光学成像处理的最新研究进展

3月12日，华中科技大学武汉光电国家研究中心王健教授、陈林教授团队联合纽约市立大学的Andrea Alù教授团队，在《自然·通讯》（Nature Communications）发表最新研究进展“Broadband angular spectrum differentiation using dielectric metasurfaces”。

在众多科学与工程领域中，信号处理都有着举足轻重的地位，与基于集成电路数字信号处理方式相比，光学模拟信号处理有着高速、能耗低、可平行处理大量信号的优点。空间微分可以用于光学图像的边缘探测或提取，是物体识别、特征区分的第一步。空间图像处理可以用4F系统完成，通过在4F共焦面上设置不同的处理器可以实现各种不同的功能，但是该方法体积较大，不适用于集成器件。而超构表面则可以用于设计紧凑的模拟图像处理器，目前已有大量工作基于超构表面实现了空间微分。

图1 角谱超微分器。(a-c) 角谱操作? 分别为∝∂2/(∂kx∂ky) (a), ∝∂/∂kx (b)和∝∂/∂kx+∂/∂ky (c)的角谱超微分器。 (d) 石英衬底上旋转硅纳米柱示意图。(e, f) σ的振幅(e)和相位(f)随旋转角θ的变化曲线。(g-l) 分别实现∂2/(∂kx∂ky) (a), ∂/∂kx (b)和∂/∂kx+∂/∂ky (c)的角谱超微分器俯视图示意图，它们展示了每个超微分器的旋转角分布。

图2 三个平行矩形孔的角谱微分测试结果。(a) 角谱微分实验装置。(b) 三平行矩形孔的理论(第一列)及实验测试(第二到四列)强度分布。(c, d) 三平行矩形孔的角谱强度分布(c)及(c)中线A-B上归一化角谱强度分布(d)。(e-j) 分别经超微分器∂2/(∂kx∂ky) (e), ∂/∂kx (g)和∂/∂kx+∂/∂ky (i)后的角谱强度分布以及对应图中线A-B上归一化角谱强度分布(f, h, j)。

图3 角谱隔离实验。(a) 角谱隔离实验装置图。(b-e) 混合光未经超微分器(b)与经超微分器∂/∂kx后(c)的角谱强度分布。(d)和(e)分别为它们沿线A-B的归一化角谱强度分布。

区别于空间微分，本工作则针对光学图像角谱的数学处理，提出了“角谱模拟超处理器”。当光穿过这些器件，它们可以完成对光角谱的模拟处理，例如微分、积分、卷积等线性操作。本工作以截面相同的硅纳米柱阵列组成超构表面，仅仅通过调控这些硅纳米柱旋转角度θ的分布实现了三种角谱微分。在x或y偏振入射下，这些硅纳米柱的局域正交偏振复透射系数σ正比于sin(2θ)，满足本文所研究的三种角谱微分的需求。本文以三平行矩形孔的在可见光波段展示了这些宽带角谱微分器的功能以及在角谱域中分离出物体特征角谱的应用。

陈林研究工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会的资金资助。Michele Cotrufo和Andrea Alù的工作得到了Air Force Office of Scientific Research and the Simons Foundation的支持。