本发明属于图像处理技术、信息光学，涉及一种基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法及系统，具体涉及一种基于超表面进行偏振相关频谱调制从而实现光学微、积分并行运算光学系统及方法。
背景技术：
1、去噪和边缘检测是图像处理技术中应用十分广泛的两项操作，前者通过去除图像中的随机噪声，使图像信息更加易于观察和处理，后者可以提取出图像中的轮廓信息，常用于人工智能领域的目标识别，二者也可以同时应用于生物样品观察。去噪和边缘检测的图像处理过程可以看作对图像做积分和微分运算。传统的图像处理方法通常借助于数字电路进行相应运算实现，性能受限于电路本身，难以满足人们对于数据处理量和运算速度的要求。光学运算是采用光学方法模拟简单数学运算例如微分、积分和卷积，具有速度快、可并行的优势，在性能上远胜于传统数学电路方法。由于图像输入可以轻易通过光学信号来实现，所以光学运算尤其适用于图像处理领域。而传统光学运算系统中光学元件具有尺寸大、不易集成和功能单一等缺点。近年来，基于超表面的光学运算技术发展迅速，利用超表面可实现光学微分、积分和卷积的单一运算操作，但受限于传递函数设计和耦合条件等实现原理，存在运算功能单一、工作波长及视场受限的缺点。
技术实现思路
1、要解决的技术问题
2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法及系统，旨在解决原有技术中运算功能单一、工作波长及视场受限的缺点。该器件能够对输入图像进行积分运算与微分运算的并行运算，进而对去除随机噪声和边缘检测两个图像处理结果直接成像。
3、技术方案
4、一种基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法，其特征在于：对输入图像的局部，进行偏振旋转改变入射线偏振光的偏振分布，使得两个正交的线偏振光分量具有分别对应两种互补的点扩散函数的强度分布，进而对输入图像同时实施对应微分和积分的卷积运算。
5、所述卷积运算为输入图像与特定振幅点扩散函数的卷积运算。
6、所述点扩散函数具体形式为：式中，x、y为位置坐标，r1和r2为两个常数值，r1的大小决定了去除最大噪点的半径和边缘检测的最小分辨率。
7、所述常数值r2的大小则决定了图像处理结果中噪点位置和边缘内部强度的取值范围。
8、一种实现所述基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法的系统，包括激光器1、起偏器2、傅里叶变换透镜4、傅里叶逆变换透镜6和偏振相机7；其特征在于还包括位于傅里叶变换透镜4和傅里叶逆变换透镜6之间设有的超表面成像器件5；所述超表面成像器件5是在二氧化硅衬底上周期性垂直排列多晶硅非正方的矩形纳米柱；所述矩形纳米柱与水平具有一个夹角，且每一个矩形纳米柱与水平的夹角θ不一致，构成多个矩形纳米柱的排列旋转角；所述偏振相机7的输出结果中与入射光同偏振方向和正交方向的线性偏振分量进行记录，分别得到对输入图像进行积分运算去噪和微分运算边缘检测的两个结果。
9、所述每一个矩形纳米柱的旋转角θ与矩形纳米柱位置的透过率t的关系式为t＝cos2(θ/2)。
10、所述矩形纳米柱以椭圆形纳米柱取代。
11、所述透过率t＝|h(fx,fy)|2，其中：x、y为位置坐标，fx＝x/λf，fy＝y/λf为频谱空间位置坐标，λ为光波长，f为傅里叶变换透镜4的焦距。
12、所述常数参量r1和r2，根据应用需求，通过调节卷积psf中的常数参量r1和r2，对去噪和边缘检测两个图像处理结果进行优化。
13、所述激光器1采用sc-pro,ysl或photonics3。
14、有益效果
15、本发明提出的一种基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法及系统，包括激光器、起偏器、傅里叶变换透镜、傅里叶逆变换透镜和偏振相机；还包括位于傅里叶变换透镜和傅里叶逆变换透镜之间设有的超表面成像器件；方法为：对输入图像的局部，进行偏振旋转改变入射线偏振光的偏振分布，使得两个正交的线偏振光分量具有分别对应两种互补的点扩散函数的强度分布，进而对输入图像同时实施对应微分和积分的卷积运算。可应用在基于图像处理的生物样品观察和目标识别等领域。所述微、积分运算是利用超表面的局部相位延迟作用，使线偏振光入射后发生偏振分布变化，从而在两个正交线偏振分量中实现对应两种不同振幅点扩散函数的卷积运算。所述光学成像系统由4f系统及放置于其频谱面的超表面构成，其振幅点扩散函数经过特殊设计，使其与输入图像卷积结果等效为对输入图像进行积分和微分运算，达到并行去噪和边缘检测的目的。本发明克服原有技术的缺点，可广泛应用在去噪和边缘检测的图像处理领域中。
