[0023] 图1为本发明实施例一提供的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法流程示意图。

[0024] 图2为本发明实施例一提供的拓扑荷值为1的螺旋相位场分布示意图。

[0025] 图3为本发明实施例二提供的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法流程示意图。

[0026] 图4为本发明实施例三提供的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法流程示意图。

[0027] 图5为本发明实施例三提供的在拓扑荷值为1的螺旋相位场上叠加聚焦相位后的相位场分布示意图。

[0028] 图6为本发明实施例三提供的高通螺旋相位器件的振幅分布示意图。

[0029] 图7为本发明实施例三提供的高通螺旋相位器件的相位分布示意图。

[0030] 图8为本发明实施例四提供的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法流程示意图。

[0031] 图9为本发明实施例四提供的一阶光学微分器的振幅分布示意图。

[0032] 图10为本发明实施例四提供的一阶光学微分器的相位分布示意图。

[0033] 图11为本发明实施例五提供的基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法流程示意图。

[0034] 图12为本发明实施例六提供的边缘检测装置的结构示意图。

[0035] 图13为本发明实施例七提供的边缘检测装置的结构示意图。

[0036] 图14为本发明实施例八提供的输入图像。

[0037] 图15为本发明实施例八提供的仿真结果示意图。

[0038] 图16为本发明实施例八提供的待检测图像。

[0039] 图17为本发明实施例八提供的边缘检测结果示意图。

具体实施方式

[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0041] 在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

[0042] 衍射光学元件（Diffractive Optical Elements,DOE）是一类基于光学衍射效应设计的超轻、超薄光学器件，能够实现高精度光场调制。相比于螺旋相位板以及空间光调制器来说，其设计自由度高，零功耗，集成体积小，可以非常方便的插入到光学系统中，相比于超表面，衍射光学元件的设计以及加工难度远低于超表面，在大规模应用方面相比于超表面具有非常明显的优势，并且基于衍射光学元件实现的器件大多是偏振无关的器件。

[0043] 实施例一：

[0044] 如图1所示，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，包括：

[0045] S101，在衍射光学元件的基底器件上加工一块抑光区域，得到空间滤波器；

[0046] 本实施例中，基底器件可以是普通二氧化硅材料基底、ITO导电玻璃基底以及其他常规透明基底。抑光区域可以是不透光区域或渐变透光区域，当通过镀膜工艺在基底上加工出不透光或渐变透光的区域时，由于材料作用影响，相比于原先透明基底，光场在通过这些区域时，会一定程度上受到限制，即加工部分的透光率会被抑制（最终抑制效果取决于设计目标），因此称其为抑光区域，整体器件从其作用效果上来说，起到了空间滤波器的作用。

[0047] 需要说明的是，根据设计目标，抑光区域可以是任何形状，例如圆形、方形、六边形等等，其中，圆形作为最基本的各向同性形状较为容易满足各向同性器件的调制要求；也可以加工在器件基底的任何位置上。优选地，本实施例中，圆形不透光区域被设置在器件基底中心位置。

[0048] 示例性的，当空间频谱调制器件应用于边缘检测领域时，其振幅分布要求在器件基底中心设置一块不透光区域或由中心到四周透光率径向渐变增大的区域，该区域理论上可以使用任意不透光的材料，使用镀膜工艺进行加工，该区域的尺寸取决于整个光学系统在应用场景下的实际尺寸，原则上暗区尺寸越大，边缘检测效果越好，但器件效率会降低。

[0049] 在完成本步骤后，所得到的器件根据其性质特点，可以称其为空间滤波器，进一步地，由于其中心抑光区域在频域中起到了抑制低频成分的作用，高频成份可以正常通过，因此也可以具体称其为高通滤波器。

[0050] S102，确定衍射光学元件的相位分布，并转换为各衍射单元的结构参数；

[0051] 本实施例中，根据实际设计需求确定衍射光学元件的相位分布，例如，当空间频谱调制器件应用于边缘检测领域时，以本实施例为例，需要将衍射光学元件的衍射单元分布设计为产生螺旋相位光场；当空间频谱调制器件应用于离轴成像时，需要将衍射光学元件的衍射单元分布设计为产生具有离轴聚焦能力的相位光场；当空间频谱调制器件应用于多焦点成像时，需要将衍射光学元件的衍射单元分布设计为具有多个焦点聚焦能力的相位光场；需要注意的是，根据本发明所提出的设计特点，此时确定衍射光学元件的相位分布时应与空间滤波器的透光率分布结合，考虑其结合时所带来的复振幅调制能力。

