1.本发明涉及微纳光学及薄膜光学技术领域，具体涉及一种水凝胶纳米微腔及其实现光学图像可调控频域处理的应用。
背景技术：2.图像的边缘增强可以使得图像的轮廓信息更突出，是图像处理中重要的步骤和过程。一般来说，图像的边缘增强有计算机处理和利用光学成像系统两种方法。计算机处理是后期利用算法，对采集到的图像进行边缘增强；而光学系统成像主要可以利用空间滤波，通过抑制空间频率中的低频分量，保留高频分量使得图像的边缘得到增强。基于光学系统的图像边缘增强方法，使得图像在成像前就得到处理，同时光模拟计算的速度要高于计算机的计算速度，因此具有很大的应用前景。近年来，微纳光学的发展，使得微纳器件对光波的操控更加自由，尤其是超表面领域，可以通过设计单元结构的尺寸大小，可以操控超表面对不同波矢入射光的响应不同，以实现对图像的频域滤波，达到图像边缘增强的目的。(zhouy,zheng h,kravchenko i i,et al.flat optics for image differentiation[j].nature photonics,2020,14(5):316-323.)。然而，这种基于单元结构设计的超表面仍存在加工制造成本高的缺点。另一种策略是通过设计多层薄膜结构，无需复杂的单元结构，通过将不同材料的膜的交替排布，通过成熟的镀膜工艺，也可以实现对图像信息的频域滤波，图像边缘得到增强。(jin c,yangy.transmissive nonlocal multilayer thin film optical filter for image differentiation[j].nanophotonics,2021,10(13):3519-3525.)。同时，多层薄膜结构具有工艺简单，可大面积制造等优点。然而，目前基于多层膜结构实现空间滤波存在层数过多，缺少可调控等缺点。随着微纳器件的功能化和集成化，如何利用多层膜结构实现多功能频率滤波以及功能的可调控性，仍未被充分探索，亟待新的创新和革命。
技术实现要素：[0003]
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种水凝胶纳米微腔及其实现光学图像可调控频域处理的应用。用此方法，可以通过设计五层薄膜堆叠的纳米微腔结构，来实现对输入图像进行频域高通滤波和低通滤波的双功能可调控切换，对应于图像的明场成像和边缘增强成像的双功能切换。同时，可调控的手段分为两种，一种是波长调控，一种是湿度调控。
[0004]
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0005]
第一方面，本发明提供一种水凝胶纳米微腔，其特征在于：所述水凝胶纳米微腔，由五层纳米薄膜堆叠构成：金属、水凝胶、金属、水凝胶和金属，所述金属、水凝胶、金属、水凝胶和金属，按照自上而下顺序依次排布金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属结构；其工作波长由水凝胶层的厚度决定。
[0006]
作为优选方案，所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜的水凝胶层为聚乙烯醇；
[0007]
所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜结构的金属层均为银层；
[0008]
所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜结构的水凝胶层能吸水膨胀。
[0009]
进一步地，所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜的厚度均为亚波长尺度；
[0010]
第二方面，本发明提供一种基于水凝胶纳米微腔实现光学图像可调控频域处理的应用，其特征在于：如以上任一所述的水凝胶纳米微腔结构应用于制备实现光学图像可调控频域处理的器件，得到纳米微腔器件：
[0011]
