南京大學(xué)寇君龍副教授課題組在光學(xué)圖像處理器取得進展，首次利用智能逆向設(shè)計方法開發(fā)了一種基于硅基材料的多功能超薄光學(xué)處理器。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)圖像的亮場成像和邊緣檢測，展示了在波長和偏振復(fù)用上的巨大潛力。這項研究以“Inverse Design of Multiplexable Meta-Devices for Imaging and Processing”為題，近期發(fā)表在《ACS Photonics》期刊上，為光學(xué)信息處理的前沿應(yīng)用提供了重要參考。

研究背景

隨著信息處理需求的不斷增長，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)逐漸暴露出體積龐大、能效低下等問題。相比之下，利用光作為信息載體的光學(xué)信號處理技術(shù)，憑借其超高速處理能力和高并行性，成為突破瓶頸的關(guān)鍵方向。然而，傳統(tǒng)4f系統(tǒng)因復(fù)雜光路和體積限制，難以滿足現(xiàn)代光學(xué)集成和微型化需求。

亞波長尺度的光學(xué)器件的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新思路。尤其是在圖像處理領(lǐng)域，利用元器件實現(xiàn)光學(xué)微分計算等功能，不僅能減少數(shù)據(jù)冗余實現(xiàn)圖片信息壓縮，還具備實時信息處理、低能耗、并行性等重要優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有設(shè)計方法在多功能成像處理器的開發(fā)上仍存在諸多限制。

研究亮點

研究團隊選擇逆向設(shè)計方法中的遺傳算法，大大拓展了光學(xué)微納結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度。通過優(yōu)化光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF），團隊實現(xiàn)了傅里葉變換及其濾波功能的集成化。成功優(yōu)化得到了波長和偏振復(fù)用的超薄光學(xué)器件。該器件在波長為784 nm時表現(xiàn)為高通濾波器，可進行邊緣檢測；而在1064 nm時則可實現(xiàn)高效亮場成像，如圖1所示。不同偏振狀態(tài)下，設(shè)備亦展現(xiàn)出類似的多功能性。

圖1：文章的概念示意圖

不同于傳統(tǒng)的4f光學(xué)系統(tǒng)，這一設(shè)計不依賴鏡頭或透鏡，而是通過亞波長結(jié)構(gòu)完成了所有圖像處理步驟。設(shè)備由硅基材料制成，與現(xiàn)有的CMOS工藝高度兼容。通過電子束光刻和離子反應(yīng)刻蝕等工藝，團隊成功制作了尺寸為400×400微米的樣品器件，如圖2b所示。研究人員通過一個類似顯微鏡的放大系統(tǒng)（圖2a）展示了設(shè)備在“NJU”標(biāo)志、建筑物和交通標(biāo)志等不同圖像樣本上的邊緣檢測性能，驗證了其實用性，如圖2c-k。實驗表明，該設(shè)備能夠在不同波長和偏振條件下有效執(zhí)行多種圖像處理功能，與理論模擬結(jié)果高度一致。

總結(jié)與展望

該研究提出了一種智能逆向設(shè)計和優(yōu)化光學(xué)元器件的新思路，展示了光場作為多維信息載體的潛力。通過逆向設(shè)計，這些超薄設(shè)備不僅在波長和偏振復(fù)用上實現(xiàn)了靈活的功能切換，還為開發(fā)高效、低功耗的光學(xué)處理器件提供了全新路徑。研究團隊計劃進一步優(yōu)化該技術(shù)，與現(xiàn)有的傳感器、探測器結(jié)合，探索更高階的多功能光學(xué)元器件的集成。

本論文的第一作者為南京大學(xué)的博士研究生周子昕和本科生張馨怡。