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导读

       光计算有望突破电计算的速度与能耗瓶颈，其中光学图像处理凭借并行性与实时性的优势，在机器视觉任务中备受关注。然而，现有光学系统在功能多样性与任务并行性上仍面临挑战。近日，陈鹏教授、陆延青教授团队提出了基于液晶超结构的多维并行光学图像处理新架构，可在光的空间、波长及偏振维度上协同运行，在宽带和可调工作波长下实现多方向边缘与角点的并行检测，并完成对振幅物体与相位物体的全向梯度提取，为高通量、多功能光学信息处理与下一代机器视觉提供了新技术。相关成果以“General-purpose multi-dimensional parallel optical image processing via liquid crystal superstructures”为题，发表于Optica。

研究背景

       在大数据时代，对海量信息进行高速、低功耗处理成为人工智能和计算机视觉领域的迫切需求。然而，传统电子器件面临两大挑战：一方面受摩尔定律限制，性能提升日渐乏力，另一方面并行数据流中频繁的模数转换，使能效瓶颈日益凸显。相比之下，光子技术凭借光与物质相互作用的固有优势，有望应对这些挑战。光子作为无质量玻色子，可实现无损传播与高带宽传输，在实时图像压缩和特征提取方面具有显著优势，有望助力高吞吐、低延迟的下一代视觉系统。

       与片上光图像处理相比，自由空间方法能够以近乎零功耗直接对图像进行光学处理。目前主要分为两类：一类通过调控入射光的角散射谱来实现格林函数核；另一类利用透镜对输入图像进行空间频率变换，并在傅里叶平面进行调制。基于上述原理，近年来陈鹏、陆延青团队充分挖掘液晶态软物质材料的多元刺激响应性和微纳结构构筑技术，开发了双向同步的边缘检测与明场成像【Nano Lett. 24, 140 (2024)】、可高速选择的边缘增强成像【Natl. Sci. Rev. 11, nwae247 (2024); Light Sci. Appl. 15, 285 (2026)】、多模式动态量子成像【Sci. Adv.12, eadz8962 (2026)】等一系列新颖的光学图像处理技术。然而，上述光学系统通常功能有限，且依赖耗时的外部刺激重构。如何实现多任务、高并行的光学图像处理仍是亟待解决的重要问题。

研究亮点

       针对上述挑战，研究团队提出了基于液晶超结构的通用型多维并行光学图像处理新架构（图1）。一方面，借助光控图案化手性胆甾相液晶，在宽带且动态可调的波长通道上同步实现多方向边缘与角点检测，展示了空间-波长并行图像处理能力（图1 a）。另一方面，利用向列相液晶引入偏振维度，进一步实现对振幅物体和相位物体的全向梯度提取，展示了空间-偏振并行图像处理能力，并在生物成像中展现出重要潜力（图1 b）。该架构显著拓展了高通量、多任务并行光学信息处理的实现途径，为下一代机器视觉与人工智能提供了新技术。

图1.基于液晶超结构的多维光图像处理示意图

（1）一次成像，多任务并行：手性液晶超结构实现宽带可调光学图像处理

       在光学图像处理中，系统输出光场可视为输入图像与点扩散函数的卷积。卷积算子具有空间平移不变性：当卷积核从中心移到其他位置时，其输出同步平移，不会与其他区域的输出混叠（图2 a）。基于这一性质，本研究将不同功能的卷积核预先排布在同一平面上，并通过逆傅里叶变换设计相应的光学调制，使光在单次传播下即可同时得到多种处理结果。这一原理为多任务并行光学图像处理提供了通用架构。

