由超光学复用技术支持的四折并行全光成像处理

《Optics & Laser Technology》：Quad-fold parallel all-optical imaging processing empowered by meta-optics multiplexing

图像处理是生物成像、数字重构和自动驾驶等领域的关键技术。本文提出一种基于超表面的并行光学计算系统，通过嵌入螺旋相位和卷积启发式算子，结合Pancharatnam-Berry相位和传播相位控制，利用不同波长和偏振通道独立触发四类图像处理功能，实现紧凑型多通道并行计算，为医学成像和大规模计算视觉提供新途径。

　　

作者：王翠婷 | 李忠阳 | 戴伟 | 何志科 | 史铎 | 万帅

武汉大学电子信息学院，中国武汉 430072

摘要

图像处理是一项发展迅速的关键技术，在生物成像、数字重建和自动驾驶等应用领域展现了巨大的潜力。超表面由于能够在亚波长尺度上操控光波前，为光学模拟计算提供了有前景的途径。然而，大多数已报道的方法仍然局限于单一的图像处理功能，限制了其可扩展性和多功能性。在这里，我们提出了一种基于超表面的并行光学计算系统，可以实现多个独立的图像处理操作。通过在超表面设计中嵌入螺旋相位分布和受卷积启发的运算符，并利用Pancharatnam-Berry相位控制和传播相位控制，可以由特定的波长和偏振状态独立触发不同的图像处理通道。利用这种方法，一个单一的设备就能够实现四种图像处理功能。这种基于超表面的紧凑系统能够实现并行计算和多功能图像处理，可能为医学成像、大规模计算视觉和下一代智能传感开辟新的机会。

引言

图像处理作为一项关键且发展迅速的技术，在多个科学和工程领域得到了广泛应用，为生物成像、数字重建和自动驾驶等不同应用开辟了新的途径。这些新兴应用对图像处理在数据量、实时性能和能效方面提出了越来越高的要求。在这种情况下，并行光学图像处理技术成为解决这些限制的一种特别有前景的方法。

近年来，超表面展示了前所未有的亚波长光场调制能力[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，为下一代光学图像处理技术[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]开辟了全新的机会。目前，结合了各种原理的超表面，包括傅里叶空间滤波[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，轨道角动量（OAM）[25]，[26]，[27]，连续体中的准束缚态（q-BIC）[28]以及格林函数方法[29]，[30]，[31]，[32]，已经实现了先进的图像处理功能。然而，利用超表面同时操控多个光学参数以并行实现各种光学图像处理任务的价值尚未得到充分探索。大多数研究都集中在实现单一的光学图像处理功能[33]，[34]，[35]，[36]上，而利用超表面的多自由度光场调制能力来实现并行图像处理功能仍然是一个极具价值但尚未充分探索的方向。

在这里，我们提出了一种基于超表面的全光学图像处理系统，它能够在多个通道上实现完全独立的图像处理的并行和实时处理。利用超表面的多自由度光场操控能力，该系统能够在不同的波长和偏振通道上实现独立的相位调制。所提出的系统通过单个超表面展示了四通道并行图像处理功能。我们相信，这种基于超表面的全光学图像处理系统具有小型化兼容性、强大的并行处理能力和低功耗，将为生物医学成像、数字重建和自动驾驶等关键应用中的光学模拟图像处理开辟新的途径。

结果

如图1所示，不同的偏振和波长输入组合会从超表面产生独特的相位调制分布，从而实现多个图像处理任务的并行和高效率处理。超表面通过在光谱平面上操控图像谱，利用多维光学参数控制来实现多个图像处理功能的并行处理。

为了实现多通道并行处理

结论

总之，通过利用超表面的多维光学参数操控能力和精确的相位控制特性，本研究开发了一种基于4F系统的并行全光学图像处理系统，成功实现了四个独立且并行的图像处理功能。这四个并行图像处理功能的整体性能完全符合预期，展示了良好的实用性和可接受性。未来，通过进一步扩展

超原子的数值模拟

使用时域有限差分（FDTD）方法对图2中设计的超原子的光学性能进行了数值模拟。模拟计算域的边界条件设置如下：沿x和y方向施加了两对周期性边界（350 × 350 nm²），并在z方向上实现了完美匹配层（PMLs）。LCP或RCP光沿z方向垂直入射到结构上。

作者贡献声明

王翠婷：撰写——原始草案、方法论、研究、概念化。李忠阳：监督、资金获取。戴伟：资源提供。何志科：验证。史铎：撰写——原始草案、方法论、研究。万帅：撰写——审稿与编辑、监督、软件开发、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（编号2042025kf0024）和武汉大学纳米科学与纳米技术中心的支持。