基于超构透镜的单层图像处理器

       近日，哈尔滨工业大学仪器学院、巴黎第十大学、新加坡国立大学合作团队提出可直接对光信号进行频域调制的超构透镜，突破了现有全光运算系统在器件集成度和算法多样性方面的限制。研究成果以《基于超构透镜的单层图像处理器》（Single-layer spatial analog meta-processor for imaging processing）为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。 

       随着云时代的到来，对算力的需求每三个半月翻一番，远超摩尔定律所预测的算力供给量，现有的冯•诺依曼架构和哈佛架构的电子计算机存在运算速度、功耗以及算力瓶颈等问题。 光学计算天然具有并行计算、光速传播、抗电磁干扰、任意叠加等特性，是解决当前算力和功耗问题极具潜力的途径之一，如何利用新型光学系统实现信息高速处理已成为重要的研究方向。 

图1 示意图

 
       本研究创新性地提出基于单层超构透镜的模拟信号处理器 ，通过引入特定的相位因子，构建输入图像与超构透镜频域函数的卷积运算，在不需要傅里叶变换器件的前提下，对输入图像直接进行空间频域的调制，成功将4f傅里叶光学系统尺寸压缩至2f空间范围，并且设计了差分和互相关运算超构透镜分别实现实时边缘检测和目标识别。超构透镜在亚波长尺度范围内的波前幅相完全调控性能为实时高通量并行计算提供了可行性，其高调控自由度保证了算法多样性，相位因子的引入克服了现有傅里叶光学系统的尺寸限制。

       团队所提出的紧凑型全光运算系统可兼顾运行速度、计算通量、器件集成度以及应用范围等性能 ，显示出强大的信息处理能力，为光学计算、新型显微成像系统等领域提供新的契机。 

图2 图像边缘检测 (a)x方向单边缘检测；(b)y方向单边缘检测；(c)顶点检测；(d)四边形双边缘检测；(e)五边形双边缘检测；(f)六边形双边缘检测。

图3 序列信号识别

 
       该研究工作获得国家重点研发计划青年科学家项目的资助。哈工大为论文第一单位。哈工大王卓超博士、新加坡国立大学胡光维博士以及我校博士研究生王新伟为共同第一作者。通讯作者为哈工大丁旭旻副教授、张狂教授、李浩宇教授，巴黎第十大学沙阿·纳瓦兹·布鲁库尔（Shah Nawaz Burokur）教授和新加坡国立大学仇成伟教授。同时该工作获得哈工大吴群教授、刘俭教授、谭久彬院士的指导和大力支持。