据外媒报道，范德比尔特（Vanderbilt）工程师的一个研究团队，位于橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的科学家们，展示了一种基于超材料的新型超薄滤光片，该滤光片可以进行模拟光学图像处理。今天，他们的论文《用于图像微分的平面光学》发表在科学杂志《自然光子学》上。
比人的头发还细的超材料可以区分物体（范德比尔特徽标），从而可以对边缘进行选择性成像。图片来源：范德比尔特大学
尽管数字图像处理已成为各种科学和工程学科中的主要技术，但它需要先进的计算机、容纳计算机的空间和强大的功能。
范德比尔特纳米科学与工程研究所副所长、机械工程副教授詹森·瓦伦丁说：“大多数图像处理都是数字处理，但光模拟处理具有低功耗、高速度的优点。虽然光学图像处理在过去已经进行过，但它通常需要多个光学透镜，从而产生较大的系统尺寸。”第一种超材料滤光片可以直接区分入射光，从而使人们可以直接成像物体的边缘或边界。
瓦伦丁说：“边缘滤波是目标识别中一个常见的预处理步骤，例如，检测自动驾驶汽车车道的边缘。它还可以用于在医学成像中检测肿瘤的边缘，或在这种情况下对细胞大小和类型进行分类检测癌症的细胞分选方法。”
这种超材料滤波器是基于一种由硅制成的二维光子晶体，它可以对物体的各个方向的边缘进行直接成像。“纳米光子微分器”可以集成到光学显微镜或图像传感器上，很容易适应现有的图像处理系统。
跨学科材料科学项目的博士生、四位作者之一的周佑说，“我们方法的主要优点之一是能够将超材料与传统光学系统集成。例如，我们通过将超材料滤光片放置在商用光学显微镜中来构建了一个边缘检测显微镜，测试包括洋葱表皮细胞、南瓜茎细胞和猪运动神经细胞的成像。”
这种比人的头发还薄的滤光片与基于超材料的透镜集成在一起，形成了一个可以进行边缘成像的完全平坦的超薄光学系统。这进一步减小了用于此目的的传统光学系统的尺寸。
瓦伦丁说：“关键的功能是能够在不需要输入功率的情况下以光速进行图像处理，并且以极薄的形状进行处理。这为机器视觉和生物成像等应用领域的实时和高速光学模拟图像处理打开了新的大门。”
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