所述水凝胶纳米微腔的薄膜堆叠结构在两个不同波长下，能够对图像的频谱信息分别进行高通和低通的滤波操作；同时，通过改变环境湿度，纳米微腔器件能够实现同一波长下，在不同环境湿度下，分别实现对输入图像的频谱进行低通和高通的滤波操作；所述纳米微腔器件，能实现在亚波长尺度下，对输入图像信息的频域滤波的双功能切换，并且提供两种调控手段。
[0012]
作为优选方案，所述纳米微腔结构能对入射光学图像的频域进行滤波操作，并且滤波功能可通过波长调控；在波长1(λ1)实现频域的高通滤波，在波长2(λ2)实现频域的低通滤波。
[0013]
进一步地，所述水凝胶层的厚度对环境的相对湿度响应，即水凝胶层的厚度随相对湿度变化；在设计波长处，通过改变环境湿度，即能实现频域滤波中低通滤波和高通滤波的双功能切换。
[0014]
本发明提供的基于纳米微腔实现光学图像可调控频域处理的应用具体为：所述基于纳米微腔的光学薄膜在两个不同波长下，可以对图像的频谱信息分别进行高通和低通的滤波操作；同时，通过改变环境湿度，纳米微腔器件可以实现同一波长下，在不同环境湿度下，分别实现对输入图像的频谱进行低通和高通的滤波操作。该纳米微腔器件，实现了亚波长尺度下，对输入图像信息的频域滤波的双功能切换，并且提供两种调控手段。
[0015]
本发明的优点及有益效果如下：
[0016]
1、利用五层薄膜结构实现了输入图像的双功能可切换频域滤波，对应于明场成像功能和边缘增强成像功能。在微纳尺度下，实现了双功能的集成，并且兼具可调控性。
[0017]
2、本方法同时提供了两种不同的调控策略，即通过改变入射光波长或者改变环境湿度实现频域滤波的双功能切换，可满足不同工作环境的需求。
[0018]
3、将水凝胶作为纳米微腔的中间层，由于水凝胶吸水膨胀的特性，使得纳米微腔的共振波长发生变化，从而实现纳米微腔能够在不同环境湿度下对输入图像频域滤波的双功能切换，为实现动态微纳光学器件提供了新的范例。
[0019]
4、本发明设计的纳米微腔基于薄膜堆叠结构，可通过成熟的加工工艺如旋涂、热蒸发、沉积等，进行大规模、低成本的制备。并且，易于与紧凑型光学成像系统相集成，如显微镜等，拓展现有光学成像系统的功能性。
附图说明
[0020]
图1是本发明中实现通过波长调控实现图像边缘增强和明场成像功能切换的示意图；
[0021]
图2是本发明实施例中纳米微腔的结构示意图；
[0022]
图3是本发明实施例中纳米微腔光谱透射率随入射角变化的模拟和实验效果图；
[0023]
图4是本发明实施例中纳米微腔在两个波长下透射率随数值孔径变化的实验效果图；
[0024]
图5是本发明实施例中纳米微腔在两个波长下分别实现图像边缘增强(λ1)和明场成像(λ2)的仿真效果图；
[0025]
图6是本发明实施例中纳米微腔实现图像光学处理的实验装置示意图；
[0026]
图7是本发明实施例中实验光路中有/无纳米微腔时两个波长下成像的实验效果图；
[0027]
图8是本发明实施例中实验光路中有/无纳米微腔时两个波长下成像效果的强度分布图；
[0028]
图9是发明中实现通过湿度调控实现图像边缘增强和明场成像功能切换的示意图；
[0029]
图10是本发明实施例中纳米微腔在两个湿度下分别实现图像明场成像(rh1)和边缘增强(rh2)的仿真效果图；
[0030]
图11是本发明实施例中两个湿度下不同成像功能的实验效果图；
[0031]
图12是本发明实施例中两个湿度下不同成像功能成像效果的强度分布图；
[0032]
图中：t1为上水凝胶层的厚度，t2为下水凝胶层的厚度，h是银层的厚度。
具体实施方式
[0033]
为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例为基于纳米微腔实现不同波长下光学图像可调控频域处理的方法，以及仿真和实验结果。
[0036]
基于光学系统的图像频域滤波方法，当输入图像的场分布为e
in
，光学器件的传递函数为t(k
x
，ky)，其中k
x
/k0＝sinθ
x
，ky/k0＝sinθy。k
x
，ky是x，y方向的波矢；θ
x
