近日，南京大學(xué)陸延青教授和寇君龍教授課題組研發(fā)出一種基于光子晶體圓偏振態(tài)的多功能成像器，該器件能夠同時提供亮場成像和高分辨率的邊緣檢測兩種可切換功能。

圖 | 寇君龍（來源：https://ese.nju.edu.cn/kjl/list.htm）

這項研究首次將 C 點的手性選擇性應(yīng)用于光學(xué)圖像處理，拓展了光子晶體在新興光計算及成像領(lǐng)域的應(yīng)用，為非侵入式生物成像（如細(xì)胞膜動力學(xué)觀測）、半導(dǎo)體缺陷檢測及自動駕駛中的實時場景解析等領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇。

具體來說，他們提出一種基于面內(nèi) C2 對稱性破缺的光子晶體板結(jié)構(gòu)設(shè)計，并結(jié)合時域耦合模理論和參數(shù)工程，成功實現(xiàn)了具有手性選擇性的光子晶體結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整厚度和占空比參數(shù)，該團(tuán)隊利用仿真手段實現(xiàn)了圓二色性（CD，Circular Dichroism）高達(dá) 0.97 的手性結(jié)構(gòu)，并利用其手性選擇性來實現(xiàn)光學(xué)圖像處理的應(yīng)用。

研究團(tuán)隊首先確定了該光子晶體板成像器的兩套光傳遞函數(shù)，隨后通過成像仿真與實驗兩種方法演示了該成像器對于不同目標(biāo)圖案在邊緣檢測和亮場成像兩種可切換功能上的良好表現(xiàn)。此外，這種基于 C 點的邊緣增強(qiáng)方法還實現(xiàn)了波長量級的高分辨率（1.6λ）。這一驗證結(jié)果為該成像器的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

該研究聚焦于圓偏振光與光子晶體的圓偏振點相互作用時產(chǎn)生的自旋依賴散射和偏振態(tài)調(diào)制，通過精確控制相位、偏振和透反射幅度，展現(xiàn)了增強(qiáng)邊緣檢測的巨大潛力。

課題組所設(shè)計的光子晶體成像器能夠?qū)崟r切換邊緣檢測與傳統(tǒng)亮場成像這兩種不同的功能，并提供波長量級的高分辨率。這樣的設(shè)計在許多復(fù)雜物體的識別場景中，有望實現(xiàn)實時、完整的樣品信息的呈現(xiàn)。

在智能汽車、智慧工廠以及生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域都有著應(yīng)用前景，比如可以用于自動駕駛的目標(biāo)識別與實時場景解析，這讓現(xiàn)有車載攝像頭在雨霧天氣或強(qiáng)光干擾下的邊緣識別失準(zhǔn)問題有望得到根本性解決。該團(tuán)隊的光子晶體成像器可利用偏振特征，在毫米波雷達(dá)失效的場景下（如隧道金屬反光、雪地強(qiáng)漫射），通過自旋霍爾效應(yīng)分離目標(biāo)物體的幾何邊界與光學(xué)偽影。與此同時，本次成果還可用于半導(dǎo)體缺陷檢測、非侵入式生物成像比如細(xì)胞膜動力學(xué)觀測等。

在現(xiàn)代生活和科研中，邊緣提取與增強(qiáng)技術(shù)在自動駕駛汽車的目標(biāo)識別、虛擬現(xiàn)實、智慧城市以及生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。

相比基于電子元件的數(shù)字處理方法，光學(xué)模擬計算能夠以更快速和高效的方式獲得最終結(jié)果。隨著光技術(shù)和光芯片的迅猛發(fā)展，基于不同光學(xué)原理與現(xiàn)象的邊緣檢測方法成為了熱門的研究課題。

傳統(tǒng)的光學(xué)圖像處理方法通常需要多個透鏡的配合，這導(dǎo)致整個成像系統(tǒng)體積龐大且難以集成。采用新型微納光子結(jié)構(gòu)（如超表面和光子晶體）進(jìn)行光學(xué)圖像處理，可以顯著地縮小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸。

最近，各種納米光子技術(shù)在邊緣檢測和成像方面取得了很大進(jìn)展，包括利用表面等離子體共振、螺旋相位掩模和光的自旋霍爾效應(yīng)等。這些方法通過精確控制相位和偏振，展現(xiàn)了增強(qiáng)邊緣檢測的巨大潛力，且在某些性能指標(biāo)上取得了突破。

然而，大多數(shù)現(xiàn)有研究仍局限于單向邊緣檢測或單一功能，且通常需要添加額外的光學(xué)組件，這限制了圖像處理器的緊湊性和多功能性。此外，在許多復(fù)雜物體的識別場景中，實時、完整的樣品信息的同步呈現(xiàn)也至關(guān)重要。因此，同時實現(xiàn)物體邊緣檢測和明場成像顯得尤為重要。為了解決上述問題，課題組開展了本次研究。

