南京大学寇君龙副教授课题组在光学图像处理器取得进展，首次利用智能逆向设计方法开发了一种基于硅基材料的多功能超薄光学处理器。该设备能够实现光学图像的亮场成像和边缘检测，展示了在波长和偏振复用上的巨大潜力。这项研究以“Inverse Design of Multiplexable Meta-Devices for Imaging and Processing”为题，近期发表在《ACS Photonics》期刊上，为光学信息处理的前沿应用提供了重要参考。

研究背景

随着信息处理需求的不断增长，传统光学系统逐渐暴露出体积庞大、能效低下等问题。相比之下，利用光作为信息载体的光学信号处理技术，凭借其超高速处理能力和高并行性，成为突破瓶颈的关键方向。然而，传统4f系统因复杂光路和体积限制，难以满足现代光学集成和微型化需求。

亚波长尺度的光学器件的出现为解决这一问题提供了新思路。尤其是在图像处理领域，利用元器件实现光学微分计算等功能，不仅能减少数据冗余实现图片信息压缩，还具备实时信息处理、低能耗、并行性等重要优势。然而，现有设计方法在多功能成像处理器的开发上仍存在诸多限制。

研究亮点

研究团队选择逆向设计方法中的遗传算法，大大拓展了光学微纳结构设计的自由度。通过优化光学传递函数（OTF），团队实现了傅里叶变换及其滤波功能的集成化。成功优化得到了波长和偏振复用的超薄光学器件。该器件在波长为784 nm时表现为高通滤波器，可进行边缘检测；而在1064 nm时则可实现高效亮场成像，如图1所示。不同偏振状态下，设备亦展现出类似的多功能性。

图1：文章的概念示意图

不同于传统的4f光学系统，这一设计不依赖镜头或透镜，而是通过亚波长结构完成了所有图像处理步骤。设备由硅基材料制成，与现有的CMOS工艺高度兼容。通过电子束光刻和离子反应刻蚀等工艺，团队成功制作了尺寸为400×400微米的样品器件，如图2b所示。研究人员通过一个类似显微镜的放大系统（图2a）展示了设备在“NJU”标志、建筑物和交通标志等不同图像样本上的边缘检测性能，验证了其实用性，如图2c-k。实验表明，该设备能够在不同波长和偏振条件下有效执行多种图像处理功能，与理论模拟结果高度一致。

总结与展望

该研究提出了一种智能逆向设计和优化光学元器件的新思路，展示了光场作为多维信息载体的潜力。通过逆向设计，这些超薄设备不仅在波长和偏振复用上实现了灵活的功能切换，还为开发高效、低功耗的光学处理器件提供了全新路径。研究团队计划进一步优化该技术，与现有的传感器、探测器结合，探索更高阶的多功能光学元器件的集成。

本论文的第一作者为南京大学的博士研究生周子昕和本科生张馨怡。