与传统的依赖计算机的电子计算方法相比，光学模拟计算具有速度快、能耗低、并行处理能力强等优点。光学空间微分在光学模拟计算中，特别是在边缘检测中起着至关重要的作用。虽然已有的开创性的研究已经展示了各种光学微分的方法，但在这一领域的进一步探索仍然有限，例如视场可调边缘检测。视场在边缘检测中占有重要的因素，因为它直接影响图像中捕获的空间信息的数量。更大的视场意味着能够在更大的物方空间范围内识别物体的边缘信息，这对于检测复杂或大规模物体的边缘和特征信息至关重要。引入可调视场的机制提供了动态调整焦点到特定区域的灵活性，从而提高了准确性和鲁棒性，特别是在物体大小或位置可能变化的实际场景中。
考虑到现有方法的局限性，香港城市大学电机工程系陈沐谷教授团队、四川大学电子信息学院李磊研究员团队和清华大学耿子涵教授团队联合研究，提出了一种新的自适应光学空间微分架构，旨在实现视场可调边缘检测。提出的方法克服了现有空间信息容量的限制，增强了获取空间信息的能力，并且能够在物方空间更宽的角度范围内进行边缘检测。此外，所提出的自适应光学空间微分装置是一个覆盖整个可见光谱的各向同性空间微分器。它能够在扩展的物方空间（高达原始视场的4.5倍）上执行高效（≥85%）的光学微分操作。这一进步为灵活、快速、高容量和节能的集成数据处理和成像设备开辟了新的机会，为下一代宽视场相衬显微提供了一种新的光学空间微分架构。相关研究成果以“Meta-Device for Field-of-View Tunability via Adaptive Optical Spatial Differentiation”为题，发表在纳米科学Top期刊《Advanced Science》。
图1 视场可偏转的自适应光学空间微分装置的工作原理示意图。
自适应光学空间微分装置的系统结构如图2所示。所提出的装置的核心组成部分是自适应液体棱镜和空间微分介质超表面，它们能够分别实现视场偏转和边缘检测功能。将透镜1和透镜2组合成一个4f系统，将空间微分介质超表面放置于傅里叶平面。在空间微分介质超表面的前后分别放置两个正交线性偏振片，构成一个光学空间微分器。自适应液体棱镜位于透镜1的前方距离d处，其作用是使探测的物方空间中的视场发生偏转，以检测不同视场角度的物体。将物体放置在距离自适应液体棱镜距离r的物面上以减少像差，通过提出的装置捕获不同视场角度的信息，实现更广角的边缘检测。
图2 自适应光学空间微分装置的工作原理。
空间微分介电超表面的设计相位和测量相位以及自适应液体棱镜的结构如图3所示。利用如图3f所示的实验装置，对液体棱镜的角度偏转范围进行了测量。实验结果表明，自适应液体棱镜的有效光场偏转范围为-10.46°~ 10.46°，符合理论设计。
图3 空间微分介质超表面及自适应液体棱镜的表征。
最后实验测试了两种类型的图案（离散图案和连续图案），以展示所提出的装置的性能。如图4所示使用三个离散的图案（车、人、树）作为待测试的物体，它们对应于物方空间中的三个不同的视场角度。当需要在视场的不同角度检测物体时，激光准直器将被移动到相应物体的后方并照亮该物体。通过调整自适应液体棱镜的偏转角度，图像传感器可以通过介质超表面获取物体的边缘信息。为了证明装置的宽带特性，使用了三种不同波长的激光（470、532和630 nm）来照射物体。在像面处放置相机以捕获边缘图像。相应的边缘图像如图4b所示，结果表明所提出的装置能够在整个可见光谱中工作，并且具有完整可见光谱响应。为了更好地展示视场偏转特性，利用连续物体进行测试，被测试物为一串字母使其能够被视为一个整体。装置可以在不同的视场角度捕捉不同的字母。最后，将这些子图拼接在一起形成一个完整的图案，结果如图4c所示，证明通过提出的装置可以获得更宽视场范围内物体的边缘信息。相应的相位型物体实验也均得到验证。
图4对振幅物体进行视场可调边缘检测演示。
香港城市大学电机工程系博士生周寅为第一作者，李磊研究员、周军晓博士、耿子涵助理教授和陈沐谷助理教授为本文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、广东省研究基金、深圳市研究基金、中国香港特别行政区大学教育资助委员会/研究资助局GRF项目资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202412794
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