导读

在传统光学系统中，成像和计算往往是两个分立的步骤：先由镜头捕获图像，再交由电子芯片进行数字处理。这种分立的流程不仅耗时耗能，也限制了处理速度、通量与实时性。能否将成像和计算两个功能合二为一，在对目标物体成像的过程中实时同步完成计算处理呢？

近日，华中科技大学张新亮教授、张诚教授团队，联合剑桥大学Amit Agrawal 教授团队，成功研制出一种可同时实现高分辨率成像与多阶光学微分的超构表面器件，它像一枚“会微分的超级镜头”，让光在成像的过程中同步完成微分运算，无需任何后续数字处理。

该成果以 “Spin-multiplexed point spread function engineering via dielectric metasurface for simultaneous optical differentiation and high-resolution imaging” 为题发表在 《Light:science & application》上。

研究内容

一、设计理念：一片透镜，两种功能

为了实现成像与微分运算的一体化融合，研究团队创新性地引入了点扩散函数工程与自旋复用技术。点扩散函数描述了光学系统对点光源的响应，而成像的过程就是目标物体与点扩散函数的卷积过程。通过对超构表面的纳米结构进行精心设计，可使其点扩散函数具备特定的复振幅分布，从而构建光域中的“卷积核”，实现不同阶次的微分运算功能。同时，利用超构表面对左右旋圆偏振入射光的不同响应，同一器件可在两种偏振状态下执行不同的微分运算，就像一个系统拥有两套并存的“计算内核”。通过这种设计，只需改变入射光的偏振状态，即可在0阶、1阶或2阶、3阶微分运算成像的多种模式间自由切换，所有运算结果直接输出为图像，无需额外透镜或计算单元。

二、实验表现：不仅看得清，而且算得快

为验证器件的实际性能，团队制备了多个超构表面器件，并在不同场景下进行了测试：

分辨率验证：使用1951美国空军标准分辨率板进行成像，器件在671 nm工作波长下分辨率可达228.0线对/毫米，证明其具备高清晰度成像和图像处理能力。

生物样本成像：对振幅型物体（金属刻蚀图案）和相位型物体（透明硅藻细胞）进行观测，0阶微分成像模式可看清物体整体形貌，而高阶微分成像模式则清晰勾勒出边缘信息与结构轮廓，展现出优异的细节增强能力。

与传统电学处理方法对比：以洋葱表皮细胞为观测对象，分别采用商用光学显微镜与所制备的超构表面芯片进行成像。在传统“先拍照后计算”的图像处理架构中，相机采集的图像仅包含强度信息，经微分运算后难以还原细胞核区域的边缘细节，导致有效信息的部分丢失。相比之下，超构表面芯片由于在光场层面直接执行微分运算，同时保留了振幅与相位信息，其成像结果揭示了更为丰富的结构细节，尤其是细胞核区域的边缘轮廓更加清晰，充分体现了全光计算架构在信息保真度与处理效率方面的优势。

强光环境适应性与动态实时观测：在光照过强、传统相机容易过曝的场景下，该器件依然能通过微分运算提取出有效的结构信息，展现出高动态范围处理潜力。对游动的眼虫细胞实时连续拍摄中，不同微分模式可分别突出运动轨迹、边缘轮廓与内部细节，实现了实时、多维度的生命活动观测。

总结与展望

这项工作将高分辨成像与多阶微分计算集成于同一超薄平面器件中，实现了“所见即所得、所得即处理”的光学智能处理范式。这一“会微分的超构透镜”，为光计算向集成化、实时化、低功耗化发展提供了新的技术路径。

论文信息

Liu, N., Lin, Z., Xing, Z. et al. Spin-multiplexed point spread function engineering via dielectric metasurface for simultaneous optical differentiation and high-resolution imaging. Light Sci Appl 15, 318 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41377-026-02229-1

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