【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，我校物理學(xué)院丁劍平、王慧田團(tuán)隊(duì)在奇點(diǎn)光學(xué)和光學(xué)傳感領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。他們將傳感視角從傳統(tǒng)的相位渦旋轉(zhuǎn)向相位奇點(diǎn)本身，開發(fā)出一種全新的“光學(xué)奇點(diǎn)量角器”旋轉(zhuǎn)傳感方案。該方案兼容傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)探針，結(jié)合神經(jīng)形態(tài)視覺傳感技術(shù)，能在復(fù)雜場景中實(shí)現(xiàn)高速、高精度的非接觸轉(zhuǎn)速測量，為精密光學(xué)傳感與下一代神經(jīng)形態(tài)智能系統(tǒng)的融合提供了新的技術(shù)路徑。
 

　　如何用光的“黑暗”來感知物體的“轉(zhuǎn)動(dòng)”？在奇點(diǎn)光學(xué)中，相位奇點(diǎn)是光場中的特殊“暗區(qū)”，對(duì)物性參數(shù)變化極其敏感，是理想的傳感探針。然而，其動(dòng)態(tài)參數(shù)傳感的實(shí)際應(yīng)用一直受限于奇點(diǎn)的探測速度。傳統(tǒng)上，基于渦旋光束軌道角動(dòng)量的旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)是測量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速的主流方法，但該方法不僅需要嚴(yán)格的光軸對(duì)準(zhǔn)，在離軸條件下容易失效，還難以分辨速度方向，無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)場景，因而應(yīng)用受限。
 

　　傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)多普勒傳感依賴于復(fù)合渦旋光場的干涉測量。在本研究中，團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳感框架的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)根本性的思路轉(zhuǎn)變：通過解讀復(fù)合渦旋探針中奇點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，利用奇點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡來解碼旋轉(zhuǎn)頻移。這一轉(zhuǎn)變將奇點(diǎn)精密測量從靜態(tài)的位置測量，成功推廣至動(dòng)態(tài)的旋轉(zhuǎn)測量(圖1a)，從而構(gòu)建了一種新型的光學(xué)奇點(diǎn)量角器。
 

　　在奇點(diǎn)傳感與信息處理中，如何精準(zhǔn)、快速地感知并追蹤相位奇點(diǎn)的動(dòng)態(tài)演化，一直是制約其走向動(dòng)態(tài)應(yīng)用的關(guān)鍵。受生物視覺系統(tǒng)啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用神經(jīng)形態(tài)事件傳感器來記錄奇點(diǎn)的動(dòng)態(tài)演化軌跡。這種事件相機(jī)的工作機(jī)制與傳統(tǒng)相機(jī)有本質(zhì)不同：它不像傳統(tǒng)相機(jī)那樣逐幀記錄所有亮度信息，而是僅異步響應(yīng)光強(qiáng)對(duì)數(shù)梯度的變化，從而對(duì)動(dòng)態(tài)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡輸出稀疏的事件信號(hào)(圖1b)。這種基于對(duì)數(shù)梯度的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，與奇點(diǎn)周圍光強(qiáng)梯度極大、而其本身光強(qiáng)為零的特性完美匹配。因此，利用事件機(jī)制，光學(xué)奇點(diǎn)量角器(圖1c)能夠直接、高效地輸出奇點(diǎn)位置的變化及其運(yùn)動(dòng)方向，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)速度的高性能探測。
 

　　光學(xué)奇點(diǎn)量角器首先獲取具有超高帶寬與高數(shù)據(jù)效率的奇點(diǎn)事件點(diǎn)云(圖2a)，并基于此事件點(diǎn)云，進(jìn)一步以微秒級(jí)的時(shí)間分辨率，重構(gòu)出奇點(diǎn)位置矢量與運(yùn)動(dòng)方向矢量的時(shí)間演化序列(圖2b)，從而最終精準(zhǔn)提取出光場的旋轉(zhuǎn)頻移(圖2c)。研究團(tuán)隊(duì)在多種復(fù)雜場景下驗(yàn)證了系統(tǒng)的魯棒性，包括寬范圍多轉(zhuǎn)速測量(圖2d)、離軸旋轉(zhuǎn)(圖3a)，以及非線性變速與轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)(圖3b)。該系統(tǒng)展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)方法的顯著優(yōu)勢：(1)無需光軸對(duì)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)動(dòng)測量——只要捕獲奇點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的事件點(diǎn)云，即可直接解算出旋轉(zhuǎn)中心和奇點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度；(2)轉(zhuǎn)速測量的高精度——事件驅(qū)動(dòng)檢測機(jī)制的高精度和數(shù)據(jù)稀疏性，保證了傅里葉頻譜分析和轉(zhuǎn)速解析的高信噪比。
 

　　該研究為在動(dòng)態(tài)場景下利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光進(jìn)行高精度計(jì)量開辟了新途徑，有助于構(gòu)建新型的基于奇點(diǎn)的神經(jīng)形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)，在半導(dǎo)體量檢測、高效計(jì)算成像、緊湊型遙感等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。
 

　　相關(guān)研究成果以“Optical Singularity Protractor for Rotating Metrology with Neuromorphic Sensing”為題，發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Light: Science & Applications上。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生翁哲為論文第一作者，丁劍平教授和王慧田教授為共同通訊作者，汪喜林教授與任志成助理教授給予了研究指導(dǎo)。合作者包括南京大學(xué)物理學(xué)院博士生趙一宇、卿志明和博士后嚴(yán)文翔等。該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助，并得到南京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心和固體微結(jié)構(gòu)物理全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
 

　　引用：物理學(xué)院丁劍平、王慧田團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)奇點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的類腦傳感測量-南京大學(xué)【引用時(shí)間：2026年9月9日】