长春光机所李炜团队：非局域平面光学 ——Nature Communications

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Sandeep Kumar Chamoli, Chunqi Jin, Yandong Fan，李炜Wei Li团队联合纽约市立大学 Andrea Alù 团队在Nature Communications上发文，提出一种实时尺寸选择性图像处理的光学解决方案，并通过金属-介质-金属薄膜在动量空间，实现空间带通滤波的实验验证，展示了高分辨率（约0.9微米）边缘检测与实时动态去噪功能，尤其适用于生物成像与目标识别。所演示的k空间滤波超表面，拓展了非局域平面光学元件在模拟图像处理中的应用范围，为超紧凑、低成本、多功能图像处理器开辟了新机遇。

基于超表面的全光学图像处理技术，因为高速、高集成度和低能耗特性而快速发展。目前，研究主要集中于标准操作（如复杂场景中全域目标的边缘检测微分运算），但背景噪声与杂散信息会干扰此类操作，需依赖数字后处理进行目标筛选，这本质上限制了系统的整体精度、效率和速度。

该项研究提出了一种基于非局域平面光学的超薄图像处理器。该器件利用金属-介质-金属（Ag/MgF₂/Ag）薄膜的Fabry-Perot共振效应，在动量空间构建带通型光学传递函数，通过调控入射光波长（466 nm、532 nm、650 nm）选择性过滤特定空间频率，实现尺寸相关的边缘检测与动态去噪。

实验表明，器件可在绿光下实现0.9微米超高分辨率边缘提取，并实时消除亚微米级噪声，较传统光学处理器效率提升40%。其非局域特性避免了复杂光学对准需求，可直接集成于显微镜等商用系统，在生物细胞成像（如酵母与精子细胞识别）和二维码去噪中展现优异性能。

该工作突破了超材料在模拟图像处理中的功能局限，为开发紧凑、低成本、多功能光学智能处理器提供了新范式。

图1：用作矩形带通滤波器算子的尺寸选择性成像处理器示意图

图2：基于非局域 MDM 薄膜的尺寸选择性图像处理器

图3：利用人造目标表征尺寸选择性成像处理器

图4：动态活体生物细胞中实时尺寸选择性成像的表征

图5：通过尺寸选择性图像处理和去噪提高目标识别性能

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59765-4

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