Optical edge detection based on high-efficiency dielectric metasurface
2019年5月17日在PNAS上，湖南大学和加利福利亚大学圣地亚哥分校的Junxiao Zhou, Haoliang Qian等人发表了一篇将超表面用于光学边缘检测的文章，他们提出了一种基于PB相位超表面的边缘检测机制，通过使用具有高光学效率的介质超表面实验证明了宽带边缘检测。
—— ||| 背景介绍 ||| ——
边缘检测是图像处理，计算和机器视觉的基础工具。与数字处理相比，光学模拟方法由于其高速操作的内在并行性质而显示出巨大的优势。最近，光学超材料和超表面通过模拟空间微分表现出边缘检测的能力，而与传统的庞大系统相比，它具有更好的集成能力。不幸的是，基于之前提出的理论，使用超材料和超表面的光学边缘检测的实验实现仍然是具有挑战性的。
—— ||| 创新与结论 ||| ——
作者提出了一种机制来实现光学空间微分器，该光学空间微分器包括插入的两个正交排列的线性偏振器和其之间设计的PB相位超表面。与其他的空间微分方法不同，这种方法不依赖于复杂的分层结构或临界等离子体耦合条件，而是基于spin-to-orbit作用。通过实验证明了宽带光学模拟计算能够实现物体的边缘检测，并在合成边缘实现可调分辨率，此外，还通过实验证明了依赖于表面取向的边缘检测。
—— ||| 图文一览||| ——
图1 |提出的基于设计相位梯度曲面的边缘检测概念。 （A）当准直LP光束照射PB相位梯度超曲面时，观察到两个分离的LCP和RCP光束分量。 （B）因此得到的LCP和RCP组分的相位梯度。 方形物体的傅立叶空间谱（C）和实空间图像（E）。 当在傅立叶平面上添加PB相位梯度超曲面时，C和E将分别变为D和F. 蓝色和红色阴影区域表示沿PB相位梯度方向的合成边缘信息。
小结：通过线性偏振光照射物体并通过表面传播，具有相反自旋角动量的左手和右手光子通过与表面相互作用获得相反的外向轨道角动量，LCP和RCP的图像平面上有上有微小的偏移，通过分析器可以消除重新组合成LP的重叠的LCP和RCP部分从而留下可用于检测的边缘信息。
图2 |镶嵌在玻璃中的表面。 （A）1英寸直径样品的照片。 超表面图案区域，8 mm×8 mm。 （比例尺，5 mm。）（B）A中标记的样品图案区域的偏光显微镜光学图像。（比例尺，25μm。）红色条表示一个周期内的结构方向。 （插图）诱导纳米结构的SEM图像。 （比例尺，500 nm。）。
小结：红色条表示该样本的一个周期内慢轴的方向。纳米结构约为30-100nm，如图2B中的扫描电子显微镜（SEM）图像所示。结构尺寸远小于工作波长，因此我们可以将其视为具有空间变化光学慢轴的双折射介质。当光束通过设计的非均匀双折射介质时，其具有局部变化的光轴取向和均匀的延迟，它将获得空间变化的PB相。
图3 |宽带边缘检测演示。 （A-C）第一行显示没有分析仪的图像; 照射波长分别为430,500和670nm。 拍摄的图像的表面周期Λ为8,000μm。 （D-F）第二行显示添加分析仪后的结果图像。
小结：使用光刻制作的加利福尼亚大学圣地亚哥分校（UCSD）图书馆徽标以及4f系统证实了所提出的边缘检测概念以及其宽带能力。超表面的宽带特性源于纳米结构取向的几何相位，其本质上与波长无关。
图4 | 波长为500 nm的各种分辨率的边缘检测。 （A-D）具有不同相位梯度周期的超曲面样品的照片：分别为500,750,1,000和8,000μm。 （E-H）第一行中样本的偏振显微镜图像。 （比例尺，125μm。）（I-L）两个分离的LCP和RCP图像，不带分析器。 （M-P）对应于不同分辨率的不同样本的边缘图像。
小结：通过选用UCSD Triton徽章作为对象，证明了对应于不同PB相位梯度周期的边缘图像的可调分辨率，实现的最高分辨率约为2微米，接近光学系统的衍射极限。
图5 |取决于方向的边缘检测。 （A）没有边缘检测的原始图像。 （B-D）边缘的不同部分显示出不同的表面方向。 箭头表示边缘检测方向。
小结：使用具有不同取向的超表面得到的分析器之后的边缘图像如上图，一维的相位梯度超表面只提供沿着梯度方向的边缘灵敏度，由白色箭头表示。通过将一维相位梯度改变为径向相位梯度，可以很容易的将表面设计扩展到2D边缘检测，所有边缘都清楚的显示。
—— ||| 点评||| ——
本文介绍了一种由两个正交线性偏振器夹在中间的PB相位梯度超表面可用于具有可调分辨率的宽带光学边缘检测，文章中的超表面的光学效率可达到约90%，这是源于具有高投射系数的相对厚的玻璃基结构（2.5cm直径，3mm厚度），与用于传输模式应用的金属表面相比有着明显的优势。本文提出的边缘检测方案不限于双折射介质超表面，可以通过具有高光学效率的任何其他PB相位梯度超表面来实现。
Optical edge detection based on high-efficiency dielectric metasurface
Junxiao Zhou, Haoliang Qian, Ching-Fu Chen, Junxiang Zhao, Guangru Li, Qianyi Wu, Hailu Luo, Shuangchun Wen, and Zhaowei Liu
PNAS June 4, 2019 116 (23) 11137-11140; first published May 17, 2019 https://doi.org/10.1073/pnas.1820636116
