近日，南京大學(xué)胡偉教授研究組基于光配向藍(lán)相液晶提出并展示了一種單波長(zhǎng)廣角光學(xué)邊緣檢測(cè)方法，相關(guān)工作以“Monochromatic wide-angle optical edge detection enabled by a three-dimensional soft photonic crystal”為題發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》(Adv. Funct. Mater. 2025, 2500920)。作者利用藍(lán)相液晶q-plate角色散自補(bǔ)償和全方向Bragg-Berry相位加載的獨(dú)特性質(zhì)，有效解決了有源光學(xué)邊緣檢測(cè)器件所面臨的視角依賴性難題。在不同斜入射角度下通過加電驅(qū)動(dòng)晶格常數(shù)拉伸引入光子帶隙紅移，適當(dāng)補(bǔ)償視角增大引起的Bragg反射波長(zhǎng)偏移（藍(lán)移），實(shí)現(xiàn)了廣角定波長(zhǎng)的光學(xué)邊緣檢測(cè)。該研究在激光雷達(dá)、機(jī)器視覺以及生物醫(yī)學(xué)成像等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，并可推廣到其它廣角定波長(zhǎng)或波長(zhǎng)自適應(yīng)應(yīng)用的平面光學(xué)元件設(shè)計(jì)。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的四分之一波片，結(jié)合偏振檢測(cè)儀器對(duì)不同的圓偏振光進(jìn)行分類。

光學(xué)邊緣檢測(cè)技術(shù)由于低時(shí)延、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)駕駛、顯微生物監(jiān)測(cè)、三維重建等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。具有自適應(yīng)多功能的緊湊型光學(xué)邊緣成像系統(tǒng)受到特別的關(guān)注。近年來，研究人員已經(jīng)開發(fā)出各種動(dòng)態(tài)平面光學(xué)系統(tǒng)滿足這些新興需求。然而，對(duì)于主動(dòng)式光學(xué)邊緣檢測(cè)，在斜入射場(chǎng)景下仍面臨兩項(xiàng)明顯的挑戰(zhàn)：首先，偏離半波條件引起光學(xué)微分處理效率下降，導(dǎo)致光學(xué)邊緣成像對(duì)比度顯著降低；其次，空間相位畸變引起顯著的像差，降低圖像識(shí)別檢測(cè)的準(zhǔn)確性。只有克服了這兩項(xiàng)挑戰(zhàn)，突破單波長(zhǎng)廣角光學(xué)邊緣檢測(cè)，才有望進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下的實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)采集與處理，完美實(shí)現(xiàn)3D場(chǎng)景重建及目標(biāo)識(shí)別。

藍(lán)相液晶（Blue phase liquid crystal, BPLC）是一類具有三維光子晶體特性的手性雙螺旋多層級(jí)組裝體系。課題組近兩年來圍繞BPLC的組裝結(jié)構(gòu)精細(xì)操控、層級(jí)結(jié)構(gòu)與光子自由度的構(gòu)效映射關(guān)系、多元外場(chǎng)調(diào)諧的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)演變規(guī)律、重要光學(xué)器件設(shè)計(jì)開發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用幾方面展開了系統(tǒng)研究，并取得了一系列重要成果。首先，課題組開發(fā)了光取向結(jié)合電刺激驅(qū)動(dòng)BPLC精準(zhǔn)受控組裝技術(shù)，結(jié)合計(jì)算仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了跨尺度藍(lán)相介晶層級(jí)結(jié)構(gòu)的手性、晶格常數(shù)、晶格方位角與光的自旋（圓偏振）、波長(zhǎng)/頻率、幾何相位等自由度的構(gòu)效映射關(guān)系，為廣色域、高空間分辨的多自由度光場(chǎng)調(diào)控提供了新范式（Laser Photonics Rev. 2024, 18, 2301283）。進(jìn)一步通過多元外場(chǎng)獨(dú)立操控不同層級(jí)結(jié)構(gòu)，分別采用圖案化光取向、雙波長(zhǎng)輻照刺激和電場(chǎng)調(diào)控等手段，對(duì)BPLC的圖案化結(jié)晶、晶格常數(shù)和傾斜角分別進(jìn)行了精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了多光子自由度的獨(dú)立動(dòng)態(tài)調(diào)制（Adv. Optical Mater. 2025, 13, 2402844）。設(shè)計(jì)非對(duì)稱的邊界錨定和溫度梯度，基于BP I實(shí)現(xiàn)了多疇和圖案化單疇BPLC的電可控非對(duì)稱晶疇生長(zhǎng)，通過單邊界的二維碼和幾何相位全息編碼展示了雙穩(wěn)態(tài)信息的可逆顯示與隱藏（Laser Photonics Rev. 2025, 19, 2401635）。 

