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制造技术

本发明专利技术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

Hydrogel nano microcavity and its application to tunable frequency domain processing of optical images

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及微纳光学及薄膜光学
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中的不足，本专利技术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，本专利技术的技术方案如下：
[0005]第一方面，本专利技术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，本专利技术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]本专利技术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]本专利技术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、本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例中纳米微腔的结构示意图；
[0022]图3是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例中纳米微腔实现图像光学处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
‑...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：