用于旋转计量学的光学奇点量角器结合神经形态传感技术

《Light-Science & Applications》：Optical singularity protractor for rotating metrology with neuromorphic sensing

　　

奇异光学与涡旋光束的发展促进了众多新型光学应用，其中光学传感是一个重要方向。利用涡旋光束的旋转能流特性，基于旋转多普勒效应(Rotational Doppler Effect)的旋转物体传感已取得显著进展。然而，由于轨道角动量(OAM)的基本限制以及基于干涉测量的实验方法，旋转多普勒传感在实际场景中通常需要严格的轴向对准（单点或多点），这限制了其适用性。为解决这些局限，本研究聚焦于利用与涡旋相位固有相关的奇点来开发旋转计量学，类似于最近开发的采用OAM密度本征/非本征修正的奇异标尺(Singularity Ruler)。在这项工作中，研究人员提出了一种称为“光学奇点量角器(Optical Singularity Protractor, OSinP)”的传感技术，该技术利用奇点的角速度来反映光场的旋转速度。为了将稳定的奇异标尺扩展到动态旋转传感，研究人员开发了一种实时神经形态奇点感知系统，能够获取微秒级分辨率关于奇点位置和运动方向的时间序列数据，从而实现光场旋转速度的传感。此外，研究人员用实际约束挑战了OSinP系统，特别是离轴旋转和非稳态速度，以验证其鲁棒的操作能力。这种奇点传感技术与传统旋转传感的区别在于将神经形态计算引入拓扑结构光，并有望在对能效要求严格的领域（如天文计量学和具身智能）中应用于神经形态计算应用。

研究背景方面，奇异光学主要研究结构光特别是涡旋光束，其具有螺旋相位结构，相位不定性导致光学奇点。涡旋光束的方位角相位梯度形成与轨道角动量(OAM, Orbital Angular Momentum)谱对应的高阶叠加态即复合涡旋光束，其能流特性表现为Poynting矢量与传播方向间的角向关系m/kr（k为波矢，r为径向坐标）。现有基于旋转多普勒效应的传感依赖OAM正交谱或OAM密度分析，受OAM外在属性限制，离轴场景下参考点选择不同导致频谱展宽与混叠，且传统图像传感器难以直接探测相位，需干涉测量引入符号简并，多点探测增加对准复杂度与实验难度。为此，研究人员开展光学奇点量角器(OSinP)研究，利用奇点作为OAM密度零点具有亚波长超振荡特征，通过其角速度表征光场旋转速度，结合神经形态相机(NeCam, Neuromorphic Camera)的梯度检测机制克服传统限制，验证其在离轴与非稳态场景的鲁棒性，论文发表于《Light: Science & Applications》。

关键技术方法包括：采用数字微镜器件(DMD, Digital Micromirror Device)生成复合涡旋光束并模拟旋转物体的时变相位调制，通过4f系统+1阶滤波获取离轴奇点群；使用Sony IMX636ES神经形态相机基于对数强度梯度阈值|Δ lg(I)| ≥ C异步采集奇点正负事件响应，时间分辨率达微秒级；采用基于密度的带噪声空间聚类算法(DBSCAN, Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)对事件帧压缩数据无监督聚类提取奇点位置矢量s_i(x,y,t)与极性中心p_i±(x,y,t)；通过速度矢量法θ_i(t)与中心余弦法cos θ'_i(t)计算角速度，结合快速傅里叶变换(FFT, Fast Fourier Transform)提取旋转频移；利用查找表(LUT, Look-Up Table)模式存储全旋转相位剖面实现DMD微秒级更新以模拟PID型变速场景。

研究结果部分保留原文小标题进行总结。

OAM、旋转与奇点：研究人员类比刚体转动惯量模型，指出光场OAM密度J = (r_o+ r) × p（p ∝ 1/(2ω₀) Im[E* × (? × E)]）含本征与非本征分量，OAM零线无论参考点如何选择均穿过奇点而非必过参考点。复合涡旋光束如(1,7)模式（LG_p^m，p=0，m为拓扑电荷）产生6个离轴奇点与1个轴上奇点，各带单位|m|=1，离轴位移下奇点角速度Ω恒定而线速度随位移变化，OAM谱随离轴距离展宽导致多普勒频谱重叠，但奇点速度不变，确立基于奇点的光场旋转表征方法。

Rotation velocity detection via OSinP：研究人员利用NeCam梯度传感优势，采集82.86 rps光场下奇点时间序列极性事件[r(x,y), p=±1, t]，以660 μs窗口帧压缩得1515 Hz分辨率，DBSCAN聚类得奇点轨迹几何中心s₀(x,y)为旋转中心无需严格对准。提出速度矢量法（基于极性事件夹角θ_i(t) = arccos[p_i+·p_i-/(|p_i+||p_i-|)]）与中心余弦法（基于s_i(t)与s₀夹角cos θ'_i(t) = s_{i0/(|si||s0|)）计算角速度，FFT提取频移13.62 Hz（相对误差1.37%），频谱纯净无高阶谐波。0至220 Hz多普勒频移测量呈线性增长，低速端因事件响应弱致聚类不稳存偏差，速度矢量法受NeCam拖尾伪影引入高频噪声但不影响频移计算。}

Multi scene detection: off-axis and non-stationary velocity：离轴旋转测试三轴心偏移场景，FFT均提取一致13.62 Hz峰值，直接从空间域确定频移规避OAM投影限制。非稳态PID控制变速（P=5.5, I=270, D=0.055，预设140.5 Hz、?85.5 Hz、85.5 Hz频移）下，原始角速度经15 Hz截止FFT低通滤波抑制高频噪声，多奇点平均得时变速度序列，近零速过渡区因响应弱致聚类与平均误差积累，可结合帧式传感缓解。

讨论部分总结：研究人员强调奇点与质心非等价源于不同控制方程，光场OAM密度更似流体流动，但角动量交换中概念相似，奇点位置反映光场转速符合旋转多普勒理论，扩展至粗糙表面与散射介质需关注介质主导奇点现象，OSinP聚类与平均可应对抖动与非先验奇点。OSinP权衡单帧定位精度侧重快速测量，利用NeCam非线性强度检测类比强度饱和实现高速追踪，牺牲时间分辨率换空间精度扩展动态追踪边界，微秒级时间分辨率媲美商用光电探测器。两角速度估计法分别依空间坐标与异步响应幅值，静态准静态因仅运动触发事件存误差，可引入主动探测或联合帧式传感器。NeCam像素4.86 μm，亚波长奇点检测可通过放大系统匹配尺度。OSinP适用于宽带光源与抗背景照度，复合涡旋光束结构可用于光纤集成紧凑收发系统。结论为研究人员开发OSinP利用奇点追踪表征旋转多普勒频移，在复合涡旋光束中奇点作为OAM密度零点其运动速度等效光场转速，类比刚体转动惯量模型；实验通过神经形态传感器阵列相对梯度测量实时追踪奇点位置与速度矢量，具免对准与高数据效率优势；提出两法通过奇点位置与速度矢量时序及FFT确定旋转频移与方向，验证离轴与非稳态场景性能；工作将神经形态非线性传感与拓扑结构光奇点性质结合，将奇点计量拓展至时域，潜在应用于光电混合计算与神经形态智能传感。