• 解决的问题：当前智能成像和视觉系统需要紧凑可调的光学计算硬件，但现有静态超表面仅能执行单一功能，缺乏可重构或可编程方案，限制了其在复杂系统中的应用，亟需动态可调的非局域超表面实现多功能图像处理。

• 提出的方法：提出并实验演示基于低损耗相变材料Sb2Se3的可重构非局域超表面，通过在非晶态和晶态之间转换，使超表面在空间频率空间实现不同传递函数，支持边缘检测和明场成像模式。

• 实现的效果：该超表面在非晶态时作为高通滤波器实现边缘检测，晶态时作为全通滤波器实现明场成像，兼容约0.5的大数值孔径，适用于高分辨率相干光学成像显微镜，且具备非易失性重构能力。

• 创新点：将相变材料与非局域超表面结合，利用材料相变导致的折射率差异实现传递函数重构，在同一器件上集成两种成像功能，为开发可切换多任务的人工智能辅助成像和视觉设备奠定基础。

• 研究成果以题为 “Nonlocal phase-change metaoptics for reconfigurable nonvolatile image processing” 发表于《Light: Science & Applications》上。牛津大学Guoce Yang为论文共同第一作者，牛津大学Harish Bhaskaran和埃克塞特大学C. David Wright为论文共同通讯作者。

• 摘要：下一代智能成像和视觉系统将需要紧凑和可调的光学计算硬件来执行高速和低功耗的图像处理。这些需求推动了计算超表面的发展，以实现高效的前端模拟光学预处理器，特别是边缘检测能力。然而，仍然缺乏可重新配置或可编程的方案，这可能会大大增强这些设备在系统级的影响。在这里，我们提出并实验证明了一个可重构的平面光学图像处理器使用低损耗相变非局部超表面。当相变材料在非晶相和晶相之间转换时，超表面被配置为在空间频率空间中实现不同的传递函数。这样可以在同一设备上实现边缘检测和亮场成像模式。该超表面兼容~0.5的大数值孔径，适用于高分辨率相干光学成像显微镜。相变可重构非局部超表面的概念可能使具有可切换多任务的人工智能辅助成像和视觉设备的新兴应用成为可能。

• 结论：总之，我们已经证明了一个固态无损相变非局部超表面作为一个可重构的空间频率滤波器。该超表面具有亮场成像和边缘检测成像双重功能。我们已经通过实验证明了一个概念验证应用，一个可重构的覆盖盖，用于显微镜使用我们的可重构非局部超表面。我们的演示为有源非局部超表面打开了大门，目标是潜在的高级应用，如用于不同图像处理的动态空间频率滤波器，可调间隔挤压器和有源互易透镜。最近报道了一个使用VO2作为PCM的并行工作。VO2是一种挥发性PCM，需要温度连续保持在阈值以上以保持超表面处于一种模式。通过使用非易失性PCM，我们可以在PCM已经设置或重置后保持功能时消除功耗。VO2的状态仅取决于材料的当前温度，而Sb2Se3等非易失性PCM的状态则由材料过去的结晶和非晶化过程控制，这使得动态切换变得非常重要。因此，下一个挑战是利用集成加热器解决动态可调性问题，使这些超表面在这些活性材料的结晶和非晶化的时间尺度上可切换，这在反射显示器中已经实现了，但在透射超表面上可能需要进一步的大量工作。

图1：双功能相变非局域超表面。

图2：非局域超表面随Sb2Se3相位变化的光学传输特性。

图3：超表面在k空间的二维传递函数计算。

图4：边缘检测和明场成像模式。