和θy是入射光角度。则输出的场分布e
out
∝
t(k
x
，ky)e
in
。根据信息光学原理可知，图像的高频信息由大的波矢分量携带，当入射的图像光波经过频域滤波器件时，对应于大的入射角。低频信息由小的波矢分量携带，经过频域滤波器件时，对应于小的入射角。因此通过设计纳米微腔使得其对不同入射角的光波，具有不同的透射率响应，即可设计出对入射图像频域进行高频滤波或低频滤波的器件。图1为所设计的纳米微腔对输入图像进行频域处理的示意图。由于纳米微腔对不同入射角的光波具有不同的透射率响应，且依赖于波长变化，因此可以实现在波长1(λ1)处使得携带高频信息的大入射角光束透过，抑制携带低频信息的小角度入射光，从而实现图像的边缘增强；在波长在波长2(λ2)处使得携带低频信息的小入射角光束透过，抑制携带高频信息的大角度入射光，从而实现明场成像功能。图2展示了纳米微腔结构的具体设计，将银层-水凝胶层-银层-水凝胶层-银层自下而上依次通过蒸发和旋涂的工艺，沉积在透明基地二氧化硅上。这里设计的纳米微腔中银层的厚度为h＝20nm，水凝胶层的厚度t1＝t2＝150nm。其对不同入射角度光波光谱的透射率响应，如图3所示。可以看出，实验和模拟表现出很好的一致性。根据光谱透射率随入射角度变化的关系，可以找到在波长λ1＝510nm处，满足小角度的入射光被抑制，大角度的入射光得以透过；在λ2＝580nm处相反，如
图4所示。图4中用数值孔径(numerical aperture，na)来代表入射角度的大小，因为na＝n
·
sinθ
x
，其中n是介质折射率，这里为空气中n＝1。因此大na对应于大的入射角，小na对应于小的入射角。值得注意的是，这里测量的是x方向纳米微腔光谱透射率随角度的关系，因为纳米微腔是各向同性的，所以y方向同样满足。图5展示了不同波长的平行入射光波照射到具有不同线宽的长方形图像后成像的模拟结果。不难看出，当用510nm的光波照射时，得到的不同线宽长方形的边缘信息，即实现了边缘增强功能；当用580nm的光波照射时，得到了不同线宽长方形的主体，即低频部分，实现了明场成像功能。图6展示了实验中对目标图像进行不同功能成像的光路示意图，将准直的单色激光先打在测试目标物上，在将纳米微腔放在测试目标物后，最后经过一个显微镜成像系统：物镜、透镜、ccd，对经过纳米微腔的测试目标物成像。这里由于纳米微腔类似于一个双层法布里-珀罗(dual-fabry-perot)架构，用dfp表示。在实验中，测试目标为分辨率版，当光路中没有纳米微腔dfp时，在510nm和580nm波长的光照射下，分辨率版正常成像。当在光路中加入纳米微腔dfp后，入射波长λ1＝510nm下，分辨率版图样只显示出边缘信息；入射波长λ2＝580nm下，分辨率版图样保持长方形图样，如图7所示。其成像强度的变化如图8所示，不难看出，在510nm波长下，将纳米微腔dfp置于测试目标后，实现了边缘增强，分辨率图样长方形中间低频部分的强度被抑制；而在580nm处低频部分的强度得以保留。
[0037]
因此，所提出的基于五层薄膜堆叠结构的纳米微腔，可以对光学图像进行频域的处理，并且通过调控入射光波长，可以实现两种不同频域处理的切换，对应于对目标图像的边缘增强成像和明场成像。
[0038]
实施例2
[0039]
本实施例为基于纳米微腔实现不同湿度下光学图像可调控频域处理的方法，以及仿真和实验结果。
[0040]
图9展示了在不同相对湿度(relative humidity，rh)下，纳米微腔对输入图像进行边缘增强(rh2)和明场成像(rh1)的双功能切换。这里在相对湿度(rh1)较低时的水凝胶层厚度为t1＝t2＝150nm，银层厚度为h＝20nm，在波长λ＝580nm处，可以实现明场成像功能，即低频分量透射率高，高频分量透射率低。由于水凝胶吸水膨胀特性，当环境湿度变大到rh2时，上层的水凝胶厚度t1将显著增加。若t1增加到190nm，由于共振波长的移动，在580nm处将实现功能的切换，即对图像进行边缘增强处理，如图10所示。仿真中，很好的实现了两个不同频域处理功能的切换。在实验中，由于水凝胶层旋涂带来的厚度误差，最终实现了，在590nm波长照射下，两个不同相对湿度rh1＝30～40％，rh2＝80～90％，一定程度上实现了频域处理的功能切换，即当湿度从rh1增大到rh2，图像的边缘逐渐增强，如图11所示，其中标尺为5μm。将图11中，虚线框中图像的强度在横向取平均后，可以得到，相较于rh1，在相对湿度rh2下，长方形轮廓中间部分的低频分量明显的下降，如图12所示。