由于BPLC獨(dú)特的三維手性光子晶體特征，以及全方向的Bragg反射帶內(nèi)的幾何相位調(diào)制，利用電刺激拉伸BPLC晶格對(duì)角色散精準(zhǔn)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)±45°范圍內(nèi)高品質(zhì)的單波長(zhǎng)光學(xué)邊緣成像。該系統(tǒng)為廣角主動(dòng)光學(xué)邊緣檢測(cè)和其它具有視角魯棒性要求的光學(xué)應(yīng)用（如LiDAR、生物醫(yī)學(xué)成像和空間激光通信等）提供了一種實(shí)用的解決方案?；瘜?duì)手性傳遞的調(diào)控機(jī)制。

BPLC晶向可以通過光控取向進(jìn)行精準(zhǔn)面內(nèi)操控，我們將其預(yù)設(shè)為β（x，y）= 0.5arctan（y/x）制備BPLC q-plate。光子帶隙內(nèi)與BPLC螺旋結(jié)構(gòu)具有相同旋性的圓偏振光被反射，并且攜帶2·β（x，y）的幾何相位，同時(shí)，帶隙之外的光或手性相反的圓偏振光僅攜帶空間均勻相移直接透射。將該樣品置于4f成像系統(tǒng)的傅里葉平面上，反射光Eout（x，y）和入射光Ein（x，y）表現(xiàn)為二維一階微分關(guān)系。因此，基于BPLC q-plate同時(shí)建立兩種功能：反射窄帶光學(xué)邊緣成像和透射廣譜明場(chǎng)成像。作為圖案化三維光子晶體，可對(duì)全方向的Bragg反射光進(jìn)行特定的幾何相位編碼。值得注意的是，光子帶隙（PBG）的中心波長(zhǎng)λc滿足Bragg方程：

其中h、k和l表示晶面密勒指數(shù)，平均折射率n =（2no + ne）/3，no和ne分別是尋常折射率和非尋常折射率，d是晶面間距，a是晶格常數(shù)。θ是入射光波矢和晶向[h k l]夾角。顯然，BPLC q-plate顯示出工作波長(zhǎng)的角度依賴性。如圖1a左圖所示，隨著入射角度增加，Bragg反射帶中心波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。研究團(tuán)隊(duì)為了實(shí)現(xiàn)廣角單色光學(xué)邊緣檢測(cè)，利用電致伸縮效應(yīng)調(diào)節(jié)晶格常數(shù)以補(bǔ)償角色散。在直流電場(chǎng)作用下，吸附陽(yáng)離子的聚合物網(wǎng)絡(luò)會(huì)向負(fù)電極方向伸展。由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的錨定效應(yīng)，BPLC的晶格常數(shù)也隨之增大。如圖1b所示，隨著入射角的增加，PBG發(fā)生藍(lán)移，而電致伸縮引起的晶格拉伸則使光子帶隙紅移到原來的λc（正入射對(duì)應(yīng)的中心反射波長(zhǎng)），從而實(shí)現(xiàn)廣角單色的光學(xué)邊緣成像（圖1a右圖）。

圖1. a) 基于BPLC q-plate的角色散光學(xué)邊緣成像（左）和晶格拉伸色散補(bǔ)償?shù)膹V角單色光學(xué)邊緣成像（右），b) BPLC角色散和電致伸縮引起的色散補(bǔ)償示意圖

在0 V/μm至11.36 V/μm范圍內(nèi)改變垂直施加到液晶盒上的直流電場(chǎng)E。如圖2a所示，隨著E的增加，λc從500 nm紅移到620 nm。當(dāng)E撤去，λc恢復(fù)至初始值。圖2b顯示在0 V/μm和11.26 V/μm的直流電場(chǎng)下PBG的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，我們將響應(yīng)時(shí)間定義為10%到90% PBG偏移及相反過程的時(shí)間間隔，實(shí)驗(yàn)測(cè)得分別為8.5秒和5.5秒。即使在循環(huán)調(diào)諧30次后，λc仍表現(xiàn)出出色的可重復(fù)性（圖2c），表明系統(tǒng)具有優(yōu)秀的抗疲勞性。圖2d展示了偏振光顯微鏡（POM）觀測(cè)到的電驅(qū)動(dòng)BPLC q-plate的反射色演變。均勻的反射色表明晶格拉伸過程中超結(jié)構(gòu)保持良好。反射光因加載螺旋相位，產(chǎn)生了相應(yīng)反射色的“甜甜圈”形貌的渦旋光（圖2e）。

圖2. 由樣品M1制成的BPLC q-plate的電調(diào)諧光子帶隙：a）對(duì)于LCP入射，BPLC的電致伸縮引起的可逆波長(zhǎng)移動(dòng)，b）PBG移動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間，c）PBG移動(dòng)的抗疲勞性，d）λc = 500 nm、532 nm、560 nm、580 nm、595 nm和620 nm的BPLC q-plate的POM顯微照片，e）LCP正入射生成的渦旋光

BPLC三維光子晶體的光學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)角度相關(guān)性。圖3a分別展示了不同入射角θ = 0°、15°、30°、45°下，反射率與起偏器/四分之一波片快軸間夾角α之間的關(guān)系。由于所用BPLC為左旋結(jié)構(gòu)，只有左旋圓偏振光（α = 45°和225°）被選擇性地反射，而右旋圓偏振光（α = 135°和315°）的反射率被抑制，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論模擬吻合良好。圖3b展示出BPLC q-plate圓偏振相關(guān)的相位加載。當(dāng)θ = 45°，對(duì)于LCP，光被全部反射并轉(zhuǎn)化為拓?fù)浜蔀?1的渦旋光；而對(duì)于RCP，光發(fā)生完全透射并保持為高斯光束；對(duì)線偏振入射，正交圓偏振分量均分，LCP被反射并加載螺旋相位，而RCP直接作為高斯光束透射。 進(jìn)一步研究了λc對(duì)θ的依賴性。圖3c中的藍(lán)色曲線顯示了根據(jù)Bragg方程計(jì)算的λc對(duì)θ的依賴性，點(diǎn)描述了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它們之間的偏差是由于空氣/玻璃界面折射所引起的。圖3d顯示θ和E對(duì)λc的影響相反，因此可以采用施加電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)角色散的精準(zhǔn)補(bǔ)償。以532 nm光為例，在θ = 0°、15°、30°和45°時(shí)，當(dāng)直流電場(chǎng)E分別為5.0 V/μ m、5.4 V/μm、6.6 V/μm和8.8 V/μm時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)角色散的精準(zhǔn)補(bǔ)償，保持λc = 532 nm。

圖3. BPLC q-plate的角度依賴性：a) 在0°、45 °、30°、35 °和45°入射角下的圓偏振選擇性。b) 當(dāng)θ = 45°時(shí)，不同入射偏振（LCP、RCP和LP）和θ = 45°的透射光和反射光。c) 不同θ下λ_c的模擬值和實(shí)測(cè)值。d）λ_c與θ和E的關(guān)系圖。

圓偏振選擇的幾何相位編碼使得BPLC q-plate能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙功能成像。如圖4a所示，入射角度可調(diào)的透反射式4f系統(tǒng)被用來同時(shí)對(duì)明場(chǎng)/邊緣成像進(jìn)行表征。在反射路徑中實(shí)現(xiàn)二維光學(xué)邊緣成像（圖4b），垂直和水平邊緣均被清晰地提取，而在透射路徑中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)目標(biāo)的明場(chǎng)圖像（圖4c）。

圖4.  a) 同時(shí)進(jìn)行反射光學(xué)邊緣成像和透射明場(chǎng)成像的光學(xué)裝置。P為偏振器，QWP為四分之一波片，L為透鏡，CP為相應(yīng)的圓偏振片。b) “郁金香”和“貓”的光學(xué)邊緣成像。c)相應(yīng)的明場(chǎng)成像

進(jìn)一步研究了兩種不同手性劑含量的BPLC q-plate（M1和M2）在傾斜入射條件（θ = 0°、15°、30°和45°）下的光學(xué)邊緣檢測(cè)效果。由于圖案化BPLC的三維手性光子晶體特征，設(shè)定的螺旋相位被全方向地編碼到反射光，因此在大入射角度下也能夠準(zhǔn)確提取目標(biāo)邊緣信息，避免了傳統(tǒng)元件因離軸帶來的像差和效率下降。λ_c隨θ的增大藍(lán)移，M1的顏色由青色向藍(lán)色變化，M2的顏色由紅色向綠色變化，二者聯(lián)合起來覆蓋了整個(gè)可見光范圍。在主動(dòng)光學(xué)邊緣成像中，通常采用固定波長(zhǎng)進(jìn)行掃描。圖3d所示采用直流電場(chǎng)對(duì)不同θ產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的晶格拉伸，精準(zhǔn)補(bǔ)償角色散，成功地消除了M1和M2隨θ的顏色變化。如圖5右側(cè)極坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)圖像所示，在± 45°廣角光學(xué)邊緣成像過程中，M1和M2的成像顏色（綠色和紅色）和中心波長(zhǎng)（532 nm和633 nm）均保持固定，效率也沒有顯著的波動(dòng)。

圖5. 光學(xué)邊緣成像波長(zhǎng)與入射角的依賴性。左側(cè)極坐標(biāo)上下部分分別展示了M1和M2在θ = 0°、15°、30°和45°時(shí)光學(xué)邊緣成像的角度相關(guān)色彩偏移；右側(cè)極坐標(biāo)展示了相應(yīng)的電補(bǔ)償角色散后的廣角單色光學(xué)邊緣成像。

南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院2023級(jí)直博生謝志耀與陳全明博士（現(xiàn)南方科技大學(xué)電子系博士后）為本文共同第一作者，胡偉教授為論文通訊作者，南京大學(xué)博士研究生歐陽(yáng)程、王琦光同學(xué)對(duì)本文亦有重要貢獻(xiàn)。本工作受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目(C類)、國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃資助完成，并獲固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省物理科學(xué)研究中心、教育部集成攻關(guān)大平臺(tái)支持。作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）的光學(xué)元件支持和南京寧萃光學(xué)科技有限公司（NCLCP）的材料支持。