近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張斗國(guó)教授提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于介質(zhì)多層薄膜的多階光學(xué)微分運(yùn)算元器件，將該微分器件應(yīng)用于常規(guī)透射式光學(xué)顯微系統(tǒng)中，可以對(duì)入射光場(chǎng)信息進(jìn)行1階至4階的微分運(yùn)算。研究成果以“Single planar photonic chip with tailored angular transmission formultiple-order analog spatialdifferentiator”為題發(fā)表在綜合性學(xué)術(shù)期刊NatureCommunications。

在大數(shù)據(jù)信息時(shí)代，如何高速、精準(zhǔn)、低成本的處理多樣化海量數(shù)據(jù)是需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。雖然數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)用途極為廣泛，但它在處理非重復(fù)性稀有事件（如非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程）時(shí)，存在處理速度較慢、功耗大，需要復(fù)雜的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器件等問(wèn)題。近年來(lái)，光學(xué)模擬運(yùn)算由于其天然的低能耗、可大規(guī)模并行、抗電磁干擾等特性，引起了廣泛的關(guān)注。特別是，隨著納米光子學(xué)的發(fā)展，科研工作者研制出各種基于微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)模擬運(yùn)算器件，用于高通量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。光學(xué)微分運(yùn)算器件是其中的一種，它通常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像邊緣增強(qiáng)，在數(shù)據(jù)壓縮、光學(xué)顯微成像、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖1.光學(xué)微分器件及成像系統(tǒng)示意圖

截至目前，文獻(xiàn)報(bào)道的光學(xué)微分器件都只能進(jìn)行同一階次的低階微分運(yùn)算，如1階或者2階微分。該研究工作表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在一塊介質(zhì)多層薄膜器件上實(shí)現(xiàn)從1階到4階的所有階次光學(xué)微分運(yùn)算；理論分析結(jié)果表明，此薄膜器件亦可以實(shí)現(xiàn)更高階次的微分運(yùn)算。如圖1a示意圖所示，當(dāng)帶有樣品信息（如數(shù)字6）的光束 （波函數(shù)為Ein）穿過(guò)介質(zhì)多層薄膜，其透射光束的波函數(shù)Eout與入射光束波函數(shù)之間呈現(xiàn)出1階或2階微分運(yùn)算關(guān)系，進(jìn)而數(shù)字6的邊緣被清晰展現(xiàn)出來(lái)。該介質(zhì)多層薄膜由高、低折射率介質(zhì)（氮化硅和二氧化硅）薄膜交替疊加組成，可通過(guò)常規(guī)鍍膜工藝（如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法）在各種透明襯底上大面積、低成本制備，如圖1b所示為多層膜實(shí)物圖片和截面電鏡圖片。通過(guò)調(diào)節(jié)高、低折射率薄膜的厚度和折射率參數(shù)組合，可以在動(dòng)量空間調(diào)節(jié)不同偏振光波的透射率分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最終透射光波函數(shù)與入射光波函數(shù)之間的微分關(guān)系。

圖2.振幅型和相位型樣品信息的多階微分圖像

作為應(yīng)用展示，該介質(zhì)多層薄膜被用作光學(xué)顯微鏡的載玻片，放置在圖1b所示為常規(guī)透射光學(xué)顯微鏡上。當(dāng)被成像的物體為振幅型樣品，如1951 USAF分辨率測(cè)試靶，其光學(xué)圖像（圖2a1-a4）呈現(xiàn)出極為清晰的邊緣結(jié)構(gòu)，此即為光學(xué)微分運(yùn)算的功能之一：圖像邊緣增強(qiáng)。通過(guò)調(diào)節(jié)入射光的照射方向和入射光波長(zhǎng)，從圖2a1到a4，圖像的邊緣分別呈現(xiàn)出一條邊到四條邊，分別對(duì)應(yīng)著1階到4階的光學(xué)微分運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該介質(zhì)多層薄膜微分器件可以在常規(guī)的光學(xué)顯微鏡上快速實(shí)現(xiàn)多階次圖像邊緣檢測(cè)，而高階次的邊緣圖片可以給出更精細(xì)的邊緣結(jié)構(gòu)信息。邊緣檢測(cè)是圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)常用技術(shù)，它從圖像中提取感興趣對(duì)象的邊緣信息，大幅度地減少了數(shù)據(jù)量，并且剔除了可以認(rèn)為不相關(guān)的信息，保留了圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性，因此被應(yīng)用于圖像特征提取、目標(biāo)識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域。此外，得益于多階微分的特性，該微分運(yùn)算器件在解常微分方程、光束整形等領(lǐng)域也具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)被成像的物體為相位型樣品，如大多數(shù)液體環(huán)境中的生物細(xì)胞是透明的，可以看作是相位物體。由于透明特性，它們的散射光非常弱，因而其邊緣細(xì)節(jié)很難被常規(guī)無(wú)標(biāo)記顯微鏡觀(guān)測(cè)到。但當(dāng)該樣品放置在介質(zhì)多層薄膜基片上，由于存在光學(xué)微分運(yùn)算功能，其邊緣信息可以被清晰的展示出來(lái)，如圖2b1，b3為水中洋蔥皮細(xì)胞的常規(guī)顯微鏡圖像，b2, b4分別為進(jìn)行了1階、2階微分運(yùn)算得到的圖像。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只需在常規(guī)的透射顯微鏡上加載一塊平面型介質(zhì)多層薄膜微分器件作為載玻片，就可以實(shí)現(xiàn)生物細(xì)胞的清晰邊緣結(jié)構(gòu)成像。相對(duì)于生物細(xì)胞成像領(lǐng)域常用的暗場(chǎng)光學(xué)顯微鏡、相襯顯微鏡、微分干涉顯微鏡等所采用的復(fù)雜光學(xué)元件，該介質(zhì)多層薄膜微分器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，易于使用。

本校博士生劉洋同學(xué)為該論文第一作者，張斗國(guó)教授為通訊作者。上述研究工作得到了科技部，國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省科技廳、合肥市科技局、唐仲英基金會(huì)等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的儀器支持與技術(shù)支撐。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35588-5