光學圖像微分是提取目標邊緣信息的核心操作，也是智能感知、先進成像和信息處理等領域的重要基礎技術。相比數字圖像處理，光學微分可直接在光傳播過程中完成邊緣提取，具有速度快、功耗低、實時處理等優勢，是全光計算的重要研究方向。
據麥姆斯咨詢報道，近日，華東師范大學曾和平教授與黃坤教授團隊在非線性計算光子學領域取得新進展，提出非線性矢量微分成像理論，揭示非線性頻率轉換過程中本征產生空間微分信息的新機制，實現了空間微分與波長轉換的一體化融合，為高靈敏中紅外成像、非線性光場調控及全光信息處理提供了理論支撐和技術思路。相關研究成果以“Nonlinear differential imaging via vectorial parametric interaction”為題發表在Physical Review Applied期刊上，韋焯航博士生為第一作者。該研究得到了科技部、基金委、上海市科委與華東師大的共同資助。
目前，主流光學微分方案多借助相位板、超構表面或多層薄膜等光學元件，通過空間頻率調制實現邊緣增強。這類方法性能優異、應用廣泛，但通常需要額外的濾波結構，在系統緊湊性、集成化和波長擴展性等方面仍存在優化空間。同時，現有研究大多基于標量光學理論，對光場偏振等矢量自由度的利用仍有待探索。
為此，曾和平教授與黃坤教授團隊提出了非線性矢量微分成像理論框架，通過求解含非線性極化源項的全矢量波動方程，證明二階非線性頻率轉換過程中可本征產生攜帶空間微分信息的交叉偏振分量。
圖2 非線性矢量微分成像原理圖
此外，研究團隊結合鈮酸鋰晶體的偏振選擇性相位匹配，該方案無需任何外置濾波元件即可同步實現空間微分與波長轉換，將中紅外邊緣信息直接上轉換至可見/近紅外波段，從而實現室溫高靈敏探測。理論分析與數值模擬進一步驗證了該機制的有效性，研究還揭示了交叉偏振分量隨光束尺寸和傳播距離的演化規律，為后續實驗研究提供了理論依據。
圖3 濾波效果圖
研究團隊在4f成像系統中對非線性微分成像進行了完整的數值模擬驗證。模擬結果清晰展示了成像效果，入射中紅外的共偏振分量呈現常規明場圖像，蝴蝶輪廓完整填充；而交叉偏振分量則選擇性保留了邊緣信息。
圖4 成像效果圖
這項研究工作發展了非線性矢量微分成像理論框架，將傳統依賴外置濾波器實現光學微分的方式拓展為非線性參量相互作用的內稟效應，實現了空間微分與頻率轉換的深度融合。該理論具有良好的普適性，可進一步推廣至差頻產生等其他非線性過程，為高靈敏中紅外邊緣增強探測、非線性矢量光場調控及紅外全光信號處理等研究方向提供了理論支撐和技術思路。
近年來，研究團隊在中紅外全光圖像處理領域取得系列進展，相繼實現了中紅外單光子螺旋相襯成像[Laser Photon. Rev. 15, 2100189 (2021)]、大視場上轉換邊緣增強成像[ACS Photonics, 13, 991 (2026)]、以及高階非線性拓撲微分[Laser Photon. Rev. 20, e02431 (2026)]等，持續推動非線性計算光子學的發展。
https://doi.org/10.1103/wzsn-x98v
《銦鎵砷（InGaAs）光電探測器專利態勢分析-2025版》
《蘋果在量子點光電傳感器領域的發明專利與產業布局分析》
《量子點光電傳感器專利態勢分析-2024版》
《紅外熱成像與傳感技術及市場-2025版》
《短波紅外、中波紅外和制冷型紅外成像-2025版》
《汽車級長波紅外攝像頭產品對比分析-2025版》
《汽車紅外攝像頭技術及市場-2024版》
《邁來芯MEMS遠紅外熱電堆傳感器MLX90632產品分析》
《自動駕駛及艙內感知應用的紅外相機技術及市場-2025版》
《高光譜和多光譜成像技術、應用和市場趨勢-2025版》
