圖 | 寇君龍（來源：https://ese.nju.edu.cn/kjl/list.htm）
這項研究首次將 C 點的手性選擇性應用於光學影像處理，拓展了光子晶體在新興光計算及成像領域的應用，為非侵入式生物成像（如細胞膜動力學觀測）、半導體缺陷檢測及自動駕駛中的即時場景解析等領域帶來了新的機遇。
具體來說，他們提出一種基於面內 C2 對稱性破缺的光子晶體板結構設計，並結合時域耦合模理論和引數工程，成功實現了具有手性選擇性的光子晶體結構。透過調整厚度和佔空比引數，該團隊利用模擬手段實現了圓二色性（CD，Circular Dichroism）高達 0.97 的手性結構，並利用其手性選擇性來實現光學影像處理的應用。
研究團隊首先確定了該光子晶體板成像器的兩套光傳遞函式，隨後透過成像模擬與實驗兩種方法演示了該成像器對於不同目標圖案在邊緣檢測和亮場成像兩種可切換功能上的良好表現。此外，這種基於 C 點的邊緣增強方法還實現了波長量級的高解析度（1.6λ）。這一驗證結果為該成像器的實際應用奠定了基礎。
該研究聚焦於圓偏振光與光子晶體的圓偏振點相互作用時產生的自旋依賴散射和偏振態調製，透過精確控制相位、偏振和透反射幅度，展現了增強邊緣檢測的巨大潛力。
課題組所設計的光子晶體成像器能夠即時切換邊緣檢測與傳統亮場成像這兩種不同的功能，並提供波長量級的高解析度。這樣的設計在許多複雜物體的識別場景中，有望實現即時、完整的樣品資訊的呈現。
在智慧汽車、智慧工廠以及生物醫學成像等領域都有著應用前景，比如可以用於自動駕駛的目標識別與即時場景解析，這讓現有車載攝像頭在雨霧天氣或強光干擾下的邊緣識別失準問題有望得到根本性解決。該團隊的光子晶體成像器可利用偏振特徵，在毫米波雷達失效的場景下（如隧道金屬反光、雪地強漫射），透過自旋霍爾效應分離目標物體的幾何邊界與光學偽影。與此同時，本次成果還可用於半導體缺陷檢測、非侵入式生物成像比如細胞膜動力學觀測等。
在現代生活和科研中，邊緣提取與增強技術在自動駕駛汽車的目標識別、虛擬現實、智慧城市以及生物醫學成像等領域都發揮著重要的作用。
相比基於電子元件的數字處理方法，光學模擬計算能夠以更快速和高效的方式獲得最終結果。隨著光技術和光晶片的迅猛發展，基於不同光學原理與現象的邊緣檢測方法成為了熱門的研究課題。
傳統的光學影像處理方法通常需要多個透鏡的配合，這導致整個成像系統體積龐大且難以整合。採用新型微納光子結構（如超表面和光子晶體）進行光學影像處理，可以顯著地縮小光學系統的尺寸。
最近，各種奈米光子技術在邊緣檢測和成像方面取得了很大進展，包括利用表面等離子體共振、螺旋相位掩模和光的自旋霍爾效應等。這些方法透過精確控制相位和偏振，展現了增強邊緣檢測的巨大潛力，且在某些效能指標上取得了突破。
然而，大多數現有研究仍侷限於單向邊緣檢測或單一功能，且通常需要新增額外的光學元件，這限制了影像處理器的緊湊性和多功能性。此外，在許多複雜物體的識別場景中，即時、完整的樣品資訊的同步呈現也至關重要。因此，同時實現物體邊緣檢測和明場成像顯得尤為重要。為了解決上述問題，課題組開展了本次研究。
研究前期，在組內前沿內容的學習與討論過程中，該團隊捕捉到基於傳統邊緣檢測技術在低對比度、複雜背景場景中的侷限性，基於已有的知識儲備提出利用光子晶體的圓偏振點的手性選擇性來實現邊緣特徵提取的創新思路。
然後，課題組透過構建基於有限元分析的光子晶體本徵分析、透反射模型，結合時域耦合模理論與等效介質理論，得到了圓偏振光與光子晶體 C 點的相互作用機制，並量化其手性選擇性的程度，實現了圓二色性接近一的完美手性結構。
隨後，該團隊基於 MATLAB 實現了該光子晶體成像器與傳統 4f 系統耦合的成像過程的模擬，驗證了其邊緣檢測和亮場成像的高解析度與可切換性，在模擬過程中多次應用菲涅耳衍射與傅立葉分析。
實驗中，課題組開發了基於該光子晶體成像器的自旋分辨成像平臺，隨後進行了影像採集與資料處理，並進一步探索了該技術的多場景適用性，旨在推動其在自動駕駛和工業檢測中的應用。
值得注意的是，在研究早期課題組花費大量時間在理論建模和模擬最佳化方面。尤其是在探索光子晶體圓偏振態的手性選擇性時，研究團隊遇到了一個關鍵的瓶頸：如何透過對稱性破缺設計來實現高圓二色性。經過數月的反覆嘗試和調整，終於在某個深夜研究團隊成功實現了圓二色性值接近 1 的手性結構，大家激動得幾乎忘記了疲憊。
