英文原题：Metalens for Accelerated Optoelectronic Edge Detection under Ambient Illumination

通讯作者：杨原牧，清华大学

作者：Shuai Wang (王帅), Liu Li (李鎏), Shun Wen (闻顺), Ruiqi Liang (梁瑞琦), Yaxi Liu (刘亚希), Feng Zhao (赵峰), Yuanmu Yang (杨原牧)

模拟光学图像处理系统相比传统电学计算系统，具有更低的能量消耗和更高的处理速度，在大尺寸图像的实时处理上具有潜在的优势。在传统光学图像处理系统中，利用透镜的傅里叶变换和逆变换功能，将入射光场的频域信息在空间上展开，结合滤波器件在频率域对图像进行操作，可以实现图像的边缘提取等功能。然而传统光学图像处理系统相对庞大和复杂。针对这一挑战，近年来，国内外多个课题组利用光学超表面强大的光场调控能力，实现了高度紧凑的图像边缘提取系统。

当前，光学图像边缘提取系统面临的一个关键问题是需要相干激光光源进行照明。在实际应用中，大多数成像系统使用自然非相干光作为照明光源，导致光学图像边缘提取系统无法工作。为了解决该问题，本论文提出了一种基于偏振复用超透镜的成像系统，可以在自然非相干光照明条件下实现光电混合型图像边缘提取（图1）。与传统电学数字卷积方法相比，本论文提出的方法具有显著减小的计算量，有望极大提升图像处理速度。

图1. 基于偏振复用超透镜的图像边缘提取系统示意图

近日，清华大学杨原牧副教授课题组在Nano Letters上报道了基于超透镜的工作在自然光照下的光电混合边缘提取成像系统。通过设计偏振复用超透镜生成偏振相关的光学传递函数（OTF），在数字相减后得到具有高通滤波响应的等效OTF（图2），可实现图像的各向同性边缘提取功能。通过将偏振复用超透镜与偏振相机的集成，利用偏振相机同时捕获x和y偏振的图像，通过对x和y偏振的图像做差便可得到图像的边缘信息，极大降低了计算复杂度。

图2. 超构透镜的设计和表征

研究团队基于超透镜集成的成像系统在户外进行了实验，在北京首都国际机场附近对自然光照明下的正在降落的飞机进行了拍摄。成像系统聚焦在飞机上，并由偏振相机实时记录飞机的运动视频，验证了该系统可以将飞机的轮廓较好地提取出来（图3）。

图3. 针对室外动态场景的边缘提取实验（动图）

研究团队提出并实验实现了一种基于偏振超透镜的光电混合型图像边缘提取成像系统，该系统可以工作在自然光照下。相比于数字卷积实现图像边缘提取的方法，该方案极大降低了计算复杂度，提升了计算速度。在未来，有望通过将数字减法功能整合到偏振相机的图像信号处理流程中，进一步减少计算量。此外，超透镜独特的偏振调控能力有望实现复杂的光学卷积核，为非相干照明下加速图像处理任务提供了非常丰富的设计自由度，有望被应用于自动驾驶、生物识别等领域。

相关论文发表在Nano Letters上，文章的第一作者为清华大学博士后王帅（现为哈尔滨工程大学青岛创新基地副教授），通讯作者为清华大学杨原牧副教授。

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