[0052] 在确定衍射光学元件的相位分布后，根据实际加工的工艺要求，把衍射光学元件的相位分布转换成各衍射单元的结构参数。

[0053] 示例性的，以衍射光学元件的衍射单元分布设计为产生螺旋相位光场为例，可以将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，作为衍射光学元件的相位分布。

[0054] 其中，螺旋相位的相位分布形式来自于光学一阶径向希尔伯特变换理论，当频域调制函数满足该理论所要求的分布时，其空间频谱调制器件的相位分布形式恰好是拓扑荷值为±1的螺旋相位的形式。带有螺旋相位的衍射光学元件对光场进行进一步调制，使得在频域中任意关于径向对称的2点在被调制后都会具有 的相位差（具有该性质的螺旋相位分布恰好与拓扑荷值为±1的轨道角动量光束一致），该相位差会使得最终变换回空间域的光场中，非边缘部分产生干涉相消，边缘部分由于存在振幅或相位梯度，频谱调制器所施加的相位差不是严格的 ，这导致了最终的干涉相消不完美，最终起到了强调边缘的效果。拓扑荷值为±1的螺旋相位场分布图如图2所示。

[0055] S103，根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。

[0056] 本实施例中，通过灰度曝光技术直接加工出衍射光学元件。该技术仅需要特定分布的灰度图即可加工出衍射单元结构阵列，相比于传统光刻工艺中的刻蚀等步骤，灰度曝光技术具有更高的灵活度和效率。

[0057] 实施例二：

[0058] 如图3所示，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，包括：

[0059] S201，在衍射光学元件的基底器件上加工一块不透光区域，得到空间滤波器；

[0060] S202，将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，作为衍射光学元件的相位分布；并将衍射光学元件的相位分布转换为各衍射单元的结构参数；

[0061] S203，根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。

[0062] 基于本实施例，所得到的空间频谱调制器件根据其结构特点与性质，可以称其为高通螺旋空间频谱调制器件。

[0063] 实施例三：

[0064] 如图4所示，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，包括：

[0065] S301，在衍射光学元件的基底器件上加工一块不透光区域，得到空间滤波器；

[0066] S302，将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，与具有聚焦功能的相位分布进行叠加，以叠加后的相位分布作为衍射光学元件的相位分布；并将衍射光学元件的相位分布转换为各衍射单元的结构参数；

[0067] S303，根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。

[0068] 本实施例与实施例二的区别在于，本实施例中衍射光学元件的器件相位分布在调制产生螺旋相位光场的基础上，再叠加一个带有特定焦距、具有聚焦能力的相位分布。该聚焦相位等效于一个无任何振幅损失的理想薄透镜，其效果上完全等效于光学4f系统的第二个傅里叶透镜，起到对光场执行二维傅里叶变换的功能。在拓扑荷值为±1的螺旋相位场上叠加聚焦相位后的相位场分布图如图5所示。

[0069] 下面结合计算公式对叠加聚焦相位的等价性与有效性进行具体的说明。根据理想透镜成像公式可以得知，该设计方法等效于将理想薄透镜紧贴空间频谱调制器件放置，记刚被空间频谱调制器件调制后的光场分布为 ，则在透镜焦距面上，得到输出场分布为 ，其中x、y代表空间位置坐标，R表示系统通光口径的半径值， 表示圆形函数，描述无穷大不透明屏上半径为R的圆孔的透过率，此处取半径为R的圆孔的透过率为1，表示无任何光强损失，f表示光波的频率， 表示光波的波长，i表示虚数单位，k表示空间波矢， 和v分别表示光场的二维空间频率分量，x和y分别表示光场的二维空间位置坐标。标准光学4f系统在上述情况下得到的输出场分布为 ，可以
看到二者分布只有一个相位项的差别，因此这不会影响最终光场的强度分布特点。

[0070] 基于本实施例，在完成本步骤后，所得到的最终空间频谱调制器件根据其结构特点与性质，可以称其为具有聚焦能力的高通螺旋空间频谱调制器件，其振幅分布和相位分布示意图如图6和图7所示。需要注意的是，图6和图7中的标尺数据仅仅是为了举例而设置的数据，不代表真实情况下本发明所提出的器件的实际尺寸，其实际尺寸可以根据需要进行设计。

