以下文章来源于两江科技评论 ，作者九乡河

导读

近日，南京大学陆延青教授团队在软物质光子学领域取得新进展，丰富了结构化手性液晶光子晶体独特的偏振选择性、半透半反型几何相位调控机制，基于大双折射胆甾相液晶螺旋超结构的自组装构筑，在透射端和反射端分别同时实现明场成像与边缘检测，提供了宽带高效、高对比度、功能集成的图像处理新技术，拓展了液晶态手性软光子材料在新兴光计算及成像领域的应用。相关成果以“Polychromatic Dual-Mode Imaging with Structured Chiral Photonic Crystals”为题，在线发表于Nano Letters上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03437）。

关键词：光学空间微分，手性液晶，边缘检测，光子晶体，几何相位

研究背景

图像处理在机器视觉、自动驾驶、显微成像等领域都起到至关重要的作用，对输入物体的图像进行特定处理，从而满足人类基本视觉或实际生产生活应用的需要。实际上，物体的边缘，包括振幅型与相位型物体在内，保留了图像中最重要的信息。因此，边缘检测，或者说对光场分布进行空间微分操作，可以显著降低图像处理过程中的数据量。除了数字图像处理外，光学衍射现象的独特性质也提供了若干天然的数学运算形式，比如傅里叶变换与卷积运算。利用超构表面和空间光调制器等波前整形元件可以实现光学边缘检测操作。与基于电子元件的数字处理方法相比，光学模拟计算能够极为快速和高效地得到结果。然而，在许多复杂物体的识别场景中，实时、完整的样品信息也同样需要同步呈现，此时，同时实现物体边缘检测和明场成像就显得十分重要。

胆甾相液晶作为一类典型的液晶相态，表现出诸多有趣的物理化学性质，在光场调控领域亦有广阔的应用前景。此前，陈鹏副教授、陆延青教授团队在基于胆甾相液晶的光子轨道角动量操控【Light Sci. Appl. 11, 135 (2022); Nature Commun. 10, 2518 (2019)】、动态多维全息复用【Adv. Mater. 35, 2301714 (2023); Laser Photonics Rev. 16, 2200011 (2022)】等方面已取得系列成果。胆甾相液晶结构类似于一维手性光子晶体，存在圆偏振选择的光子带隙。当入射光波长恰好位于光子带隙内时，与胆甾相液晶的手性结构旋性相同的圆偏振成分会被反射，而与之相反的圆偏振成分则完全透射。有趣的是，自旋-轨道相互作用会在反射光中引入特殊的几何相位调制，却不影响透射光的相对相位分布。将自旋选择性、半透半反型的几何相位调制原理应用于上述图像处理中，有望实现同步的边缘检测与明场成像。

图1 结构化手性光子晶体实现双模式成像示意图。

研究亮点

南京大学陈鹏副教授、陆延青教授团队与北京航空航天大学段薇博士合作，提出了一种基于结构化手性液晶光子晶体的双模式图像处理元件，实现实时、宽带、同步的边缘检测与明场成像功能（图1），为光学边缘检测技术提供新思路。对于右旋手性的胆甾相液晶，具有特定空间分布的表面指向矢方位角α会在反射的右旋圆偏振光中引入几何相位φ = +2α；而透射的左旋圆偏光仅获得与方位角无关的均一动力学相位。为了在反射端实现边缘检测，研究团队将拓扑荷m = +1的螺旋相位与具有大周期的径向渐变相位叠加，并编码在胆甾相液晶的表面指向矢分布内（图2a）。此时，对反射右旋光的空间频谱进行相位调制，近似地实现输入图案的二阶、各向同性的空间微分操作，从而清晰显示出图案边缘；同时，在透射端，左旋光将保留入射图案信息，呈现出明场成像。因此，该手性液晶元件能够在没有明显串扰的情况下实现两种实时成像模式的同步工作，且成像模式可通过入射光的偏振态动态切换（图2b）。

图2 几何相位设计及基于结构化手性光子晶体的振幅型物体与相位型物体的成像结果。

除了振幅型物体外，对相位型物体的边缘检测也有着重要意义。一个仅含有相位信息的物体对于人眼而言是难以分辨的，典型的例子包括未染色的生物细胞和透明各向异性介质材料，比如液晶微纳结构。研究团队提出的多功能成像元件在相位物体边缘位置可产生两条毗邻的高亮边缘（图2c），意味着执行了二阶微分运算。这种二阶微分运算可以标注出一阶导数中的相位转变点，对物体的振幅和相位变化更加敏感，有助于提取更加精细的边缘及结构细节信息。实验中采用了具有大双折射率的向列相液晶作为母体液晶材料，获得了较宽的光子带隙，覆盖了从蓝色到红色的光谱范围（图3a），光子带隙内的任意波长入射光均达到了高质量、高对比度的双模式成像效果（图3b）。

图3 手性液晶元件的光谱与宽带双模式成像结果。

总结与展望

该手性液晶光子晶体元件为边缘检测、物体识别提供了一种可行方案，相比基于超构表面的多功能光学微分器件，所提出的胆甾相液晶器件有着独特的分子自组装特性、较高的调制效率，且无需复杂昂贵的微纳加工技术制备。同时，胆甾相液晶还有着灵敏的多元外场响应性，动态可调谐的多模式成像将在后续研究中深入探究。总的来说，该方案拓展了多层级手性纳米结构的构筑操控，促进了机器视觉、显微成像等相关应用，也为人工智能光计算等前沿领域中手性超结构的发展提供了新思路。

南京大学为该工作的第一单位，现代工程与应用科学学院博士生朱栋为第一作者，南京大学陈鹏副教授、陆延青教授与北京航空航天大学段薇博士为共同通讯作者，研究生张逸恒、刘思嘉、陈闻、朱琳及葛士军副研对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家自然科学基金优秀青年科学基金等资助完成。

* 论文信息

Polychromatic Dual-Mode Imaging with Structured Chiral Photonic Crystals

Dong Zhu, Yi-Heng Zhang, Si-Jia Liu, Wen Chen, Lin Zhu, Shi-Jun Ge, Peng Chen*, Wei Duan*, and Yan-Qing Lu*

Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03437

* 论文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c03437