光速成像：邊緣檢測的重大突破

由約裡克·範德格羅普（Jorik van de Groep）領導的阿姆斯特丹大學物理研究所的研究人員，開發出了一種具有開創性的方法，能夠以極快的速度和極低的能耗來檢測影象邊緣。他們的研究成果近期發表在了《美國化學學會光子學》（ACS Photonics）期刊上。

隨著對計算能力的需求不斷增長，能耗已成為一個主要問題。傳統硬體難以跟上不斷提高的軟體需求，因此，高效節能的替代方案成為了迫切需求。為此，研究人員一直在探索新的計算方法，以期在降低能耗的同時實現高速運算。

光學類比計算就是一種很有前景的方法。這項技術在影象被相機捕捉之前，就利用光來進行數學運算。光學類比計算裝置無需電力，因此具有極高的能源效率。此外，由於這些運算是以光速進行的，整個過程幾乎是瞬間完成的。

這一突破可能為更高效、更快速的資料處理解決方案鋪平道路，對於依賴高速成像和分析的行業而言，有望成為一個潛在的遊戲規則改變者。

在研究中，物理學家們與產業合作夥伴WITec和SCIL Imprint Solutions共同聚焦於邊緣檢測技術，旨在識別影象中的邊緣——即亮度突然發生變化的位置，這些位置標誌著所觀察物體的邊界。邊緣檢測是影象處理中最關鍵的任務之一，在自動駕駛車輛等領域有著廣泛應用。為了進行光學類比計算，物理學家們使用了一種簡單且易於製造的薄膜堆疊。

結果表明，這種方法效果非常好，甚至能夠檢測到尺寸約為1微米的微小物體的邊緣。

論文的第一作者貝爾納多·迪亞斯（Bernardo Dias）表示：「與當前最先進的複雜光學塗層相比，這種層疊結構的設計極其簡單。儘管如此，我們的裝置卻擁有迄今為止最大的數值孔徑之一，這使我們能夠對盡可能小的目標進行邊緣檢測。」

該方法的另一個好處是，它可以與多種光源配合使用，如燈泡、發光二極體（LED）或雷射器，這便於其在現有技術中得到應用。研究結果表明，這些技術尤其適用於高解析度顯微鏡。由於該裝置還能突出傳統明場顯微鏡無法看到的透明物體的邊緣（比如細胞），因此也有可能應用於生物樣本的檢測。

作為下一步，研究人員的目標是開發用於光學類比計算的可切換裝置，使用者可以開啟或關閉數學運算功能，或者讓裝置在不同功能之間進行切換。

參考文獻：《利用少層分層介質中的塔姆等離激元極化激元進行高數值孔徑二維影象邊緣檢測》，作者貝爾納多·S·迪亞斯（Bernardo S. Dias）和約裡克·範德格羅普（Jorik van de Groep），2024年12月2日發表於《美國化學學會光子學》，DOI: 10.1021/acsphotonics.4c01667