近日，北京理工大学光电学院的王涌天教授、黄玲玲教授团队在 PhotoniX 期刊上发表了一项重要研究成果，题为“Metasurface enabled broadband, high numerical aperture Laplace differentiator under multiple polarization illumination”。该研究提出一种利用多种共振模式在相干光和非相干光、偏振光和非偏振光照明环境下执行高数值孔径的超表面拉普拉斯微分器。该微分器通过共振模式耦合确定宽带达100 nm的工作范围，接着，在此宽带范围内可以获得数值孔径达0.64的双偏振拉普拉斯微分运算和分辨率高达0.7625 μm的二阶二维图像边缘检测，同时，这样的拉普拉斯微分器还能拓宽到非相干光和非偏振光照明环境下高效工作。这样的多功能、高效率的实用性超表面拉普拉微分器为机器视觉、光学显微成像和实时图像处理等领域提供了新的实现平台。
主要研究内容
本研究围绕实现兼具宽带工作、高数值孔径、多偏振通道且兼容相干和非相干光照明的全光微分器，设计了一种具有六方晶格周期的圆柱型共振色散超表面拉普拉斯微分器，用于全光图像边缘检测。该器件通过调节合适的几何参数诱导电环形偶极共振和磁环形偶极共振之间的失谐，可以在750-850 nm宽带范围内先确定宽带工作范围。然后，在确定的宽带范围内可以对相干光下的p偏振和s偏振通道分别支持数值孔径0.64和分辨率达到0.7625 μm 的拉普拉斯微分运算。同时，得益于这种圆柱超表面的旋转对称性特性，这样的微分器也可以在相同的工作波段对非相干和非偏振光照明条件执行单次曝光下的宽带二阶二维边缘检测。并且，本设计的拉普拉斯微分器在非相干光条件下执行图像边缘检测无需外加偏振元件或数字后处理。这种在复杂照明环境下实现多偏振、宽带宽、高分辨和高效率的图像边缘检测和识别的拉普拉斯微分器为机器视觉、生物医学成像和光学显微镜等领域的紧凑型高速光学计算提供了新平台。
技术突破与创新
本文提出了一种在空域直接利用多种共振模式实现在相干光和非相干光、偏振光和非偏振光照明环境下执行高数值孔径的超表面拉普拉斯微分器。与现有光学微分器相比，本研究工作的优势如下：
兼容宽带、大NA与双偏振下的拉普拉斯微分运算
通常情况下，超表面微分器为获得宽带模拟微分响应，一般可以借助几何相位超表面，但是需要配合4f系统和偏振片，较大的空间体积从而限制了集成效果。另一种方法是使用共振超表面。利用共振超表面结合格林函数法实现宽带拉普拉斯微分器，通常需要借助单个共振位置具有较低的Q值以获得较宽的工作波长，或者需要透射光谱可以随着入射角度的增大而发生宽带偏移，但是这两种方法一般难以获得大宽带范围和高数值孔径。因此，本工作通过电环形偶极子共振和磁环形偶极子共振两种共振的失谐，先确定了宽带工作范围。然后，在此确定的宽带范围使得超表面可以同时在p偏振和s偏振同时分别获得大数值孔径的拉普拉斯微分算子所需的传递函数。
图1 超表面拉普拉斯微分器的几何参数、共振特性和透射光谱。a. 超表面最小单元结构及入射光方向。b. 圆柱半径R=90nm时，超表面在正入射下的透射光谱。c-f. 正入射下716 nm共振位置和806 nm共振位置的电磁场分布，其中白色箭头代表电场矢量，红色箭头代表磁矢量。g-h. 超表面在p偏振光和s偏振光下对0°到40°入射角下的透射光谱。i. 超表面在p偏振和s偏振下分别对800 nm波长位置的光学传递函数及二次拟合。
兼容相干和非相干与非偏振照明下的全光图像边缘检测
考虑到在实际生活场景中，非相干光和非偏振光都比相干光和偏振光更常见，而常见的超表面微分器主要针对相干光和偏振光进行图像边缘检测处理，极大限制了这些器件的使用范围。实验中，利用索雷博SLS301卤钨灯提供的非相干和非偏振的宽带光源对本工作中设计的超表面拉普拉斯微分器分别进行成像实验。结果表面该微分器可以在非相干与非偏振照明下执行单次曝光下的宽带二阶二维边缘检测。这种不依赖于4f系统就可以直接在非相干光和非偏振光照明环境下实现宽带和大数值孔径的拉普拉斯微分运算在现实场景的紧凑型图像处理应用中具有重要意义。
图2 超表面拉普拉斯微分器在非相干光和非偏振照明条件下的成像结果。a-c. 无超表面拉普拉斯微分器时，加工字母图案在没有滤光片和有滤光片下的成像结果。图中比例尺为100 μm。d-f. 分别对应a-c中加入超表面后的成像结果。g-i 和j-l 分别代表与a-c和d-f相同的成像过程，只是将测试样品换为洋葱表皮细胞。图中比例尺为50 μm。
观点评述
本研究通过共振色散超表面的设计，实现了在相干光和非相干光、偏振光和非偏振光照明环境下执行宽带、高数值孔径的拉普拉斯微分器，可以被高效用于全光二阶二维图像边缘检测，为下一代显微成像和机器视觉等应用场景提供新的技术路径。未来工作将聚焦于：（1）动态可调微分和图像处理，结合相变材料实现不同的图像处理需求。（2）多功能集成，构建多种光计算功能超表面计算芯片。
主要作者介绍
王涌天，北京理工大学教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心主任。兼任全国政协委员，科技部云计算和大数据国家重点研发专项专家组副组长，国家信标委虚拟现实与增强现实标准工作组组长，并先后被国际工程光学学会(SPIE)、英国工程技术学会(IET)、美国光学学会(OSA)和中国光学学会(COS)评选为会士(Fellow)。长期在技术光学和虚拟现实领域从事教学和科研工作。
黄玲玲，北京理工大学教授，博士生导师。入选教育部青年长江学者、北京市卓越青年科学家、北京市杰青等人才计划。主要从事微纳光学功能器件及物理机制研究，研究成果以第一或通讯作者发表在Nature Communication, Science Advances, Advanced Materials, Light: Science & Applications, PhotoniX等国际顶级期刊120余篇，其中ESI高被引论文9篇，Google他引11000余次，连续入选爱思唯尔中国高被引学者。出版专著1本。主持10余项国家级和省部级项目。担任中国光学工程学会理事，担任 PhotoniX, Optics Express等期刊Associate Editor，获教育部青年科学奖，德国洪堡贝塞尔研究奖，茅以升北京青年科技奖等奖项。
周辰，北京理工大学光电学院博士生，导师为王涌天教授。主要研究方向为基于超表面的波前调控和模拟光计算与全光图像处理。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-025-00168-5
文献检索：
PhotoniX 6, 10 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00168-5
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