[0071] 实施例四：

[0072] 如图8所示，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，包括：

[0073] S401，在衍射光学元件的基底器件上加工一块渐变透光区域，得到空间滤波器；

[0074] 本实施例中，基底器件可以是普通二氧化硅材料基底、ITO导电玻璃基底以及其他常规透明基底。渐变透光区域可以是径向渐变（由中心到四周沿径向方向透光率增大或减小）、线性渐变（任意方向线性渐变透光率），具体分布需要由实际的应用目标确定，在本实施例中，目标是实现一阶光学微分器以用于光学边缘检测，因此优选的，根据一阶傅里叶变换的微分性质所要求的器件分布特点，采用由中心到四周透光率径向渐变增大的分布作为器件基底分布（本实施例所述的渐变区域中心即为整体器件中心）。

[0075] 下面结合具体计算公式来对选择透光率径向渐变增大分布的原因进行说明，由一阶傅里叶变换公式的微分性质可以知道， ，i表示虚数单位， 表示频率。空间域函数 的微分的傅里叶变换就等价于 的傅里叶变换在频域中与频域调制函数 相乘，频域调制函数即为本实施例中所需要构造的器件能够提供的调制函数。由于计算目标是实现二维空间上，各向同性的微分计算，因此参考光学径向希尔伯特变换的思想，沿着频谱面径向方向对每一条直径应用一阶微分调制函数，这可以看作是无限个一阶微分调制函数的旋转、叠加，所得到的二维，最终得到的振幅和相位分布分别为图9和图10所示。

[0076] S402，将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，作为衍射光学元件的相位分布；并将衍射光学元件的相位分布转换为各衍射单元的结构参数；

[0077] S403，根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。

[0078] 本实施例与实施例二的区别在于，本实施例是在衍射光学元件的基底器件中心加工一块由中心到四周透光率径向渐变增大的区域，本实施例所得到的器件相比于实施例二，在理论上满足了标准傅里叶变换的微分性质所要求的振幅分布，在边缘检测应用中，理论上能够获得最理想的边缘检测效果。

[0079] 实施例五：

[0080] 如图11所示，本发明提供了一种基于衍射光学元件的空间频谱调制器件的设计与实现方法，包括：

[0081] S501，在衍射光学元件的基底器件上加工一块渐变透光区域，得到空间滤波器；

[0082] 本实施例中，渐变透光区域优选为由中心到四周透光率径向渐变增大的区域。

[0083] S502，将拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布，与具有聚焦功能的相位分布进行叠加，以叠加后的相位分布作为衍射光学元件的相位分布；并将衍射光学元件的相位分布转换为各衍射单元的结构参数；

[0084] S503，根据各衍射单元的结构参数对所述空间滤波器进行加工，得到空间频谱调制器件。

[0085] 本实施例与实施例四的区别在于，本实施例中衍射光学元件的器件相位分布在调制产生螺旋相位光场的基础上，再叠加一个带有特定焦距、具有聚焦能力的相位分布。该聚焦相位等效于一个无任何振幅损失的理想薄透镜，其效果上完全等效于光学4f系统的第二个傅里叶透镜，起到对光场执行二维傅里叶变换的功能。

[0086] 基于本实施例，得到的空间频谱调制器件，也称为一阶光学微分器，其振幅分布和相位分布示意图如图9和图10所示。

[0087] 实施例六：

[0088] 如图12所示，本发明提供了一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，包括：第一透镜、空间频谱调制器件和第二透镜，所述空间频谱调制器件位于第一透镜的后焦平面以及第二透镜的前焦平面；所述第一透镜用于将位于第一透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，并在第一透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制；所述第二透镜用于将调制后的空间频谱分布转换至空间域，并在第二透镜的后焦平面上获得边缘检测后的光场分布。

[0089] 本实施例中，带有目标特征分布的光场由输入面进入，随后依次经过第一透镜、空间频谱调制器件和第二透镜，最后在观察面上呈现边缘检测后的光场分布。空间频谱调制器件的聚焦相位则可根据实际需要设计为不同的焦距，该聚焦相位的焦距和透镜的焦距关系会影响最后实际成像的大小。

