近期，南京大学胡伟教授研究组基于光配向蓝相液晶提出并展示了一种单波长广角光学边缘检测方法，相关工作以“Monochromatic wide-angle optical edge detection enabled by a three-dimensional soft photonic crystal”为题发表于《先进功能材料》(Adv. Funct. Mater. 2025, 2500920)。作者利用蓝相液晶q-plate角色散自补偿和全方向Bragg-Berry相位加载的独特性质，有效解决了有源光学边缘检测器件所面临的视角依赖性难题。在不同斜入射角度下顺利获得加电驱动晶格常数拉伸引入光子带隙红移，适当补偿视角增大引起的Bragg反射波长偏移（蓝移），实现了广角定波长的光学边缘检测。该研究在激光雷达、机器视觉以及生物医学成像等方面具有广阔的应用前景，并可推广到其它广角定波长或波长自适应应用的平面光学元件设计。

该工作利用瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的四分之一波片，结合偏振检测仪器对不同的圆偏振光进行分类。

光学边缘检测技术由于低时延、低功耗等优点，在自动驾驶、显微生物监测、三维重建等领域具有广阔的应用前景。具有自适应多功能的紧凑型光学边缘成像系统受到特别的关注。近年来，研究人员已经开发出各种动态平面光学系统满足这些新兴需求。然而，对于主动式光学边缘检测，在斜入射场景下仍面临两项明显的挑战：第一时间，偏离半波条件引起光学微分处理效率下降，导致光学边缘成像对比度显著降低；其次，空间相位畸变引起显著的像差，降低图像识别检测的准确性。只有克服了这两项挑战，突破单波长广角光学边缘检测，才有望进行真实环境下的实时大数据采集与处理，完美实现3D场景重建及目标识别。

蓝相液晶（Blue phase liquid crystal, BPLC）是一类具有三维光子晶体特性的手性双螺旋多层级组装体系。课题组近两年来围绕BPLC的组装结构精细操控、层级结构与光子自由度的构效映射关系、多元外场调谐的结构与性质演变规律、重要光学器件设计开发与创新应用几方面展开了系统研究，并取得了一系列重要成果。第一时间，课题组开发了光取向结合电刺激驱动BPLC精准受控组装技术，结合计算仿真与实验验证，揭示了跨尺度蓝相介晶层级结构的手性、晶格常数、晶格方位角与光的自旋（圆偏振）、波长/频率、几何相位等自由度的构效映射关系，为广色域、高空间分辨的多自由度光场调控给予了新范式（Laser Photonics Rev. 2024, 18, 2301283）。进一步顺利获得多元外场独立操控不同层级结构，分别采用图案化光取向、双波长辐照刺激和电场调控等手段，对BPLC的图案化结晶、晶格常数和倾斜角分别进行了精准调控，实现了多光子自由度的独立动态调制（Adv. Optical Mater. 2025, 13, 2402844）。设计非对称的边界锚定和温度梯度，基于BP I实现了多畴和图案化单畴BPLC的电可控非对称晶畴生长，顺利获得单边界的二维码和几何相位全息编码展示了双稳态信息的可逆显示与隐藏（Laser Photonics Rev. 2025, 19, 2401635）。 

由于BPLC独特的三维手性光子晶体特征，以及全方向的Bragg反射带内的几何相位调制，利用电刺激拉伸BPLC晶格对角色散精准补偿，实现±45°范围内高品质的单波长光学边缘成像。该系统为广角主动光学边缘检测和其它具有视角鲁棒性要求的光学应用（如LiDAR、生物医学成像和空间激光通信等）给予了一种实用的解决方案。化对手性传递的调控机制。

BPLC晶向可以顺利获得光控取向进行精准面内操控，瓦力棋牌瓦力将其预设为β（x，y）= 0.5arctan（y/x）制备BPLC q-plate。光子带隙内与BPLC螺旋结构具有相同旋性的圆偏振光被反射，并且携带2·β（x，y）的几何相位，同时，带隙之外的光或手性相反的圆偏振光仅携带空间均匀相移直接透射。将该样品置于4f成像系统的傅里叶平面上，反射光Eout（x，y）和入射光Ein（x，y）表现为二维一阶微分关系。因此，基于BPLC q-plate同时建立两种功能：反射窄带光学边缘成像和透射广谱明场成像。作为图案化三维光子晶体，可对全方向的Bragg反射光进行特定的几何相位编码。值得注意的是，光子带隙（PBG）的中心波长λc满足Bragg方程：

其中h、k和l表示晶面密勒指数，平均折射率n =（2no + ne）/3，no和ne分别是寻常折射率和非寻常折射率，d是晶面间距，a是晶格常数。θ是入射光波矢和晶向[h k l]夹角。显然，BPLC q-plate显示出工作波长的角度依赖性。如图1a左图所示，随着入射角度增加，Bragg反射带中心波长发生蓝移。研究团队为了实现广角单色光学边缘检测，利用电致伸缩效应调节晶格常数以补偿角色散。在直流电场作用下，吸附阳离子的聚合物网络会向负电极方向伸展。由于聚合物网络的锚定效应，BPLC的晶格常数也随之增大。如图1b所示，随着入射角的增加，PBG发生蓝移，而电致伸缩引起的晶格拉伸则使光子带隙红移到原来的λc（正入射对应的中心反射波长），从而实现广角单色的光学边缘成像（图1a右图）。

图1. a) 基于BPLC q-plate的角色散光学边缘成像（左）和晶格拉伸色散补偿的广角单色光学边缘成像（右），b) BPLC角色散和电致伸缩引起的色散补偿示意图

