偏振复用超构透镜实现紧凑型单次曝光非相干边缘检测

《Laser & Photonics Reviews》：Compact Single-Shot Incoherent Edge Detection With a Polarization-Multiplexed Metalens

　　

非相干照明下的边缘检测对于紧凑型视觉系统具有很高的吸引力，但由于缺乏相位控制以及在基于强度的成像中实现高通滤波存在困难，仍然具有挑战性。在此，研究人员提出并实验验证了一种偏振敏感超构透镜，通过构建二阶高通光学传递函数（OTF）实现单次曝光非相干边缘检测。该超构透镜对左旋和右旋圆偏振分量施加不同的相位分布，产生一对空间分离的图像，编码互补的物体信息。通过数字对准和相减，实现了正比于f_X² + f_Y²的有效OTF，从而获得稳健的边缘增强，同时仅需简单的逐像素操作。研究人员使用USAF分辨率靶标对这种方法进行了实验验证，并通过将超构透镜与互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器直接集成，进一步展示了一种紧凑型成像模块，可实现真实场景单次曝光操作。这项工作为非相干边缘检测建立了一种实用的光学预处理策略，为机器视觉、自主传感和便携式成像系统的微型化、低功耗和计算高效的视觉前端提供了途径。

该论文发表在《Laser 》。研究人员提出并实验验证了一种基于偏振复用超构透镜的单次曝光非相干边缘检测方案。非相干成像具有抗干涉干扰、无散斑噪声及可使用宽带光源等优势，在自动驾驶、人脸识别和生物医学成像等视觉任务中具有重要价值。然而，传统非相干边缘检测方法要么依赖数字图像处理算法，要么采用4F光学处理器，往往需要高功耗电子计算或笨重的折射/中继光学系统，难以满足系统小型化、高效率及与高度集成成像平台兼容的要求。近年来，超构表面的发展为实现微型化成像架构提供了新途径，但已有的超构表面非相干边缘检测方案通常需要偏振敏感的成像硬件、级联或多元件光学配置、精确对准或多步采集，增加了系统复杂度，限制了在紧凑、低成本、实时成像平台上的实际应用。因此，利用单层超构光学元件与标准图像传感器实现单次曝光非相干边缘检测仍是一项具有挑战性的课题。

**2 原理与设计**

在非相干照明下，系统通过强度的线性传递进行信息处理。理论上，所需的边缘检测OTF应呈正比于f_X² + f_Y²的高通响应。然而，利用泰勒展开和柯西-施瓦茨不等式分析可知，单个光学通道的OTF总是在零频处取得最大值，理想高通OTF无法直接实现。为突破这一限制，研究人员提出一种偏振敏感超构器件。该器件将传播相位（PG）与Pancharatnam-Berry（PB）相位组合，为左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）分量分别构造聚焦偏转和一阶涡旋聚焦偏转相位分布。在x线偏振（XLP）光照明下，器件将物体信息映射到同一探测器平面上的两个空间分离的偏振通道中。通过数字对准并相减两个通道，在空间频域等效于对两个偏振相关OTF绝对值作差，从而合成正比于f_X² + f_Y²的有效二阶高通OTF。这种设计通过多通道处理克服了非相干成像中单通道OTF低频主导的限制，且仅需简单的逐像素操作。

**3 制备与表征**

研究人员基于有限时域差分（FDTD）方法构建了氢化非晶硅（a-Si:H）矩形纳米柱库，纳米柱周期350 nm、高度800 nm，横向尺寸80–250 nm，可实现全2π相位覆盖。通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、电子束光刻（EBL）和反应离子刻蚀（RIE）等标准工艺制备出直径1 mm、数值孔径（NA）0.25、焦距1.93 mm的超构透镜。扫描电子显微镜图像显示出良好的结构质量和均匀性。在相干照明条件下，模拟和实测点扩散函数（PSF）一致：LCP通道呈艾里斑状焦点，RCP通道呈中空涡旋焦点。LCP和RCP通道的聚焦效率分别为43%和24%，RCP通道效率较低源于光能从低频向高频的固有重分布。对两个偏振相关OTF绝对值相减后得到的有效OTF（ΔOTF）表现出清晰的二阶高通响应，实验测量与仿真吻合。实验中观察到ΔOTF沿某一方向轻微下降，主要归因于偏转相位引入的离轴像差，以及实验中的对准误差和轻微非正入射；减小偏转角可抑制该效应，但过小偏转角会导致通道重叠，因而需要在通道分离与成像质量之间取得平衡。

**4 成像结果**

研究人员使用宽带LED光源、线偏振片和USAF 1951分辨率靶标搭建了非相干成像系统。在单次曝光中，超构透镜同时记录了两个偏振通道的图像。经过强度归一化和中心对准后，逐像素相减得到边缘增强图像。对靶标中多个不同尺寸的元素（如Group 3的“3”元素、Group 3 Element 2、Group 3 Element 3、Group 4 Element 1和Group 4 Element 3）均获得了清晰的轮廓提取，验证了该方法的稳定性。进一步，研究人员将超构透镜与CMOS图像传感器（Arducam MT9J001）共同封装在3D打印外壳中，构建了高度集成的成像模块，并对计算机屏幕显示的字符“POSTECH”“RHO”“LAB”“HEU”“LXT”“LWY”“JYS”进行单次曝光边缘检测，所得边缘图像清晰突出字符边界。信号噪声比（SNR）分析表明，边缘增强图像的低频背景被抑制而高频噪声被放大，这是高通滤波固有的对比度提升与噪声增加之间的折衷。该有效高通响应作用于输入强度分布，因此不仅限于二值物体，对灰度及连续强度变化的物体同样适用。

**5 结论与讨论**

研究人员通过理论分析、相干表征和非相干成像实验，系统验证了基于偏振复用超构透镜的边缘检测机制。两个偏振通道的空间分离引入了通道间距与成像紧凑性之间的权衡，该权衡由偏转角与系统几何决定，可通过设计优化加以平衡。未来可通过引入消像差补偿相位、优化纳米原子库以增强角度鲁棒性、采用多层/级联超构表面架构提供额外自由度，或结合光学-计算框架中的校准重映射来进一步提高边缘提取保真度。当前超构透镜设计为单波长工作，实验中需使用光谱滤光片限制带宽；消色差或多波长设计将是拓展至宽带和全彩边缘检测的重要方向。总之，研究人员提出并实验验证了一种偏振敏感超构器件，通过自旋相关的相位调控实现非相干照明下的单次曝光边缘检测。该系统可直接与CMOS传感器集成，形成紧凑、低功耗、计算高效的成像前端，为机器视觉、智能感知和集成光学预处理系统提供了一条有前景的技术路径。