湖南大学：基于电介质超表面的二维边缘探测和高对比度生物成像

导读

近日，湖南大学物理与电子学院罗海陆教授课题组与美国加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的Zhaowei Liu教授课题组合作的成果以 “Two-dimensional optical spatial differentiation and high-contrast imaging”为题，发表在《National Science Review》杂志上。

创新研究

图像处理对于科学与工程学科来讲，是一种十分关键的技术。随着数字图像处理工具的出现，进而迅速发展。与数字信号处理技术相比较，模拟信号处理的方法克服了低速和高功耗的缺点，可以实现实时，低能耗，高速的大数据的图像处理。边缘探测作为图像处理的重要手段之一，在机器和计算机视觉，医疗图像操作和车辆自动驾驶方面具有重要用途。

       近年来，随着超表面的提出，各种关于超表面的实际应用被演示，尤其是用空间微分器去实现光学边缘检测。目前，一些理论工作研究了如何通过使用光学器件实现空间微分，随着理论的发展，空间微分在实验上也进一步被实现，包括基于表面等离子体，光子晶体，光子自旋霍尔效应和Pancharatnam-Berry 相位超表面。目前，所有这些当前方法都有其自身的局限性。在实验上，仍缺少用于宽带频率的高效，紧凑，二维空间微分器件。

       在这项工作中，研究人员提出基于透射模式下的电介质超表面的设计，实现了具有高效率，宽带和高对比度优点的二维空间微分边缘成像。本文所设计的超表面在径向方向上具有对称的相位梯度，从而可以将线性偏振光束沿径向拆分为左旋圆偏振和右旋圆偏振分量并保证二维空间微分。基于几何相位的电介质超表面没有任何共振结构，可确保在宽带工作波长（整个可见和近红外范围）下工作，从而能够对彩色图像进行边缘探测。
 

图1. 振幅型物体的二维边缘检测. a, 实验装置. b-d和h-j, 通过去除第二偏振器的结果。e-g和k-m, 分别在410 nm，490 nm，540 nm，590 nm，690 nm和白光下的边缘图像。标尺，1毫米

实验装置如图所示，激光器发出的光首先入射到物体上，然后依次通过透镜1，偏振片1，位于傅里叶平面的超表面，偏振片2，透镜2，最后在成像平面上获得其入射的边缘信息。图1 (b-d)和(h-j),没有第二偏振片的结果，其中两个图像之间有很小的偏移。通过添加分析器P2，获取对象的边缘信息，如图1 (e-g) 和(k-l)。应该注意的是，在图1 (j)和(m)中，入射光的中心波长被设置为600nm，带宽为400nm，这表示波长范围是从400nm至800nm。如图所示，该方法可以有效地消除中心线性部分并保留所有边缘。该工作所提到的二维微分器，所检测到的二维边缘覆盖了所有可见频率。

       基于提出的设计，将振幅型物体的边缘探测扩展到相位型物体。该工作所提出的设计，很容易与传统的光学显微镜相结合与集成。与传统的明场、相位对比和暗场成像技术相比，更加敏感，并且具有高对比度的优势。图2 (a-d)和(e-h), 用几种流行的成像技术，分别用于观察在组织培养容器中生长的人脐静脉血管内皮细胞和人支气管上皮细胞。很明显，由于细胞的透明性质明视场图像几乎不显示可见特征，如图2(a) 和 (e) 所示。图2(b)和2(f)是使用在光路中带有相环的相差物镜成像的细胞。图2(c)和(g)显示了在暗场照明下相同细胞的图像。图2(d)和(h)给出了我们提出的方法的边缘检测结果。如图所示，与相位对比和暗场成像技术相比，我们的方法在细胞边缘显示出清晰而强烈的信号，表明对透明生物样本的检测具有极高的灵敏度和精度。
 

图2. 相位型物体的边缘成像以及与传统成像方法的比较。第一行，测试的人脐静脉血管内皮细胞；第二行，人支气管上皮细胞。(a)和(e) 明场细胞成像; (b)和(f) 相衬对比度成像; (c)和(g) 暗场显微成像; (h-i) 边缘检测. 标尺，100 μm。

总 结

该工作理论研究并实验验证了基于整个可见光谱的电介质超表面的首次宽带二维空间分辩和高对比度边缘成像。 只需将超表面插入已有的光学显微镜中，这种边缘检测方法就可以同时用于强度和相位对象。 对执行基本的光微分操作的超表面的探索为快速、紧凑、高效的超薄设备在数据处理和生物成像中的应用提供了新的机会。

       湖南大学物理与电子学院博士周军晓 (现为加州大学圣地亚哥分校博士后) 和浙江大学************研究员钱浩亮为该论文共同第一作者，罗海陆教授和Zhaowei Liu教授为论文的共同通讯作者，湖南大学为论文第一单位。该研究受到国家自然科学基金重点项目、国家留学基金委项目资助，以及湖南省教育部微纳光电器件重点实验室，浙江大学-杭州国际科创中心，现代光学仪器国家重点实验室和浙江大学量子信息交叉中心等平台的大力支持。戳“阅读原文或二维码”查看英文文献 文章链接

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa176