南京大学团队研发基于铁电液晶的多方向光学边缘检测技术，突破实时图像处理瓶颈

    边缘检测技术作为图像处理领域的核心基础操作，广泛应用于医学影像分析、自动驾驶环境感知、人脸识别特征提取等关键领域，对上述领域的精度与效率提升具有重要支撑作用。然而，传统数字计算方法在处理大规模图像数据时，面临运算速度迟缓、能耗居高不下、并行处理能力有限等固有缺陷；在大数据与人工智能应用爆发式增长的背景下，此类局限已成为制约相关领域发展的关键瓶颈。
    光学模拟计算凭借“光速”运算速度、天然并行处理能力及低能耗特性，被学界与产业界普遍视为突破该瓶颈的核心技术路径。但现有光学边缘检测器件多存在功能固定、缺乏动态可调性的问题，严重限制了其在复杂场景中的实际应用范围。针对这一技术痛点，南京大学陆延青教授、陈鹏副教授团队开展专项研究，提出基于铁电液晶的多方向光学边缘检测新方案，有效解决了光学边缘检测方向动态可调的关键难题。

    技术突破基础：铁电液晶的独特光电特性
    实现光学边缘检测方向的动态调控，核心在于筛选具备灵敏外场响应能力且性能稳定的功能材料。团队聚焦液晶材料——该类材料因对电、磁、光、热等外场具有优异响应特性，近年来在虚拟现实/增强现实显示、微粒操控、轨道角动量调控等非显示领域展现出巨大应用潜力，为主动可调光学技术的发展提供了重要支撑。
    经过系统性研究，团队最终选定手性近晶C相铁电液晶（FLC）作为核心功能材料。该类型液晶具备显著的超快电光响应特性：无外场作用时，液晶分子以固定倾斜角围绕层法线旋转，自组装形成独特的手性层状螺旋结构；当施加外部电场后，螺旋结构迅速解旋，分子指向矢发生面内旋转，其整体等效光轴同步变化。这一“电场调控光轴”的特性，为实现光学边缘检测方向的动态可调提供了理想的材料基础。

    核心技术架构：级联液晶器件的协同设计
    团队基于经典4f光学系统，构建“铁电液晶可调波片+向列相液晶q波片”的级联架构，通过正交偏振调制方案实现功能集成，最终形成快速可调的多方向光学边缘检测系统。该架构的核心设计与工作机制如下：
    1.铁电液晶可调波片：偏振态精准调控单元
    团队通过光取向技术实现铁电液晶等效光轴沿预设方向的有序排列，成功制备铁电液晶可调波片。该波片呈现明确的二值响应特性：
    未施加电场时，波片等效光轴沿预设取向方向；
    施加正电压（+5V）时，等效光轴旋转+θ；
    施加负电压（5V）时，等效光轴旋转θ。
    这种电控光轴快速切换特性，可实现对入射线偏振光偏振态的精准调控，为检测方向的动态切换提供了核心技术支撑，其响应速度达到微秒级，满足实时处理需求。
    2.向列相液晶q波片：频域相位调制单元
    在4f系统的频域面，团队引入光轴沿角向渐变分布的向列相液晶q波片（q=0.5）作为空间相位调制元件。该元件可在特定方向引入π相位差，当经过铁电液晶可调波片调控的偏振光入射至q波片时，q波片通过相位调制使图像均匀区域产生相消干涉，进而选择性增强特定方向的边缘特征，为边缘检测提供关键的频域处理能力。
    3.双元件协同：实现检测方向动态切换
    铁电液晶可调波片与向列相液晶q波片的协同工作，是实现检测方向动态调控的核心逻辑：
    施加正电压（+5V）时，铁电液晶波片等效光轴沿水平方向，向列相液晶q波片在频域y方向引入π相位差，系统功能等效于沿y方向执行微分运算，从而选择性提取图像的水平边缘；
    施加负电压（5V）时，铁电液晶波片等效光轴旋转至2θ方向，向列相液晶q波片的相位调制方向切换至x方向，系统进而突出显示图像的竖直边缘。
    该切换过程仅通过翻转外加电场极性即可完成，无需复杂机械结构调整，响应时间低至35μs，较现有光学边缘检测技术快两至三个数量级，且在±5V低电压下可稳定工作，兼顾快速响应与低能耗优势。

    成果价值与应用前景
    该研究成果以“基于铁电液晶的多方向光学边缘检测（特邀）”为题发表于《激光与光电子学进展》2025年第62卷第17期“智能光子技术”专题，并被遴选为当期封面文章（DOI:10.3788/LOP251526）。其技术突破的核心价值体现在三方面：
    1.性能突破：实现微秒级检测方向切换与低电压驱动，解决了传统光学边缘检测器件动态可调性差、能耗高的问题；
    2.架构创新：通过级联液晶器件设计，为光学模拟计算提供了可扩展的功能集成方案；
    3.应用拓展：挖掘铁电液晶在光学模拟运算中的应用潜力，为实时图像处理技术的发展开辟新路径。
    从应用前景来看，该技术未来可广泛落地于多领域：
    工业机器视觉：为生产线质检提供高速边缘识别，提升检测效率与精度；
    医学影像处理：助力CT、MRI等影像的快速边缘提取，缩短诊断耗时，支撑精准医疗；
    智能交通：为自动驾驶系统提供快速环境轮廓感知，增强车辆对道路标线、障碍物的识别响应速度，提升行车安全。

    研究团队背景
    该研究由南京大学陆延青教授、陈鹏副教授领衔，团队在光与物质相互作用及液晶光学领域积累深厚：
    陆延青教授（博导）：长期致力于非线性晶体、液晶、光纤及超构材料体系中光与物质相互作用规律的研究，在光电信息处理领域技术开发方面成果丰硕，曾获国家自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖等重要奖项，并多次入选“中国光学十大进展”，现任《ChineseOpticsLetters》执行主编；
    陈鹏副教授（博导）：聚焦液晶微纳光学研究，已发表第一作者/通信作者论文40余篇，两次入选“中国光学十大进展”，主持国家重点研发计划（青年科学家项目）、国家自然科学基金委优青/面上项目等，曾获中国光学工程学会科学技术一等奖；
    核心成员陈闻（博士研究生）：主要从事铁电液晶光场调控研究，以第一作者身份在《NationalScienceReview》《激光与光电子学进展》等权威刊物发表论文，曾获南京大学2023年度优秀研究生称号。
    综上，南京大学团队研发的基于铁电液晶的多方向光学边缘检测技术，不仅在学术层面丰富了光学模拟计算的技术体系，更在产业层面为实时图像处理领域的突破提供了关键支撑，具有重要的科学价值与应用意义。