图2.基于手性液晶超结构的并行、宽带、可调的光学边缘检测

       尽管多种材料体系均可用于光学调制，但兼具宽带响应与动态可调的平台仍十分稀缺。本研究选用了手性胆甾相液晶超结构，其分子自组装形成螺旋结构，产生手性光子带隙，可对同手性圆偏振光反射并编码几何相位。借助光控图案化技术，液晶取向角可被任意编码。更重要的是，手性液晶的光子带隙既可以被设计在宽带范围内，也可通过温度等方式动态调控，使并行处理能够在不同波长通道上实现。实验上，在495 nm ~ 637 nm宽带范围内同步实现了二维边缘与x、y、45°、135°方向边缘检测（图2 b-f）；并设计新的角点算子，实现了多方向角点的并行提取与边缘-角点的同步检测（图3）。此外，通过温度调控可在430 nm ~ 680 nm范围内动态选择工作通道，进一步扩展了波长并行能力（图2 g-j）。相关结果展现了宽带、动态可调的多任务并行图像处理能力，为高通量光学信息处理提供了新途径。

图3.基于手性液晶超结构的并行边缘与角点检测

（2）偏振维度，全向梯度：向列相液晶超结构实现相位重建与生物成像

       除了空间与波长维度之外，光还拥有独特的偏振自由度。本研究进一步引入向列相液晶超结构，在适当的半波电压下，会对右旋与左旋圆偏振光施加共轭的几何相位调制，从而为图像处理提供了偏振编码的新通道。通过设计点扩散函数，可将二维边缘检测与明场成像编码在正交圆偏振通道上，并将二者在空间上对称排布（图4 a-d）。

       实验表明，在右旋圆偏振光照射下， 1^st和-1^st两个衍射级次分别呈现明场原像与二维边缘像；在线偏振光照射下则表现为二者的矢量叠加。检偏后，强度可以分为三个部分：固定的明场原像和二维边缘像，以及由检偏角度决定的梯度像。通过将 1^st级次两个正交检偏下的强度相减，可获得任意方向的梯度，并利用余弦变换积分实现高精度相位重建。以模拟红细胞为例，验证了该器件在无标记生物成像中的可行性（图4 e-k）。本研究将偏振维度纳入并行光学处理架构，实现了对振幅和相位物体的全向梯度提取与相位重建，为生物医学成像、高通量光学信息处理提供了高效、可扩展的解决方案。

图4.基于向列相液晶的空间-偏振并行图像处理

总结与展望

       本研究提出了一种基于液晶超结构的通用型多维并行光学图像处理架构，通过在空间、波长、偏振维度上协同调控光场，实现了多任务并行处理。利用卷积算子的空间平移不变性，将不同功能的卷积核排布于不同空间位置，构建系统的点扩散函数，从而在单次成像中同时得到多种处理结果。基于手性液晶超结构，在宽带、可调的波长通道上实现了边缘与角点的并行检测；利用向列相液晶的偏振相关调制，在实现二维边缘检测与明场成像的同时，完成了对振幅和相位物体的全向梯度提取与相位重建。此外，该架构还具有高度通用性，可扩展到掩模版、空间光调制器、超表面等多种光学调制平台。未来，通过进一步丰富偏振编码维度与衍射图案的矢量叠加特性，有望实现单次复振幅成像等更先进功能，加速机器视觉与生物医学成像等领域的发展。

       南京大学是该工作的唯一完成单位，通讯作者为南京大学陆延青教授、陈鹏教授，第一作者为南京大学研究生陈方天宇、王一鸣，研究生朱栋、陈闻、刘思嘉、张逸恒、孙睿、丁世辉、朱琳、葛士军副研究员对本工作亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金基础科学中心项目/优秀青年科学基金、江苏省自然科学基金项目等资助完成。

 

 

【论文信息】

General-purpose multi-dimensional parallel optical image processing via liquid crystal superstructures.

Fangtianyu Chen^†, Yiming Wang^†, Dong Zhu, Wen Chen, Sijia Liu, Yiheng Zhang, Rui Sun, Shihui Ding, Lin Zhu, Shijun Ge, Yan-Qing Lu*, and Peng Chen*.

Optica13(9), 1871-1879 (2026).