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本網(wǎng)訊（信息工程學(xué)院）南昌大學(xué)成像與視覺(jué)表示研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光學(xué)諧振超表面的圖像處理方法，在納米尺度下實(shí)現(xiàn)了超快全光、超低能耗的邊緣檢測(cè)運(yùn)算。該成果以“Edge Detection Imaging by Quasi-Bound States in the Continuum”為題在線(xiàn)發(fā)表于光學(xué)與納米科技交叉領(lǐng)域國(guó)際期刊Nano Letters。

近年來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛等新興信息領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，對(duì)高速度和低能耗的圖像處理技術(shù)提出了強(qiáng)烈需求。全光圖像處理方法能夠繞開(kāi)模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換過(guò)程，在無(wú)額外能量輸入的情況下，以光速執(zhí)行計(jì)算，具有高帶寬、高互聯(lián)性、內(nèi)在的并行處理特性，為滿(mǎn)足這些需求提供了可行的解決方案。經(jīng)典的全光圖像處理基于傅里葉光學(xué)的4-f系統(tǒng)進(jìn)行空間微分，盡管易于實(shí)現(xiàn)，但這種依賴(lài)傳統(tǒng)透鏡的光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法集成到芯片上，并不適應(yīng)光電子設(shè)備小型化、微型化的發(fā)展趨勢(shì)。光學(xué)超表面，一種由亞波長(zhǎng)尺寸的“超原子”通過(guò)周期性排列組成的人工納米結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控提供了全新平臺(tái)。基于表面等離激元、自旋霍爾效應(yīng)、Pancharatnam - Berry相位等不同原理的光學(xué)超表面已被用于空間微分，實(shí)現(xiàn)圖像邊緣檢測(cè)。然而往往局限于一維或單向微分，且需要在系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)透鏡等元件，大大抵消了超表面可片上集成的優(yōu)勢(shì)。

鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)提出了利用新穎的連續(xù)域束縛態(tài)物理機(jī)制，通過(guò)在動(dòng)量空間中選擇性地過(guò)濾波矢來(lái)進(jìn)行空間微分，實(shí)現(xiàn)圖像邊緣檢測(cè)。所設(shè)計(jì)的光學(xué)超表面圖像處理的示意圖和實(shí)物圖如圖1a和1b所示。1a里每四個(gè)圓柱納米諧振器為一組“超原子”，通過(guò)改變圓柱直徑引入微擾，激發(fā)具有角度色散性質(zhì)的高品質(zhì)因子準(zhǔn)束縛態(tài)諧振模式。輸入南昌大學(xué)英文字母“N”“C”“U”圖像時(shí)，這種諧振模式支持傳輸波矢較大的光波，同時(shí)抑制波矢較小的光波，以高通濾波器的形式增強(qiáng)圖像邊緣信息，輸出這三個(gè)英文字母的輪廓，光速完成圖像處理過(guò)程；1b里每一塊樣品區(qū)域即為一個(gè)超表面圖像處理器，包含約500×500組“超原子”。

圖1.所設(shè)計(jì)的光學(xué)超表面圖像處理的示意圖和實(shí)物圖

圖2a展示了團(tuán)隊(duì)搭建的全套成像系統(tǒng)示意圖：?jiǎn)尾ㄩL(zhǎng)的線(xiàn)偏振激光照射到分辨率靶，產(chǎn)生等寬度等間距的橫條狀或者豎條狀圖像，經(jīng)過(guò)光學(xué)超表面進(jìn)行處理，最后被相機(jī)識(shí)別和記錄。2b和2c分別比較了在水平和垂直線(xiàn)偏振入射下圖像信息進(jìn)行空間微分處理前后的成像結(jié)果。無(wú)論在哪種偏振下，均可觀測(cè)到圖像中明暗的尖銳變化，預(yù)期邊緣位置處出現(xiàn)高強(qiáng)度峰值，周?chē)尘皠t幾乎為零，圖像邊緣均得到了顯著加強(qiáng)。此外，每個(gè)邊緣在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中都伴隨著一對(duì)緊密間隔的尖峰，證實(shí)了光學(xué)超表面在進(jìn)行二階空間微分方面的有效性和高質(zhì)量。團(tuán)隊(duì)使用南昌大學(xué)中英文字母和?；諛?biāo)志作為圖像處理的對(duì)象，分別如圖3a，3b和3c所示，其中?；諛?biāo)志最小寬度約為2微米（接近我們光學(xué)超表面的分辨率極限約1微米）。光學(xué)超表面能夠準(zhǔn)確且清晰地識(shí)別到這些字母和線(xiàn)條的邊緣，確保了在丟棄冗余細(xì)節(jié)的同時(shí)保留了基本信息，其邊緣增強(qiáng)和背景抑制的效果明顯，輸出圖像和輸入圖像峰值強(qiáng)度之比接近1:5，進(jìn)一步證實(shí)了超表面能夠提供高質(zhì)量、均一的圖像處理結(jié)果。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)通過(guò)采用多層結(jié)構(gòu)和逆向設(shè)計(jì)方法，可以設(shè)計(jì)具有更豐富色散性質(zhì)的光學(xué)超表面，從而構(gòu)造更復(fù)雜的光學(xué)傳輸函數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像處理中的更多高級(jí)功能。

圖2.所搭建的成像系統(tǒng)示意圖和分辨率靶進(jìn)行圖像處理前后的成像結(jié)果

圖3.南昌大學(xué)中英文字母和?；諛?biāo)志進(jìn)行圖像處理前后的成像結(jié)果

南昌大學(xué)信息工程學(xué)院為該論文的第一完成單位，劉婷婷副教授為文章第一作者，劉且根教授、肖書(shū)源副研究員與華東師范大學(xué)黃陸軍教授為共同通訊作者。南昌大學(xué)物理與材料學(xué)院于天寶教授、萬(wàn)里鵬博士、博士生邱駒敏同學(xué)，南昌工學(xué)院秦梅寶副教授（南昌大學(xué)2022屆博士畢業(yè)生），英國(guó)諾丁漢特倫特大學(xué)徐雷教授對(duì)該研究提供重要支持和幫助。該研究獲國(guó)家、江西省自然科學(xué)基金和江西省青年科技人才托舉項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04543。

編    輯：徐  翰

責(zé)任編輯：許  航