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。
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