實驗系統的搭建則是整個研究中最具挑戰性的部分之一。課題組需要將光子晶體成像器與複雜的光學系統整合，確保光路的精確對準和穩定性，邊緣檢測也需要在一個極其苛刻的小角度入射條件下實現。
某一次研究團隊在除錯光路時發現，無論如何調整成像效果都不理想。經過反覆排查，最終發現是一個透鏡的位置偏差導致整個光路偏移，之後他們決定引入導軌固定各個光學元件，並使用精密調整架控制光子晶體板與入射光的夾角。“這個小小的偏差幾乎讓我們前功盡棄，但也讓我們深刻認識到實驗中的每一個細節都至關重要。”寇君龍表示。
日前，相關論文以《透過光學圓偏振狀態實現自旋依賴的邊緣檢測和成像》（Spin-dependent edge detection and imaging enabled by optical circularly polarised states）為題發在 Light: Advanced Manufacturing[1]，Jiale Chen 是第一作者，南京大學陸延青教授和寇君龍教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Light: Advanced Manufacturing）
後續，他們計劃進一步應用光子晶體的兩個圓偏振態間的 PB（Pancharatnam-Berry Phase）相位梯度，以實現可控的光束位移。透過控制入射光的偏振態和偏振角，實現對光束位移的大小和方向的控制，目前正在實驗驗證中。
另據悉，該團隊目前主要從事光電器件的研究工作，聚焦於微納光子學的新物理現象及其與新型電路系統的前沿交叉研究。
課題組近半年已經發表成果的研究方向包括：
基於手性奇異點的非厄米電路設計與感測技術，透過單向電容耦合構建電學電路中的奇異點系統，實現微擾響應靈敏度提升，為高精度感測器開發提供新正規化 [2]。
其實現了微納結構調控的光電器件，實現了逆向設計驅動的多功能光子晶片，透過拓撲最佳化等方法開發可重構光學算術單元與多工元表面器件、利用幾何相位和圓偏振的轉換效率，來調製復光瞳函式實現二維邊緣檢測和高斯濾波的超表面，有望在生物醫學和工業檢測領域實現高解析度即時成像，相關論文發表在 ACS Photonics 和 Chip 等期刊。
與此同時，課題組也在開展有源光電器件的研究與雷射系統的元件與整合。
參考資料：
1.Chen, J., Chen, Z. X., Zhou, Z. X., Lu, Y. Q., & Kou, J. L. (2025). Spin-dependent edge detection and imaging enabled by optical circularly polarised states. Light: Advanced Manufacturing, 6(1), 62-70.
2.Zhao, W., Zhang, Y., Gao, Z. et al. Exceptional points induced by unidirectional coupling in electronic circuits. Nat Commun 15, 9907 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53929-4
3. X. Jiang, P. Lin, Y. Zhang, T. Tao, Y. Du, X. Tu, T. Xu, Y. Lu, and J.-l. Kou (2025) Complex-Amplitude-Modulated Meta-Device for Optical Image Processing, Chip 4, 100132
4. Z.-x Zhou, X.-y Zhang, H. Qin, Z.-x Gao, Y.-a Zhang, C. Huang, F. Fang, Y.-q Lu, and J.-l. Kou (2025) Inverse Design of Multiplexable Meta-devices for Imaging and Processing. ACS Photonics 12, 1, 246-252
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