近日，南京大學(xué)胡偉教授課題組與南方科技大學(xué)陳全明博士合作，通過(guò)在螺旋相襯成像中引入自愈性，提出了一種可進(jìn)行自愈合光學(xué)邊緣檢測(cè)的器件，消除了遮擋物對(duì)光學(xué)邊緣檢測(cè)的干擾，提升了光學(xué)邊緣檢測(cè)器的魯棒性。相關(guān)成果近日以“Self-healing spiral phase contrast imaging”為題發(fā)表于Sci. Rep. 14, 20396 (2024)。

即時(shí)成像處理在自動(dòng)駕駛、生物成像、無(wú)人機(jī)蜂群協(xié)同攻擊以及自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)等方面有廣泛的需求。光學(xué)邊緣檢測(cè)在光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中直接提取出物體的幾何外形信息，具有超高速和低功耗的特性，因而成為即時(shí)圖像處理的重要手段。在實(shí)際工況使用中，不可避免地會(huì)有遮擋物干擾光學(xué)元件，從而破壞光場(chǎng)信息。開(kāi)發(fā)具有自愈合功能的光學(xué)邊緣檢測(cè)，對(duì)消除遮擋物影響提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)魯棒性具有重要的意義。

針對(duì)這一挑戰(zhàn), 團(tuán)隊(duì)提出在螺旋相襯成像中引入自愈性來(lái)消除遮擋物的影響。如圖1a所示，攜帶物體信息的光束先通過(guò)邊緣檢測(cè)器，再經(jīng)過(guò)障礙物，由于檢測(cè)器的特殊設(shè)計(jì)，它能在實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束的自愈合，經(jīng)過(guò)一段傳播距離后，在檢測(cè)器像面上便能夠獲取到物體的自愈合后的邊緣信息。邊緣檢測(cè)器相位由螺旋相位、軸錐相位和透鏡相位疊合而成（圖1b）。螺旋相位與軸錐相位的組合用于產(chǎn)生貝塞爾渦旋光束，從而賦予光束自愈合能力；而螺旋相位與透鏡相位的組合則用于實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)功能。當(dāng)自愈性和邊緣檢測(cè)這兩個(gè)要素被同時(shí)滿足時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)自愈合光學(xué)邊緣檢測(cè)。

圖2（a）邊緣檢測(cè)器樣品外觀圖。（b）樣品中心區(qū)域顯微圖。（c）b圖中心區(qū)域指向矢分布。（d）PSF測(cè)試光路。（e）PSF圖像。（f）PSF強(qiáng)度分布。

檢測(cè)器由向列相液晶制備而成，其外觀如圖2a所示，在顯微鏡下觀察到樣品的取向效果良好（圖2b），指向矢分布符合預(yù)期（圖2c）。利用圖2d所示的光路對(duì)檢測(cè)器的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）進(jìn)行了測(cè)試，得到的結(jié)果（圖2e）與理論分析的結(jié)果一致，形成一個(gè)甜甜圈狀的環(huán)。能量分布圖（圖2f）展示各個(gè)方向的能量分布均勻，驗(yàn)證了所制備的檢測(cè)器具有優(yōu)良的空間相位調(diào)制性能，利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖3（a）PSF自愈性測(cè)試光路。（b）PSF自愈合結(jié)果。（c）PSF自愈合過(guò)程強(qiáng)度分布。

圖3a所示光路用于驗(yàn)證檢測(cè)器的PSF自愈性。在檢測(cè)器正后方3 cm處水平放置一個(gè)棒狀遮擋物，為了簡(jiǎn)化，光路中的其它元件未逐一畫(huà)出。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3b）均顯示，隨著光束傳播，實(shí)驗(yàn)圖像均由兩個(gè)分離的中心對(duì)稱的圖案逐漸自愈合為一個(gè)完整的環(huán)形圖案。圖3c進(jìn)一步表征了自愈合過(guò)程中自愈合強(qiáng)度的變化。被遮擋后，隨著光束的傳播，外圍的能量逐漸向中心聚攏，被遮擋區(qū)域的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，并在焦點(diǎn)處達(dá)到峰值。以上結(jié)果驗(yàn)證了該檢測(cè)器的自愈合特性。

圖4（a）自愈合邊緣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)光路。（b）字母與遮擋物的尺寸比較。（c）、（d）字母圖像及其自愈合邊緣檢測(cè)圖像。（e）、（f）自愈合邊緣檢測(cè)圖像強(qiáng)度分布。

圖4a所示光路用于驗(yàn)證邊緣檢測(cè)器對(duì)振幅型物體的自愈合邊緣檢測(cè)能力。圖4b展示了遮擋物和輸入字母之間的相對(duì)尺寸比例。這里選擇字母H和O作為振幅型物體，并且依次放置不同寬度的棒狀遮擋物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4c和圖4d所示。與相襯成像型的邊緣檢測(cè)一樣，在沒(méi)有遮擋物時(shí)，字母H和O的邊緣信息都可以被清晰地提取出來(lái)；當(dāng)有遮擋物時(shí)，物體的邊緣信息仍然能夠被有效提取出來(lái)。由于受到遮擋，物體邊緣的強(qiáng)度稍許減弱，且遮擋物的寬度越寬，被遮擋區(qū)域的邊緣強(qiáng)度越弱。這一點(diǎn)也被圖4e和圖4f中的邊緣強(qiáng)度分布進(jìn)一步驗(yàn)證。

此外，邊緣檢測(cè)器對(duì)相位型物體的自愈合邊緣檢測(cè)能力也被驗(yàn)證。

團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一種具有自愈合能力的光學(xué)邊緣檢測(cè)器。該檢測(cè)器對(duì)振幅型物體和相位型物體均可實(shí)現(xiàn)自愈合邊緣檢測(cè)，該設(shè)計(jì)提升了系統(tǒng)對(duì)障礙物遮擋的魯棒性，在光學(xué)邊緣檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用中能夠發(fā)揮潛力，推動(dòng)即時(shí)成像處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院2024屆碩士王華才為論文第一作者，南京大學(xué)胡偉教授和南方科技大學(xué)陳全明博士為共同通訊作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院2023級(jí)博士生郭政昊對(duì)本工作亦有重要貢獻(xiàn)。該研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助完成。作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）的元件與設(shè)備支持。