16、本发明相对于现有技术的有益效果为：
17、1.本发明可以同时实现积分和微分两种光学运算，并且通过偏振相机能够同时获得两种运算结果；
18、2.本发明可以在多个可见光波长下实现积分运算和微分运算，超表面的相位延迟仅与多晶硅纳米柱的排列旋转角有关，与波长无关，使得超表面在多个可见光波长下具有类似的相位延迟响应。
19、3.本发明实现的光学运算不受视场角限制，几何相位超表面的相位延迟响应特性与入射角度无关。
20、4.本发明可以同时实现对于输入图像的去噪和边缘检测，可以应用于图像处理和生物样品观察中。
21、5.本发明可以实现任意尺寸噪点的去除和任意线宽物体的边缘检测，通过调节卷积psf中的常数参量r1和r2，可以根据应用需求对去噪和边缘检测两个图像处理结果进行优化。
1.一种基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法，其特征在于：对输入图像的局部，进行偏振旋转改变入射线偏振光的偏振分布，使得两个正交的线偏振光分量具有分别对应两种互补的点扩散函数的强度分布，进而对输入图像同时实施对应微分和积分的卷积运算。
2.根据权利要求1所述基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法，其特征在于：所述卷积运算为输入图像与特定振幅点扩散函数的卷积运算。
3.根据权利要求2所述基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法，其特征在于：所述点扩散函数具体形式为：式中，x、y为位置坐标，r1和r2为两个常数值，r1的大小决定了去除最大噪点的半径和边缘检测的最小分辨率。
4.根据权利要求3所述基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法，其特征在于：所述常数值r2的大小则决定了图像处理结果中噪点位置和边缘内部强度的取值范围。
5.一种实现权利要求1～4所述任一项基于超表面的光学微、积分并行运算光学方法的系统，包括激光器(1)、起偏器(2)、傅里叶变换透镜(4)、傅里叶逆变换透镜(6)和偏振相机(7)；其特征在于还包括位于傅里叶变换透镜(4)和傅里叶逆变换透镜(6)之间设有的超表面成像器件(5)；所述超表面成像器件(5)是在二氧化硅衬底上周期性垂直排列多晶硅非正方的矩形纳米柱；所述矩形纳米柱与水平具有一个夹角，且每一个矩形纳米柱与水平的夹角θ不一致，构成多个矩形纳米柱的排列旋转角；所述偏振相机(7)的输出结果中与入射光同偏振方向和正交方向的线性偏振分量进行记录，分别得到对输入图像进行积分运算去噪和微分运算边缘检测的两个结果。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述每一个矩形纳米柱的旋转角θ与矩形纳米柱位置的透过率t的关系式为t＝cos2(θ/2)。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述矩形纳米柱以椭圆形纳米柱取代。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述透过率t＝|h(fx,fy)|2，其中：x、y为位置坐标，fx＝x/λf，fy＝y/λf为频谱空间位置坐标，λ为光波长，f为傅里叶变换透镜(4)的焦距。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述常数参量r1和r2，根据应用需求，通过调节卷积psf中的常数参量r1和r2，对去噪和边缘检测两个图像处理结果进行优化。
10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述激光器(1)采用sc-pro,ysl或photonics3。
