A review of dielectric optical metasurfaces for spatial differentiation and edge detection

微分器 计算机科学 电介质 光学 空间滤波器 边缘检测 材料科学 空间频率 光电子学 边缘增强 带宽(计算) 物理 图像处理 计算机视觉 人工智能 电信 图像(数学)
作者
Lei Wan,Danping Pan,Tianhua Feng,Weiping Liu,А. А. Потапов
出处
期刊:Frontiers of Optoelectronics [Springer Nature]
卷期号:14 (2): 187-200 被引量:23
标识
DOI:10.1007/s12200-021-1124-5
摘要

Dielectric metasurfaces-based planar optical spatial differentiator and edge detection have recently been proposed to play an important role in the parallel and fast image processing technology. With the development of dielectric metasurfaces of different geometries and resonance mechanisms, diverse on-chip spatial differentiators have been proposed by tailoring the dispersion characteristics of subwavelength structures. This review focuses on the basic principles and characteristic parameters of dielectric metasurfaces as first- and second-order spatial differentiators realized via the Green's function approach. The spatial bandwidth and polarization dependence are emphasized as key properties by comparing the optical transfer functions of metasurfaces for different incident wavevectors and polarizations. To present the operational capabilities of a two-dimensional spatial differentiator in image information acquisition, edge detection is described to illustrate the practicability of the device. As an application example, experimental demonstrations of edge detection for different biological cells and a flower mold are discussed, in which a spatial differentiator and objective lens or camera are integrated in three optical pathway configurations. The realization of spatial differentiators and edge detection with dielectric metasurfaces provides new opportunities for ultrafast information identification in biological imaging and machine vision.
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