本發(fā)明涉及光學(xué)成像，具體為一種用于平面光學(xué)超衍射成像研究的多維探測驗證轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)平面成像技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像領(lǐng)域的技術(shù)，包括顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等；它主要依靠透鏡等光學(xué)元件來收集和聚焦光線，形成圖像。

2、傳統(tǒng)成像技術(shù)受衍射極限的限制，難以實現(xiàn)超衍射極限的高分辨率成像，現(xiàn)有技術(shù)中的成像系統(tǒng)采用單個探測器，無法獲取光束在空間位置、偏振狀態(tài)、波前狀態(tài)的多維度信息；缺乏有效的圖像處理算法，無法從低分辨率圖像中恢復(fù)出高分辨率圖像，無法保證成像質(zhì)量；缺乏有效的圖像質(zhì)量驗證方法，無法評估重建圖像的準(zhǔn)確性和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于平面光學(xué)超衍射成像研究的多維探測驗證轉(zhuǎn)換器，解決了如何通過多維度獲取光束的信息，如何通過算法實現(xiàn)成像的準(zhǔn)確性和可靠性的問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種用于平面光學(xué)超衍射成像研究的多維探測驗證轉(zhuǎn)換器，包括

5、至少一個超表面光學(xué)元件，用于對入射光束進行相位調(diào)制和振幅調(diào)制，以實現(xiàn)超衍射極限的成像及超越傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)中的衍射極限，實現(xiàn)更高分辨率；

6、一個多維探測模塊，用于捕獲經(jīng)超表面光學(xué)元件調(diào)制后的光束信息，并將其光束信息轉(zhuǎn)換成電信號，其中包括多維度光束分割技術(shù)、偏振探測器和波前探測器；

7、一個數(shù)據(jù)處理單元，用于接收多維探測模塊的電信號，并進行處理和驗證，結(jié)合對抗網(wǎng)絡(luò)和特征提取，以提高成像質(zhì)量；

8、一個用戶界面，用于用戶和平面光學(xué)超衍射成像的多維探測驗證轉(zhuǎn)換器交互。

9、優(yōu)選的，超表面光學(xué)元件，其特征在于包括超表面光學(xué)元件中的納米結(jié)構(gòu)單元的尺寸為工作光波長的1/50至1/100，以實現(xiàn)超衍射極限的成像效果，其中工作光波長為可見光波段；所述超表面光學(xué)元件的材料為高折射率的透明材料，如二氧化鈦，以優(yōu)化電磁響應(yīng)；所述超表面光學(xué)元件的設(shè)計基于物理模型b＝μh，其中b表示磁感應(yīng)強度，h表示磁場強度，μ表示磁導(dǎo)率；通過物理模型確定超表面光學(xué)元件的磁感應(yīng)強度，仿真軟件確定超表面光學(xué)元件的幾何參數(shù)和亞波長結(jié)構(gòu)，使每個納米結(jié)構(gòu)單元對電磁波的響應(yīng)符合設(shè)計要求；使用仿真軟件進行電磁仿真，進一步確定超表面光學(xué)元件的幾何參數(shù)，包括單元格尺寸小于亞波長、形狀、周期性的二維陣列，通過仿真結(jié)果制造超表面光學(xué)元件，采用光學(xué)測試平臺進行光束衍射效率測試，測試結(jié)果驗證超表面光學(xué)元件的亞波長結(jié)構(gòu)能否達(dá)到超衍射極限成像的要求；所述超表面光學(xué)元件被集成到平面光學(xué)超衍射成像的多維探測驗證轉(zhuǎn)換器中，實現(xiàn)高分辨率成像；若一個傳統(tǒng)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)的孔徑與介質(zhì)折射率的乘積為1.0，使用超表面光學(xué)元件后，通過超表面光學(xué)元件的設(shè)計和制造精度根據(jù)仿真軟件進行實驗?zāi)M，得到光學(xué)系統(tǒng)的孔徑與介質(zhì)折射率的乘積提高到1.5，若工作光波長為500nm，則傳統(tǒng)分辨率為使用超表面光學(xué)元件后的分辨率為使用超表面光學(xué)元件后，分辨率從622納米提高到了415納米，使用超表面光學(xué)元件后，分辨率從622納米提高到了415納米，使成像的分辨率顯著提高。

10、優(yōu)選的，所述多維探測模塊通過多維度光束分割技術(shù)能在不同的空間位置和偏振方向上捕獲光束信息并進行處理，多維度光束分割技術(shù)包括多探測器陣列、偏振分束器、波前編碼器和數(shù)據(jù)采集與處理；多探測器陣列分布在超表面光學(xué)元件不同空間位置上，捕獲光束在空間位置上的信息；偏振分束器集成在多維探測模塊中，用于對光束偏振狀態(tài)的分割，將入射光束分割成多個偏振狀態(tài)的子光束，將分割成多個偏振狀態(tài)的子光束引導(dǎo)到偏振探測器上，從而獲取關(guān)于光束偏振的信息；波前編碼器集成在多維探測模塊中，用于對光束波前的編碼，將入射光束分割成多個波前狀態(tài)的子光束，將分割成多個波前狀態(tài)的子光束引導(dǎo)到波前探測器上，波前探測器通過測量多個子光束的波前狀態(tài)來重建整個光束的波前狀態(tài)，實現(xiàn)高精度的超衍射成像；多維探測模塊通過采集偏振探測器和波前探測器中的數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換元件將子光束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號，實時記錄多維探測模塊的電信號，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)對光束信息的全面捕獲和分析，并根據(jù)光束信息調(diào)整光束，使其成像質(zhì)量提高，其中對采集的數(shù)據(jù)處理包括提取光束在空間位置、偏振狀態(tài)、波前狀態(tài)，所述偏振狀態(tài)為光波的定向振動，波前狀態(tài)為光波在空間中的相位分布。