在0 V/μm至11.36 V/μm范围内改变垂直施加到液晶盒上的直流电场E。如图2a所示，随着E的增加，λc从500 nm红移到620 nm。当E撤去，λc恢复至初始值。图2b显示在0 V/μm和11.26 V/μm的直流电场下PBG的动态响应，瓦力棋牌瓦力将响应时间定义为10%到90% PBG偏移及相反过程的时间间隔，实验测得分别为8.5秒和5.5秒。即使在循环调谐30次后，λc仍表现出出色的可重复性（图2c），表明系统具有优秀的抗疲劳性。图2d展示了偏振光显微镜（POM）观测到的电驱动BPLC q-plate的反射色演变。均匀的反射色表明晶格拉伸过程中超结构保持良好。反射光因加载螺旋相位，产生了相应反射色的“甜甜圈”形貌的涡旋光（图2e）。

图2. 由样品M1制成的BPLC q-plate的电调谐光子带隙：a）对于LCP入射，BPLC的电致伸缩引起的可逆波长移动，b）PBG移动的响应时间，c）PBG移动的抗疲劳性，d）λc = 500 nm、532 nm、560 nm、580 nm、595 nm和620 nm的BPLC q-plate的POM显微照片，e）LCP正入射生成的涡旋光

BPLC三维光子晶体的光学性质呈现角度相关性。图3a分别展示了不同入射角θ = 0°、15°、30°、45°下，反射率与起偏器/四分之一波片快轴间夹角α之间的关系。由于所用BPLC为左旋结构，只有左旋圆偏振光（α = 45°和225°）被选择性地反射，而右旋圆偏振光（α = 135°和315°）的反射率被抑制，实测结果与理论模拟吻合良好。图3b展示出BPLC q-plate圆偏振相关的相位加载。当θ = 45°，对于LCP，光被全部反射并转化为拓扑荷为+1的涡旋光；而对于RCP，光发生完全透射并保持为高斯光束；对线偏振入射，正交圆偏振分量均分，LCP被反射并加载螺旋相位，而RCP直接作为高斯光束透射。 进一步研究了λc对θ的依赖性。图3c中的蓝色曲线显示了根据Bragg方程计算的λc对θ的依赖性，点描述了相应的实验结果，它们之间的偏差是由于空气/玻璃界面折射所引起的。图3d显示θ和E对λc的影响相反，因此可以采用施加电场来实现角色散的精准补偿。以532 nm光为例，在θ = 0°、15°、30°和45°时，当直流电场E分别为5.0 V/μ m、5.4 V/μm、6.6 V/μm和8.8 V/μm时，即可实现角色散的精准补偿，保持λc = 532 nm。

图3. BPLC q-plate的角度依赖性：a) 在0°、45 °、30°、35 °和45°入射角下的圆偏振选择性。b) 当θ = 45°时，不同入射偏振（LCP、RCP和LP）和θ = 45°的透射光和反射光。c) 不同θ下λ_c的模拟值和实测值。d）λ_c与θ和E的关系图。

圆偏振选择的几何相位编码使得BPLC q-plate能够同时实现双功能成像。如图4a所示，入射角度可调的透反射式4f系统被用来同时对明场/边缘成像进行表征。在反射路径中实现二维光学边缘成像（图4b），垂直和水平边缘均被清晰地提取，而在透射路径中实现相应目标的明场图像（图4c）。

图4.  a) 同时进行反射光学边缘成像和透射明场成像的光学装置。P为偏振器，QWP为四分之一波片，L为透镜，CP为相应的圆偏振片。b) “郁金香”和“猫”的光学边缘成像。c)相应的明场成像

进一步研究了两种不同手性剂含量的BPLC q-plate（M1和M2）在倾斜入射条件（θ = 0°、15°、30°和45°）下的光学边缘检测效果。由于图案化BPLC的三维手性光子晶体特征，设定的螺旋相位被全方向地编码到反射光，因此在大入射角度下也能够准确提取目标边缘信息，避免了传统元件因离轴带来的像差和效率下降。λ_c随θ的增大蓝移，M1的颜色由青色向蓝色变化，M2的颜色由红色向绿色变化，二者联合起来覆盖了整个可见光范围。在主动光学边缘成像中，通常采用固定波长进行扫描。图3d所示采用直流电场对不同θ产生对应的晶格拉伸，精准补偿角色散，成功地消除了M1和M2随θ的颜色变化。如图5右侧极坐标及对应图像所示，在± 45°广角光学边缘成像过程中，M1和M2的成像颜色（绿色和红色）和中心波长（532 nm和633 nm）均保持固定，效率也没有显著的波动。

图5. 光学边缘成像波长与入射角的依赖性。左侧极坐标上下部分分别展示了M1和M2在θ = 0°、15°、30°和45°时光学边缘成像的角度相关色彩偏移；右侧极坐标展示了相应的电补偿角色散后的广角单色光学边缘成像。

南京大学现代工学院2023级直博生谢志耀与陈全明博士（现南方科技大学电子系博士后）为本文共同第一作者，胡伟教授为论文通讯作者，南京大学博士研究生欧阳程、王琦光同学对本文亦有重要贡献。本工作受国家重点研发计划课题、国家自然科研基金重点项目、青年科研基金项目(C类)、国家资助博士后研究人员计划资助完成，并获固体微结构物理全国重点实验室、江苏省物理科研研究中心、教育部集成攻关大平台支持。作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）的光学元件支持和南京宁萃光学科技有限公司（NCLCP）的材料支持。