用超表面给细胞“勾边”：二维光学微分实现高品质彩色边缘成像 | NSR

光学模拟信号处理技术已经广泛应用于诸多科学研究和工程应用领域。与数字处理技术相比，它克服了低速和高功耗的缺点。与此同时，新兴的超表面技术也被引入光学成像和处理系统领域，并吸引了研究者的广泛关注。在该工作中，作者们第一次展示了一种基于电介质超表面的宽带、二维空间微分器，其工作范围覆盖整个可见光及近红外区域，且可用于实现高对比度边缘成像。该边缘成像方法只需要简单地将设计的超表面插入在传统的光学显微镜中，即可对振幅型物体和相位型物体进行成像。这一设计将高效率超表面应用于基础的光学微分操作，为发展用于数据处理和光学成像的快速、紧凑、高效超薄器件提供了新的机遇。

边缘探测是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、车辆自动驾驶等方面有重要应用。在实验上，表面等离子体、光子晶体、光子自旋霍尔效应、几何相位超表面等均可用于实现空间微分，进行边缘成像。然而，这些方法各有局限，能够用于宽带频率的高效、紧凑、二维空间微分器件仍然缺失。 

       在此，作者们提出基于透射模式下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。如上图所示，光入射到“EDGE”形状的物体上，然后通过位于傅里叶平面的超表面，最后可在像平面上获得物体的边缘信息。

       该文设计的超表面在径向上具有对称的相位梯度，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，以实现二维空间微分。而且，基于几何相位的电介质超表面没有任何等离子体共振结构，可确保在宽带工作波长（整个可见范围和近红外）下工作，从而能够对彩色图像进行边缘探测。

入射波长为410 nm, 540 nm, 690 nm和白光下的边缘图像

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。与传统的亮场、相位对比和暗场成像技术相比，该设计更加敏感，并且具有高对比度的优势。该研究所提出的快速，紧凑和高效的超薄器件，为数据处理和生物成像应用提供了新的可能。 

人脐静脉血管内皮细胞的边缘成像：a, 明场细胞成像; b, 相衬对比度成像; c, 暗场成像; d, 边缘检测成像。

该研究以“Two-dimensional optical spatial differentiation and high-contrast imaging”为题发表于National Science Review。湖南大学博士周军晓和浙江大学************研究员钱浩亮为共同第一作者，罗海陆教授和Zhaowei Liu教授为共同通讯作者，湖南大学为论文第一单位。该研究受到国家自然科学基金(61835004)、国家留学基金委项目(201606130065)资助，以及微纳光电器件及应用教育部重点实验室，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。