11、優(yōu)選的，數(shù)據(jù)處理單元包括：一個圖像重建算法，利用對抗網(wǎng)絡(luò)從低分辨率圖像中恢復(fù)出高分辨率圖像，并在對抗網(wǎng)絡(luò)中的生成器和判別器中加入銳化濾波器作為連接，將生成器的圖像輸出進行處理，并將處理后的圖像作為判別器的輸入，使圖像重建算法更加準(zhǔn)確；一個驗證算法利用特征提取驗證重建圖像的質(zhì)量和精度。

12、優(yōu)選的，圖像重建算法是基于對抗網(wǎng)絡(luò)，收集大量的低分辨率和高分辨率圖像對作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，使圖像對在內(nèi)容、風(fēng)格和分辨率上具有多樣性，用于提高模型的泛化能力；設(shè)計一個對抗網(wǎng)絡(luò)模型，包括生成器、銳化濾波器和判別器；生成器從低分辨率圖像中生成高分辨率圖像，將高分辨率圖像輸入到銳化濾波器中，銳化濾波器通過拉普拉斯算子增強生成器生成后圖像中的邊緣和清晰度，使生成器生成的圖像更加清晰和銳利，提高生成器生成圖像的質(zhì)量，使其更加逼真；而判別器負(fù)責(zé)判斷從銳化濾波器輸入的圖像為真實或生成，其中i(x,y)表示高分辨率圖像在點(x,y)的亮度，為高分辨率圖像中亮度變化的局部曲率；使用低分辨率圖像作為輸入，高分辨率圖像作為目標(biāo)，對模型進行訓(xùn)練；判別器通過內(nèi)部卷積層提取銳化濾波器優(yōu)化后圖像的特征，根據(jù)提取的特征，輸出一個判斷值，表明輸入圖像是真實的概率；銳化濾波器優(yōu)化后高分辨率圖像更難被判別器區(qū)分，迫使生成器生成更高質(zhì)量的圖像，從而提高整個對抗網(wǎng)絡(luò)的性能；將訓(xùn)練好的模型應(yīng)用于多維探測模塊調(diào)制后的光束信息，通過將低分辨率恢復(fù)到高分辨率圖像，提高重建圖像的質(zhì)量。

13、優(yōu)選的，一種驗證方法通過特征提取中orb算法構(gòu)建尺度空間，使用不同的核函數(shù)在尺度空間上獲取圖像的模糊版本，在尺度空間上檢測關(guān)鍵點即局部極值點，其中x和y表示圖像中的位置坐標(biāo)，σ是核的標(biāo)準(zhǔn)差，控制模糊的程度，θ是角度參數(shù)；對每個關(guān)鍵點計算方向，確定關(guān)鍵點在尺度空間中的位置，從而識別出對抗網(wǎng)絡(luò)中生成的重建圖像和原始高分辨率圖像的角點、邊緣、形狀特征；orb算法通過暴力匹配方法計算對抗網(wǎng)絡(luò)生成的重建圖像與原始高分辨率圖像之間的特征匹配，比較兩幅圖像中的特征，找到最佳的匹配項；通過計算特征之間的歐氏距離，距離越小，表示特征相似度越高，其中d(f1,f2)是兩個特征f1和f2之間的歐氏距離；f1i和f2i分別是特征f1和f2在第i個維度上的值；n是特征的維度數(shù)；分析相似度來評估圖像質(zhì)量，若重建圖像與原始圖像之間的特征相似度很高，則生成器輸出的圖像質(zhì)量接近原始圖像，具有較高的分辨率和細(xì)節(jié)保真度；若相似度低，則生成的圖像存在質(zhì)量問題，需要進一步優(yōu)化圖像重建算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練過程，將高分辨率圖像通過用戶界面展示給用戶。

14、優(yōu)選的，一個用戶界面，用于與用戶交互，接收用戶的輸入指令，并展示處理后的圖像，通過用戶界面上的窗口操作處理后的圖像質(zhì)量，如縮放、平移或?qū)Ρ仍紙D像與處理后圖像。

15、(三)有益效果

16、本發(fā)明提供了一種用于平面光學(xué)超衍射成像研究的多維探測驗證轉(zhuǎn)換器。

17、具備以下有益效果：

18、1.本發(fā)明能夠同時獲取光束在空間位置、偏振狀態(tài)、波前狀態(tài)等多個維度的信息，通過多維度信息的獲取，有助于更全面地理解光束的特性，為后續(xù)的圖像處理和分析提供更豐富的數(shù)據(jù)；結(jié)合有效的圖像處理算法，可以突破傳統(tǒng)成像技術(shù)所受的衍射極限，實現(xiàn)超衍射極限的高分辨率成像。

19、2.本發(fā)明通過提高成像的準(zhǔn)確性和可靠性，減少了因成像質(zhì)量不佳而需要重復(fù)實驗或檢測的次數(shù)，從而降低了研究和生產(chǎn)的成本；此外，本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的平面光學(xué)成像領(lǐng)域，如顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡，還能擴展到其他需要高分辨率成像的領(lǐng)域，例如生物醫(yī)學(xué)成像、材料科學(xué)、精密工程等。