研究前期，在組內(nèi)前沿內(nèi)容的學(xué)習(xí)與討論過程中，該團(tuán)隊捕捉到基于傳統(tǒng)邊緣檢測技術(shù)在低對比度、復(fù)雜背景場景中的局限性，基于已有的知識儲備提出利用光子晶體的圓偏振點的手性選擇性來實現(xiàn)邊緣特征提取的創(chuàng)新思路。

然后，課題組通過構(gòu)建基于有限元分析的光子晶體本征分析、透反射模型，結(jié)合時域耦合模理論與等效介質(zhì)理論，得到了圓偏振光與光子晶體 C 點的相互作用機(jī)制，并量化其手性選擇性的程度，實現(xiàn)了圓二色性接近一的完美手性結(jié)構(gòu)。

隨后，該團(tuán)隊基于 MATLAB 實現(xiàn)了該光子晶體成像器與傳統(tǒng) 4f 系統(tǒng)耦合的成像過程的仿真，驗證了其邊緣檢測和亮場成像的高分辨率與可切換性，在仿真過程中多次應(yīng)用菲涅耳衍射與傅里葉分析。

實驗中，課題組開發(fā)了基于該光子晶體成像器的自旋分辨成像平臺，隨后進(jìn)行了圖像采集與數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)一步探索了該技術(shù)的多場景適用性，旨在推動其在自動駕駛和工業(yè)檢測中的應(yīng)用。

值得注意的是，在研究早期課題組花費(fèi)大量時間在理論建模和仿真優(yōu)化方面。尤其是在探索光子晶體圓偏振態(tài)的手性選擇性時，研究團(tuán)隊遇到了一個關(guān)鍵的瓶頸：如何通過對稱性破缺設(shè)計來實現(xiàn)高圓二色性。經(jīng)過數(shù)月的反復(fù)嘗試和調(diào)整，終于在某個深夜研究團(tuán)隊成功實現(xiàn)了圓二色性值接近 1 的手性結(jié)構(gòu)，大家激動得幾乎忘記了疲憊。

實驗系統(tǒng)的搭建則是整個研究中最具挑戰(zhàn)性的部分之一。課題組需要將光子晶體成像器與復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)集成，確保光路的精確對準(zhǔn)和穩(wěn)定性，邊緣檢測也需要在一個極其苛刻的小角度入射條件下實現(xiàn)。

某一次研究團(tuán)隊在調(diào)試光路時發(fā)現(xiàn)，無論如何調(diào)整成像效果都不理想。經(jīng)過反復(fù)排查，最終發(fā)現(xiàn)是一個透鏡的位置偏差導(dǎo)致整個光路偏移，之后他們決定引入導(dǎo)軌固定各個光學(xué)元件，并使用精密調(diào)整架控制光子晶體板與入射光的夾角。“這個小小的偏差幾乎讓我們前功盡棄，但也讓我們深刻認(rèn)識到實驗中的每一個細(xì)節(jié)都至關(guān)重要。”寇君龍表示。

日前，相關(guān)論文以《通過光學(xué)圓偏振狀態(tài)實現(xiàn)自旋依賴的邊緣檢測和成像》（Spin-dependent edge detection and imaging enabled by optical circularly polarised states）為題發(fā)在 Light: Advanced Manufacturing[1]，Jiale Chen 是第一作者，南京大學(xué)陸延青教授和寇君龍教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Light: Advanced Manufacturing）

后續(xù)，他們計劃進(jìn)一步應(yīng)用光子晶體的兩個圓偏振態(tài)間的 PB（Pancharatnam-Berry Phase）相位梯度，以實現(xiàn)可控的光束位移。通過控制入射光的偏振態(tài)和偏振角，實現(xiàn)對光束位移的大小和方向的控制，目前正在實驗驗證中。

另據(jù)悉，該團(tuán)隊目前主要從事光電器件的研究工作，聚焦于微納光子學(xué)的新物理現(xiàn)象及其與新型電路系統(tǒng)的前沿交叉研究。

課題組近半年已經(jīng)發(fā)表成果的研究方向包括：

基于手性奇異點的非厄米電路設(shè)計與傳感技術(shù)，通過單向電容耦合構(gòu)建電學(xué)電路中的奇異點系統(tǒng)，實現(xiàn)微擾響應(yīng)靈敏度提升，為高精度傳感器開發(fā)提供新范式 [2]。

其實現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)調(diào)控的光電器件，實現(xiàn)了逆向設(shè)計驅(qū)動的多功能光子芯片，通過拓?fù)鋬?yōu)化等方法開發(fā)可重構(gòu)光學(xué)算術(shù)單元與多任務(wù)元表面器件、利用幾何相位和圓偏振的轉(zhuǎn)換效率，來調(diào)制復(fù)光瞳函數(shù)實現(xiàn)二維邊緣檢測和高斯濾波的超表面，有望在生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)檢測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高分辨率實時成像，相關(guān)論文發(fā)表在 ACS Photonics 和 Chip 等期刊。

與此同時，課題組也在開展有源光電器件的研究與激光系統(tǒng)的組件與集成。