导读

在现代生活和科研中，边缘提取与增强技术在自动驾驶汽车的目标识别、虚拟现实、智慧城市以及生物医学成像等领域扮演着不可或缺的角色。相比基于电子元件的数字处理方法，光学模拟计算能够以更快速和高效的方式获得结果。随着光技术和光芯片的迅猛发展，基于不同光学原理与现象的边缘检测方法成为了热门的研究课题。

传统光学图像处理方法通常需要多个透镜的配合，这导致整个成像系统体积庞大且难以集成。采用新型微纳光子结构（如超表面和光子晶体）进行光学图像处理，可以显著缩小光学系统的尺寸。最近，各种纳米光子技术在边缘检测和成像方面取得了显著进展，包括利用表面等离子体共振、螺旋相位掩模和光的自旋霍尔效应等。这些方法通过精确控制相位和偏振，展现了增强边缘检测的巨大潜力，且在某些性能指标上取得了突破。然而，大多数现有研究仍局限于单向边缘检测或单一功能，且通常需要添加额外的光学组件，这限制了图像处理器的紧凑性和多功能性。此外，在许多复杂物体的识别场景中，实时、完整的样品信息的同步呈现也至关重要。因此，同时实现物体边缘检测和明场成像显得尤为重要。

为了解决上述问题，南京大学寇君龙和陆延青课题组创新性地研发了一种基于光子晶体圆偏振态的多功能成像器，该器件能够提供亮场成像和高分辨率的边缘检测两种可切换功能。这项研究首次将C点应用于光学图像处理，拓展了光子晶体在新兴光计算及成像领域的应用，未来将为生物成像和计算机视觉等领域带来新的机遇。

图1：基于光子晶体圆偏振态的可切换边缘检测与亮场成像的示意图。

该成果以“Spin-dependent edge detection and imaging enabled by optical circularly polarised states”为题发表于Light: Advanced Manufacturing。南京大学为该研究的第一单位，电子科学与工程学院的研究生陈佳乐和现代工程与应用科学学院的博士后陈召宪为共同第一作者，寇君龙副教授与陆延青教授为共同通讯作者，博士生周子昕对本文也做出了重要贡献。

设计与原理

在这项工作中，研究人员提出了一种基于面内C2对称性破缺的光子晶体板（PCS）结构设计，并结合时域耦合模理论和参数工程，成功实现了具有手性选择性的光子晶体结构。所设计的Si₃N₄光子晶体采用等腰三角形形状的空气孔，并在选定的TE2能带（如图1所示）中支持两个手性相反的圆偏振态，即C点。通过调整厚度和占空比参数，研究团队仿真实现了圆二色性（CD）高达0.97的手性PCS结构，并创新性地利用其手性选择性来实现光学图像处理的应用。

图2：（a）C点产生的原理示意图。C4v对称（b）和面内C2对称破缺（c）的光子晶体板能带结构。（d）品质因数Q的分布。（e-f）TE2能带对称破缺前后远场偏振分布

图3：该PCS成像器的角分辨透射谱、相位谱以及CD光谱分布

仿真成像验证

研究团队首先确定了该光子晶体板成像器的两套光传递函数（OTFs），并设定了相应的视场范围（见图4）。随后，研究人员演示了将该成像器与传统4f成像系统耦合的过程，仿真验证了其对于不同目标图案在边缘检测和亮场成像两种可切换功能上的表现（见图5）。此外，这种基于C点的边缘增强方法还实现了波长量级的高分辨率（1.6λ）。这一验证结果为该成像器的实际应用奠定了基础。

图4：实现边缘检测和亮场成像的两套光传递函数

图5：基于C点的PCS成像器的理论仿真验证

实验验证

团队利用电子束光刻和反应离子刻蚀技术成功制备了PCS成像器样品，并将该器件与传统显微成像系统相结合（见图6）。在左旋圆偏振光（LCP）入射下，CCD中观察到的图像保留了入射图案信息，呈现出清晰的明场成像效果。当入射光的圆偏振态切换至右旋圆偏振光（RCP）时，CCD中则显示出入射图案的清晰边缘。这些结果验证了手性PCS成像元件在实时光学图像处理中的双重功能，且成像模式能够通过入射光的圆偏振态动态切换，展现了其在光学应用中的灵活性与实用性。

图6：基于C点的PCS成像器的实验验证：可切换的边缘检测与亮场成像。

展望

该基于C点的手性光子晶体成像器为边缘检测、物体识别提供了一种可行方案。相比基于超构表面的多功能光学微分器件，该PCS成像器具有高分辨率、结构简单的优势，并且无需复杂昂贵的微纳加工技术制备。同时，通过改变入射光的偏振态，这两种不同的实时成像模式能够快速切换，为机器视觉、显微成像等相关领域的应用带来了广阔前景。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.008