导读
近日，《美国国家科学院院刊》 (Proceedings of the National Academy of Sciences) 在线发表湖南大学文双春教授团队和美国加州大学圣地亚哥分校Zhaowei Liu教授团队合作研究论文“Optical edge detection based on high efficiency dielectric metasurface”（基于高效介电超表面的光学边缘检测）。湖南大学博士生周军晓为该论文的第一作者，罗海陆教授和Zhaowei Liu教授为论文的通讯作者。
边缘检测是图像处理、计算机和机器视觉的基本工具。通过传统电子器件的数字计算或模拟计算实现图像边缘检测存在计算量大、耗时长等问题。随着信息技术的迅猛发展，对信息处理速度的需求不断提高。基于光学微分运算的边缘检测技术能够从整个图像中进行边缘检测的大规模并行处理，相对于传统的数字计算或模拟计算具有显著的优点：光学模拟计算元件可以进行实时、连续的图像处理，几乎不需要时间。
不幸的是，传统的光学微分器由透镜和空间滤波器组成，系统复杂，不便于系统集成；此外,传统方法很难实现宽带边缘检测, 而宽带边缘检测对全彩色图像处理至关重要。研究团队突破传统思路，提出并从实验上实现了基于高效介电超表面的光学边缘检测（图一）。介电超表面结构通过激光直写技术制作在光学玻璃上，因此可以集成在传统的光学元件上。此外，介电超表面结构具有较高的光学效率，成像分辨率可达到衍射极限（图二）。特别是，在边缘检测过程中，采用光的自旋-轨道耦合对图像进行微分运算，该过程与光的频率无关，因此具有宽带边缘检测能力（图三）。研究成果预期在医学成像、生物检测、化学分析、计算机视觉、自动驾驶、人脸识别等领域具有重要的应用前景。
研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（61835004）以及国家留学基金项目（201606130065）的资助。
图一： 基于高效介电超表面实现图像边缘检测的概念设计。
图二：实现不同分辨率的图像边缘检测。
图三： 基于介电超表面实现实时、宽带的图像边缘检测。
文章链接
https://www.pnas.org/content/early/2019/05/14/1820636116
来源：湖南大学物理学院
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