近日，南京大学胡伟教授课题组与南方科技大学陈全明博士合作，通过在螺旋相衬成像中引入自愈性，提出了一种可进行自愈合光学边缘检测的器件，消除了遮挡物对光学边缘检测的干扰，提升了光学边缘检测器的鲁棒性。相关成果近日以“Self-healing spiral phase contrast imaging”为题发表于Sci. Rep. 14, 20396 (2024)。
即时成像处理在自动驾驶、生物成像、无人机蜂群协同攻击以及自动光学检测等方面有广泛的需求。光学边缘检测在光与物质相互作用的过程中直接提取出物体的几何外形信息，具有超高速和低功耗的特性，因而成为即时图像处理的重要手段。在实际工况使用中，不可避免地会有遮挡物干扰光学元件，从而破坏光场信息。开发具有自愈合功能的光学边缘检测，对消除遮挡物影响提升监测系统鲁棒性具有重要的意义。
针对这一挑战, 团队提出在螺旋相衬成像中引入自愈性来消除遮挡物的影响。如图1a所示，携带物体信息的光束先通过边缘检测器，再经过障碍物，由于检测器的特殊设计，它能在实现边缘检测的同时实现光束的自愈合，经过一段传播距离后，在检测器像面上便能够获取到物体的自愈合后的边缘信息。边缘检测器相位由螺旋相位、轴锥相位和透镜相位叠合而成（图1b）。螺旋相位与轴锥相位的组合用于产生贝塞尔涡旋光束，从而赋予光束自愈合能力；而螺旋相位与透镜相位的组合则用于实现边缘检测功能。当自愈性和边缘检测这两个要素被同时满足时，便可实现自愈合光学边缘检测。
图2（a）边缘检测器样品外观图。（b）样品中心区域显微图。（c）b图中心区域指向矢分布。（d）PSF测试光路。（e）PSF图像。（f）PSF强度分布。
检测器由向列相液晶制备而成，其外观如图2a所示，在显微镜下观察到样品的取向效果良好（图2b），指向矢分布符合预期（图2c）。利用图2d所示的光路对检测器的点扩散函数（PSF）进行了测试，得到的结果（图2e）与理论分析的结果一致，形成一个甜甜圈状的环。能量分布图（图2f）展示各个方向的能量分布均匀，验证了所制备的检测器具有优良的空间相位调制性能，利于后续实验。
图3（a）PSF自愈性测试光路。（b）PSF自愈合结果。（c）PSF自愈合过程强度分布。
图3a所示光路用于验证检测器的PSF自愈性。在检测器正后方3 cm处水平放置一个棒状遮挡物，为了简化，光路中的其它元件未逐一画出。模拟结果与实验结果（图3b）均显示，随着光束传播，实验图像均由两个分离的中心对称的图案逐渐自愈合为一个完整的环形图案。图3c进一步表征了自愈合过程中自愈合强度的变化。被遮挡后，随着光束的传播，外围的能量逐渐向中心聚拢，被遮挡区域的强度逐渐增强，并在焦点处达到峰值。以上结果验证了该检测器的自愈合特性。
图4（a）自愈合边缘检测实验光路。（b）字母与遮挡物的尺寸比较。（c）、（d）字母图像及其自愈合边缘检测图像。（e）、（f）自愈合边缘检测图像强度分布。
图4a所示光路用于验证边缘检测器对振幅型物体的自愈合边缘检测能力。图4b展示了遮挡物和输入字母之间的相对尺寸比例。这里选择字母H和O作为振幅型物体，并且依次放置不同宽度的棒状遮挡物。实验结果如图4c和图4d所示。与相衬成像型的边缘检测一样，在没有遮挡物时，字母H和O的边缘信息都可以被清晰地提取出来；当有遮挡物时，物体的边缘信息仍然能够被有效提取出来。由于受到遮挡，物体边缘的强度稍许减弱，且遮挡物的宽度越宽，被遮挡区域的边缘强度越弱。这一点也被图4e和图4f中的边缘强度分布进一步验证。
此外，边缘检测器对相位型物体的自愈合边缘检测能力也被验证。
团队提出并验证了一种具有自愈合能力的光学边缘检测器。该检测器对振幅型物体和相位型物体均可实现自愈合边缘检测，该设计提升了系统对障碍物遮挡的鲁棒性，在光学边缘检测实际应用中能够发挥潜力，推动即时成像处理技术的进一步发展。
南京大学现代工学院2024届硕士王华才为论文第一作者，南京大学胡伟教授和南方科技大学陈全明博士为共同通讯作者，南京大学现代工学院2023级博士生郭政昊对本工作亦有重要贡献。该研究受国家重点研发计划，国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费资助完成。作者特别感谢南京晶萃光学科技有限公司（JCOPTIX）的元件与设备支持。
