南京大学李涛教授Science 子刊 | 希尔伯特变换(AHT)超表面

在信息过载的视觉处理场景中，特征提取是降低视觉复杂度的核心手段，而生物视觉系统为其提供了天然范式 —— 蜜蜂、啄木鸟、猫科动物均对角点类几何特征具有高度敏感性，证明角点检测在高效信息筛选中的核心价值。超表面凭借亚波长尺度的精准波前调控能力，已实现光学边缘检测这类基础特征提取，但从二维边缘轮廓进一步降维至一维角点关键点，是大数据时代信息压缩的必然趋势；角点检测作为图像曲率极值识别的核心方法，支撑图像配准、目标识别、三维重建等关键应用，然而实用化的光学角点检测方案始终缺失。数字信号处理虽通用性强，但面临电子响应慢、能耗高的瓶颈，基于光子的模拟光学计算成为理想替代方案。

该研究的核心创新是将方位角希尔伯特变换作为光学传递函数，嵌入 4f 傅里叶成像系统实现角点信息提取。输入光场的角谱经 AHT 超表面调制后，通过逆傅里叶变换将角点特征在空间域高亮凸显。AHT 超表面采用方位角阶梯型相位分布，傅里叶平面内等间隔中心角 θ 直接决定可检测的角点角度；为实现宽带稳健相位调制，研究选用潘查拉特南 - 贝里（PB）相位机制，相邻超原子取向角差 90° 对应 π 相位突变。超表面以可见光波段低损耗的氮化硅（SiNₓ）为超原子材料、二氧化硅（SiO₂）为基底，采用六角晶格排布（晶格常数 360 nm），纳米棒尺寸优化为 120 nm×280 nm×1200 nm，平均透过率达 97%、工作效率达 81%，满足可见光波段（450–680 nm）亚波长调控要求。

实验系统验证了该策略的核心性能：角度适配性上，θ=60°、30°、10° 的超表面分别精准凸显正三角形、正十二边形、正三十六边形的角点，即便三十六边形角点在明场下无肉眼对比度，经超表面调制后仍清晰可辨；宽带特性上，450 nm、532 nm、638 nm 三个可见光波长下检测效果保持一致，无波长依赖；全视场特性上，θ=90° 的超表面可对全域方形阵列的所有角点同步检测，覆盖整个传感器视场，且兼顾微米级与厘米级目标检测。

研究首次系统揭示角度分辨率与空间分辨率的权衡规律：θ 越小，角度分辨率越高（可识别更细微的角度变化），但系统相干点扩散函数（PSF）越大，小目标成像易出现干涉拖尾，空间分辨率下降；当目标尺寸接近 PSF、角点间距达到衍射极限（λ/NA）时，可实现衍射极限级角点分辨。此外，单块 θ=30° 超表面可同步检测嵌套三角形、正方形、六边形的不同角度角点，通过明 / 暗点特征区分角点类型，且对低对比度相位型物体同样有效，突破振幅目标限制。

在应用验证中，基于角点成像的运动追踪系统可快速解析目标运动轨迹，其数据压缩比 η≈476，远高于传统边缘检测的平均压缩比（≈18），且压缩优势随目标尺寸呈二次增长。该超表面相较商用相位板具备亚波长分辨率、复杂相位定制、片上集成潜力，可同时完成多方向微分运算，是更高级的视觉基元提取器件。

该工作为光学角点检测提供了底层设计范式，未来可拓展至其他波段、实现无 4f 系统的单超透镜构型、适配非相干环境，在生物医学成像、增强现实、机器视觉、自动驾驶等高速视觉处理场景具备广阔应用前景。