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【编辑推荐】针对全光图像处理中背景噪声干扰及目标选择性不足的问题，研究人员基于金属 - 电介质 - 金属（MDM）薄膜的非局域特性，开发尺寸选择性处理器，实现～0.9 μm 分辨率边缘检测与动态去噪，为生物成像和目标识别提供高效方案。
在大数据时代对实时图像处理的迫切需求下，全光图像处理技术因其高速、低功耗的特性成为研究热点。传统光学器件虽能实现边缘检测等基础操作，却难以有效区分目标与背景噪声，常需依赖数字后处理，这不仅限制了处理速度，还可能降低精度。例如，在复杂场景中，背景噪声的边缘可能被错误放大，导致目标识别出现假阳性结果。如何在光学层面实现对特定尺寸目标的选择性增强，同时抑制噪声，成为领域内亟待突破的关键挑战。
为解决这一问题，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所联合中国科学院大学、吉林大学等机构的研究团队，开展了基于非局域平面光学的尺寸选择性图像处理研究。相关成果发表在《Nature Communications》上，为全光图像处理技术的实用化开辟了新路径。
研究团队采用的核心技术包括：
- 金属 - 电介质 - 金属（MDM）薄膜设计：通过 Ag 和 MgF?层构建法布里 - 珀罗腔结构，利用其非局域特性实现空间带通滤波。
- k 空间（波矢空间）滤波：在傅里叶光学框架下，通过定制化光学传递函数（OTF）调制不同空间频率成分，实现对目标尺寸的选择性响应。
- 多波长动态调控：选取红（650 nm）、绿（532 nm）、蓝（466 nm）三波长，对应不同数值孔径（NA）范围，实现尺寸选择性边缘检测与去噪。
研究结果
1. 设计原理与仿真验证
在 k 空间中，输入电场的傅里叶变换表明，目标尺寸与空间频率分布呈反比关系：目标尺寸越小，k 空间低频半径越大。基于此，研究团队设计矩形带通 OTF，通过 MDM 薄膜的相位匹配条件（δ=2πm）实现特定波矢的透射增强。仿真显示，MDM 薄膜在 650 nm 波长下对 NA=0.5 的波矢具有最大透射率，且在三波长下分别实现 0.43–0.6 NA（红）、0.93–0.99 NA（绿）、0–0.8 NA（蓝）的带通滤波特性，对应理论边缘检测分辨率为 660 nm（红）、327 nm（绿），以及 0.35 μm 以下的去噪能力（蓝）。
2. 器件制备与实验表征
利用离子辅助沉积技术制备两英寸 MDM 薄膜处理器，椭偏仪测量表明其透射光谱与仿真高度吻合。显微镜成像实验显示，在红光下可对 1.6–2.3 μm 尺寸目标进行边缘检测，绿光下分辨率提升至 0.9 μm，蓝光则能有效去除 <0.3 μm 的噪声。人工目标实验（如字母图案、“薛定谔楼梯”）验证了尺寸选择性边缘检测的灵活性，而 QR 码去噪实验则展示了其在实际场景中的应用潜力。
3. 生物医学应用验证
在生物成像中，该处理器成功区分酵母细胞（~3 μm）和牛精子细胞（~1 μm）：红光增强酵母边缘，绿光凸显精子结构。混合细胞实验表明，处理器可在保留一种细胞完整图像的同时增强另一种细胞的边缘，有效抑制纳米细菌（<1 μm）噪声。动态去噪实验显示，其能实时平滑细胞内外的动态纳米细菌，显著提升显微图像质量。结合 VGG-16 神经网络模型，尺寸选择性处理使目标识别准确率从 40% 提升至 96%，并加速模型收敛。
结论与意义
本研究通过非局域 MDM 薄膜实现了实时尺寸选择性图像处理，突破了传统光学器件在噪声抑制和目标分辨中的瓶颈。其核心创新在于利用 k 空间带通滤波实现光学模拟信号的智能调控，兼具高分辨率（~0.9 μm）、动态适应性和超紧凑结构（可集成于显微镜物镜）等优势。相较于超表面和光子晶体平台，MDM 薄膜的横向均匀性避免了对准误差，且适用于标准化镀膜工艺，在成本和规模化生产上具有显著优势。
该技术为生物医学成像（如活细胞动态监测、病原体识别）、智能光学传感（如空间遥感、消费电子）等领域提供了全新工具，有望推动全光计算与机器学习的深度融合。未来，通过扩展工作波长和优化 OTF 设计，非局域平面光学技术或可进一步集成高维光电探测、空间压缩等功能，为下一代多功能光学处理器奠定基础。