[0041]
因此，这种具有水凝胶材料的纳米微腔薄膜堆叠结构，也可以实现对光学图像基于湿度调控的不同频域处理。不仅如此，该器件的工作波长，可以通过设计水凝胶层的厚度t1，t2，可轻松拓展至可见光波段的任意波长。
技术特征：1.一种水凝胶纳米微腔，其特征在于：所述水凝胶纳米微腔，由五层纳米薄膜堆叠构成：金属、水凝胶、金属、水凝胶和金属，所述金属、水凝胶、金属、水凝胶和金属，按照自上而下顺序依次排布金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属结构；其工作波长由水凝胶层的厚度决定。2.根据权利要求1所述的水凝胶纳米微腔，其特征在于：所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜的水凝胶层为聚乙烯醇；所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜结构的金属层均为银层；所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜结构的水凝胶层能吸水膨胀。3.根据权利要求2所述的水凝胶纳米微腔，其特征在于：所述金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属薄膜的厚度均为亚波长尺度。4.一种基于水凝胶纳米微腔实现光学图像可调控频域处理的应用，其特征在于：如权利要求1至3中任一所述的水凝胶纳米微腔结构应用于制备实现光学图像可调控频域处理的器件，得到纳米微腔器件：所述水凝胶纳米微腔的薄膜堆叠结构在两个不同波长下，能够对图像的频谱信息分别进行高通和低通的滤波操作；同时，通过改变环境湿度，纳米微腔器件能够实现同一波长下，在不同环境湿度下，分别实现对输入图像的频谱进行低通和高通的滤波操作；所述纳米微腔器件，能实现在亚波长尺度下，对输入图像信息的频域滤波的双功能切换，并且提供两种调控手段。5.根据权利要求4所述的基于水凝胶纳米微腔实现光学图像可调控频域处理的应用，其特征在于：所述纳米微腔结构能对入射光学图像的频域进行滤波操作，并且滤波功能可通过波长调控；在波长1(λ1)实现频域的高通滤波，在波长2(λ2)实现频域的低通滤波。6.根据权利要求4或5所述的基于水凝胶纳米微腔实现光学图像可调控频域处理的应用，其特征在于：所述水凝胶层的厚度对环境的相对湿度响应，即水凝胶层的厚度随相对湿度变化；在设计波长处，通过改变环境湿度，即能实现频域滤波中低通滤波和高通滤波的双功能切换。
技术总结本发明公开了一种水凝胶纳米微腔及其实现光学图像可调控频域处理的应用，所述纳米微腔由金属-水凝胶-金属-水凝胶-金属五层薄膜堆叠而成；所述金属层为银层；所述水凝胶层为聚乙烯醇层；所述水凝胶层的聚乙烯醇可以吸水膨胀；所述纳米微腔可以对两个不同波长下的输入图像分别实现边缘增强成像和明场成像功能；所述纳米微腔可以通过湿度调控实现同一波长下，对输入图像进行边缘增强成像和明场成像的功能切换。本发明利用简单的多层膜堆叠结构设计，并引入具有湿度响应的水凝胶材料，实现了双功能可调控的新型光学频域处理器件，同时具有结构简单，调控方式简单，功能丰富以及易于集成等优点，可广泛用于图像处理，光学模拟计算等重要领域。算等重要领域。算等重要领域。
技术研发人员：李仲阳 代尘杰 时阳阳 王泽静 李哲 万帅 胡婉林
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2022.04.18
技术公布日：2022/7/5