[0090] 需要说明的是，本实施例中的空间频谱调制器件为采用实施例二或实施例四的方法得到。

[0091] 实施例七：

[0092] 如图13所示，本发明提供了一种基于衍射光学元件的边缘检测装置，包括：透镜和空间频谱调制器件，所述空间频谱调制器件位于透镜的后焦平面上；所述透镜用于将位于透镜的前焦平面上的待处理光场变换至频域空间，在透镜的后焦平面上得到待处理光场的空间频谱分布；所述空间频谱调制器件用于对所述空间频谱分布进行调制，并在空间频谱调制器件的焦平面上获得边缘检测后的光场分布。

[0093] 本实施例中，带有目标特征分布的光场由输入面进入，随后依次经过透镜和空间频谱调制器件，最后在观察面上呈现边缘检测后的光场分布。空间频谱调制器件的聚焦相位则可根据实际需要设计为不同的焦距，该聚焦相位的焦距和透镜的焦距关系会影响最后实际成像的大小。

[0094] 需要说明的是，本实施例中的空间频谱调制器件为采用实施例三或实施例五的方法得到。本实施例中光学滤波器的器件相位分布在调制产生螺旋相位光场的基础上，叠加了一个带有特定焦距、具有聚焦能力的相位分布，起到对光场执行二维傅里叶变换的功能，因此，可直接在空间频谱调制器件的焦平面上获得边缘检测后的光场分布，不需要第二个透镜。

[0095] 实施例八：

[0096] 本实施例通过仿真，以一阶光学微分器为基准，选择较为合适的高通螺旋相位器件中心暗区的尺寸值。仿真参数为：工作波长532纳米，计算矩阵尺寸为5000×5000，单个正方形像素大小为2微米，傅里叶透镜焦距为20000微米，叠加到空间频谱调制器件上的聚焦相位提供的焦距为40000微米，系统整个圆形通光口径为5000微米，衍射传播算法为角谱法。

[0097] 首先构造图6和图7所示振幅和相位分布的高通螺旋空间频谱调制器件，该器件原理是基于高通滤波理论和螺旋相称技术，在实施例一、二、三中已作详细说明。

[0098] 需要注意的是，该器件在调制相位的基础上叠加了具有聚焦能力相位。

[0099] 随后构造图9和图10所示振幅和相位分布的一阶光学微分器，该器件原理来自于傅里叶变换的微分性质以及径向希尔伯特变换的思路，该器件在振幅上构造了由中心到四周透光率径向渐变增大的形式，其相位与拓扑荷值为±1的轨道角动量的相位分布相同（仅分布特点相同）。

[0100] 需要注意的是，该器件在调制相位的基础上叠加了具有聚焦能力相位。

[0101] 需要注意的是，傅里叶变换的理论要求的是无限平面上的分布，但是在具体实施过程中，受限于器件口径等因素，其相比于理论分布，具体分布只能是近似分布，但这不影响分布所具有的本质特点以及能力，最终调制效果仍然能够逼近理论最优效果。

[0102] 需要注意的是，这两类器件的相位分布是调制相位叠加聚焦相位，该器件最后的运算结果相比于标准光学4f系统来说，多了一个相位项上的系数，但该系数不影响最终光强分布，仍然可以认为最终运算结果是微分运算结果。

[0103] 需要注意的是，在仿真中，高通螺旋空间频谱调制器件和一阶光学微分器的几何尺寸以及聚焦相位的等效焦距值完全一致，只有高通螺旋相位器件的暗区尺寸为变量值。

[0104] 随后使用图14所示的图像作为仿真输入，对仿真结果计算锐度指标，例如对仿真结果计算其中心横向剖线并计算中心位置的半高全宽的倒数来表示锐度指标。对于高通螺旋相位器件，采用不同的中心暗区尺寸值进行仿真，将所有仿真结果绘制到图15所示的曲线上。对于一阶光学微分器来说，当几何尺寸固定时，其所有参数固定，因此只有一组仿真参数，以虚线形式绘制到图15中，可以看到，在当前仿真参数下，当高通螺旋相位器件的中心暗区半径约为160um时，其锐度指标与一阶光学微分器相当，但是其实现难度上远远低于一阶光学微分器。

[0105] 图16为一张带有H字样的图片，经过本发明所提出的高通螺旋相位器件调制后所得到的边缘检测结果如图17所示。

[0106] 由于本发明具有简单、高效、限制少、加工工艺成熟、成本低廉的特点，因此可以作为视觉系统的前端处理组件进行大规模实际应用。

[0107] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。