南京大学陈鹏副教授陆延青教授研究团队：基于手性层状液晶超结构的快速选择边缘增强成像

近日，南京大学陈鹏副教授、陆延青教授研究团队联合深圳大学张万隆助理教授、袁小聪教授研究团队在软物质光子学领域取得新进展，构筑了拓扑手性层状铁电液晶超结构，基于其独特的快速电光响应性，提出了一种高速选择边缘增强成像的新方案。该结构在低电场驱动下发生有效光轴的分布重构，实现了矢量光场的动态调控及正交维度边缘检测的快速切换，展示了宽带高效、动态高速的光学模拟运算技术，拓展了软物质在成像及光计算领域的应用。

大数据信息时代，如何实现高通量数据的实时处理是亟待解决的关键问题。其中，图像作为人类视觉的基础，携带海量信息，其处理技术在医学成像、自动驾驶、机器视觉领域中广泛应用，近来对快速计算、低能耗及并行处理的需求快速增长。边缘检测技术量化图像中边缘的大小和方向，提取特征信息，是图像处理技术的重要基石。如今，光学模拟运算方法因其高速、可大规模并行的特性，正逐渐成为一条富有前景的边缘检测技术途径。近年来，诸如光子晶体、超构表面等各类微纳光子结构与器件的发展，进一步丰富了光学模拟运算技术。然而，这些结构或器件通常是固定的，光学功能静态、单一、缺乏有效调控手段，限制了微纳光学器件用于信息处理的潜力。

液晶以其对电、磁、光、热等多元外场的良好敏感性而闻名，在显示行业仍占据主流地位。手性近晶C相铁电液晶作为一种十分特殊的液晶材料，在无外场时，液晶分子以固定的倾斜角度围绕层法线旋转，自组装形成独特的手性层状结构；而在外部电场作用下，铁电液晶的指向矢发生面内旋转，具有超快速的电光响应特性。铁电液晶在电致解旋型模式下，具有超高速可调光轴，研究者们发展了铁电液晶波片、光栅及菲涅耳透镜等动态光子元件，进一步丰富了主动可调光学技术。若能深入探究其可重构的光轴分布，打破常规二元结构的局限，铁电液晶有望赋能光学模拟运算，助力动态边缘成像的新方案。

图1基于拓扑手性层状液晶超结构的快速选择边缘增强成像示意图

（1）拓扑手性层状液晶超结构动态调控矢量光场

研究团队利用非对称平面锚定、光控图案化取向和缓变降温技术（图2a）在铁电液晶中引入螺旋渐变排列及中心拓扑奇点，构筑了拓扑手性层状超结构，如图2b所示，实现了沿角向渐变的面内等效光轴分布。得益于铁电液晶的独特电场刺激响应性，在施加大于或等于阈值电压的外电场时，该液晶螺旋超结构将发生解旋和重构，对矢量光场有不同的调制作用。外加电场极性为正时，等效光轴实现+θ的同步旋转；极性为负时，等效光轴实现-θ的同步旋转。改变外加电场极性，出射线偏振方向发生整体同步旋转，形成具有另一种偏振分布的矢量光束，从而实现了矢量光束的旋转变换。

研究团队演示了倾斜角为25°的铁电液晶材料在不同电场极性条件下，螺旋结构的变化和矢量光场的调控能力（图2c、d）。施加正极性电场时，拓扑手性层状液晶超结构发生解旋，等效光轴分布整体旋转+25°；极性反转时，等效光轴分布相较初始态整体旋转-25°，相较正极性条件下整体旋转-50°。该液晶超结构的正交偏光显微照在相反极性的外加电场下，于两种状态之间快速切换。当入射光为波长550nm的水平线偏振光时，在不同极性外加电场下，产生的衍射光斑均呈现圆环形光强分布，但相应的矢量光场偏振分布近似正交，发生了整体偏振旋转。

图2铁电液晶超结构的制备流程、结构表征及其对矢量光场的动态调控

（2）可快速选择的宽带光学边缘检测

图3快速选择宽带边缘增强成像

可控的矢量光场偏振分布旋转为光学图像边缘的选择性识别提供了新思路。研究团队利用4f系统（图3a），经偏振片调制后的光学图像“1”照射置于4f系统频谱面的铁电液晶超结构，在外电场极性为正时，检偏片清晰地滤出了该图像的竖直边缘像；反转外加电场的极性，输出像切换为水平边缘（图3b）。动态控制电场的极性，实现了光学图像边缘的快速选择与动态切换。值得注意的是，得益于正交检偏的光路设计，未调制的零级光被强烈抑制，使得该方案在可见至近红外的宽光谱范围内均可适用。

本研究提出的铁电液晶动态光学元件实现了电控有效光轴的分布重构，有效改善了传统光学边缘检测器件不可调、功能固定等局限性，实现了矢量光场的动态调控及正交维度边缘检测的快速切换，提供了动态光学边缘检测的新策略，挖掘了拓扑手性液晶超结构在光学模拟运算领域的潜力。此外，该器件有望与商用高速成像仪兼容，促进多维光信息的快速采集和实时处理，助力机器视觉等领域的前沿应用。