邊緣檢測技術作為圖像處理領域的核心基礎操作，廣泛應用于醫學影像分析、自動駕駛環境感知、人臉識別特征提取等關鍵領域，對上述領域的精度與效率提升具有重要支撐作用。然而，傳統數字計算方法在處理大規模圖像數據時，面臨運算速度遲緩、能耗居高不下、并行處理能力有限等固有缺陷；在大數據與人工智能應用爆發式增長的背景下，此類局限已成為制約相關領域發展的關鍵瓶頸。
    光學模擬計算憑借“光速”運算速度、天然并行處理能力及低能耗特性，被學界與產業界普遍視為突破該瓶頸的核心技術路徑。但現有光學邊緣檢測器件多存在功能固定、缺乏動態可調性的問題，嚴重限制了其在復雜場景中的實際應用范圍。針對這一技術痛點，南京大學陸延青教授、陳鵬副教授團隊開展專項研究，提出基于鐵電液晶的多方向光學邊緣檢測新方案，有效解決了光學邊緣檢測方向動態可調的關鍵難題。

    技術突破基礎：鐵電液晶的獨特光電特性
    實現光學邊緣檢測方向的動態調控，核心在于篩選具備靈敏外場響應能力且性能穩定的功能材料。團隊聚焦液晶材料——該類材料因對電、磁、光、熱等外場具有優異響應特性，近年來在虛擬現實/增強現實顯示、微粒操控、軌道角動量調控等非顯示領域展現出巨大應用潛力，為主動可調光學技術的發展提供了重要支撐。
    經過系統性研究，團隊最終選定手性近晶C相鐵電液晶（FLC）作為核心功能材料。該類型液晶具備顯著的超快電光響應特性：無外場作用時，液晶分子以固定傾斜角圍繞層法線旋轉，自組裝形成獨特的手性層狀螺旋結構；當施加外部電場后，螺旋結構迅速解旋，分子指向矢發生面內旋轉，其整體等效光軸同步變化。這一“電場調控光軸”的特性，為實現光學邊緣檢測方向的動態可調提供了理想的材料基礎。

    核心技術架構：級聯液晶器件的協同設計
    團隊基于經典4f光學系統，構建“鐵電液晶可調波片+向列相液晶q波片”的級聯架構，通過正交偏振調制方案實現功能集成，最終形成快速可調的多方向光學邊緣檢測系統。該架構的核心設計與工作機制如下：
    1.鐵電液晶可調波片：偏振態精準調控單元
    團隊通過光取向技術實現鐵電液晶等效光軸沿預設方向的有序排列，成功制備鐵電液晶可調波片。該波片呈現明確的二值響應特性：
    未施加電場時，波片等效光軸沿預設取向方向；
    施加正電壓（+5V）時，等效光軸旋轉+θ；
    施加負電壓（5V）時，等效光軸旋轉θ。
    這種電控光軸快速切換特性，可實現對入射線偏振光偏振態的精準調控，為檢測方向的動態切換提供了核心技術支撐，其響應速度達到微秒級，滿足實時處理需求。
    2.向列相液晶q波片：頻域相位調制單元
    在4f系統的頻域面，團隊引入光軸沿角向漸變分布的向列相液晶q波片（q=0.5）作為空間相位調制元件。該元件可在特定方向引入π相位差，當經過鐵電液晶可調波片調控的偏振光入射至q波片時，q波片通過相位調制使圖像均勻區域產生相消干涉，進而選擇性增強特定方向的邊緣特征，為邊緣檢測提供關鍵的頻域處理能力。
    3.雙元件協同：實現檢測方向動態切換
    鐵電液晶可調波片與向列相液晶q波片的協同工作，是實現檢測方向動態調控的核心邏輯：
    施加正電壓（+5V）時，鐵電液晶波片等效光軸沿水平方向，向列相液晶q波片在頻域y方向引入π相位差，系統功能等效于沿y方向執行微分運算，從而選擇性提取圖像的水平邊緣；
    施加負電壓（5V）時，鐵電液晶波片等效光軸旋轉至2θ方向，向列相液晶q波片的相位調制方向切換至x方向，系統進而突出顯示圖像的豎直邊緣。
    該切換過程僅通過翻轉外加電場極性即可完成，無需復雜機械結構調整，響應時間低至35μs，較現有光學邊緣檢測技術快兩至三個數量級，且在±5V低電壓下可穩定工作，兼顧快速響應與低能耗優勢。

    成果價值與應用前景
    該研究成果以“基于鐵電液晶的多方向光學邊緣檢測（特邀）”為題發表于《激光與光電子學進展》2025年第62卷第17期“智能光子技術”專題，并被遴選為當期封面文章（DOI:10.3788/LOP251526）。其技術突破的核心價值體現在三方面：
    1.性能突破：實現微秒級檢測方向切換與低電壓驅動，解決了傳統光學邊緣檢測器件動態可調性差、能耗高的問題；
    2.架構創新：通過級聯液晶器件設計，為光學模擬計算提供了可擴展的功能集成方案；
    3.應用拓展：挖掘鐵電液晶在光學模擬運算中的應用潛力，為實時圖像處理技術的發展開辟新路徑。
    從應用前景來看，該技術未來可廣泛落地于多領域：
    工業機器視覺：為生產線質檢提供高速邊緣識別，提升檢測效率與精度；
    醫學影像處理：助力CT、MRI等影像的快速邊緣提取，縮短診斷耗時，支撐精準醫療；
    智能交通：為自動駕駛系統提供快速環境輪廓感知，增強車輛對道路標線、障礙物的識別響應速度，提升行車安全。

    研究團隊背景
    該研究由南京大學陸延青教授、陳鵬副教授領銜，團隊在光與物質相互作用及液晶光學領域積累深厚：
    陸延青教授（博導）：長期致力于非線性晶體、液晶、光纖及超構材料體系中光與物質相互作用規律的研究，在光電信息處理領域技術開發方面成果豐碩，曾獲國家自然科學一等獎、江蘇省科學技術一等獎等重要獎項，并多次入選“中國光學十大進展”，現任《ChineseOpticsLetters》執行主編；
    陳鵬副教授（博導）：聚焦液晶微納光學研究，已發表第一作者/通信作者論文40余篇，兩次入選“中國光學十大進展”，主持國家重點研發計劃（青年科學家項目）、國家自然科學基金委優青/面上項目等，曾獲中國光學工程學會科學技術一等獎；
    核心成員陳聞（博士研究生）：主要從事鐵電液晶光場調控研究，以第一作者身份在《NationalScienceReview》《激光與光電子學進展》等權威刊物發表論文，曾獲南京大學2023年度優秀研究生稱號。
    綜上，南京大學團隊研發的基于鐵電液晶的多方向光學邊緣檢測技術，不僅在學術層面豐富了光學模擬計算的技術體系，更在產業層面為實時圖像處理領域的突破提供了關鍵支撐，具有重要的科學價值與應用意義。