导读：

近日，betway88西汉姆联李涛教授、祝世宁院士团队联合香港城市大学蔡定平教授团队，在超构表面原理与应用开发方面取得重要进展，他们提出了一种基于角向希尔伯特变换超构表面的通用光学角点探测成像方案，并进一步展示了该框架在运动追踪中的应用，为下一代高速、低能耗光学信息处理技术的发展奠定了基础。

背景介绍：

在自然界中，许多动物的视觉系统对几何特征（尤其是“角”）格外敏感。比如，蜜蜂偏好带有棱角的形状，并依靠复眼来识别花朵上的锐角结构；啄木鸟常常敲击树皮裂缝的交汇处或虫洞的边缘，因为这些“角落”更有可能藏着昆虫；猎豹在追捕时往往盯着猎物的关节或尾根，以更好地预判其运动轨迹。这些自然界的例子都指向一个共同的策略：通过聚焦角点等局域的高对比特征，从复杂场景中高效提取关键信息。在当下信息爆炸的时代，这种生物视觉策略给了我们重要的启发：除了不断叠加多维度信息之外，也应学会有选择地“减法”和“简化”。通过专注于角点等信息量极高的特征，我们可以在降低视觉复杂度的同时，提高感知与计算的效率。

目前，角点探测主要依赖数字信号处理，已广泛应用于图像配准、运动跟踪和三维重建等计算机视觉任务。然而，由于电子响应速率和能耗等方面的限制，这类基于电子的数字信号处理在速度和能效上面临瓶颈。相较之下，基于光子的光学处理在这些方面具有潜在优势。不过，当前的光学处理方法主要集中在二维特征提取，例如边缘检测或高阶微分算子等。迄今为止，实用且高效的光学角点探测方案仍然十分匮乏。

创新研究：

图1.基于角向希尔伯特变换的光学角点探测成像原理。

在这项研究中，研究团队提出了一种基于角向希尔伯特变换的通用光学角点探测成像方案。研究人员搭建了4f成像系统，在傅里叶面引入一块超构表面，对光场进行角向相位调制（图1）。该超构表面在方位角方向实现 0–π 阶梯相位分布，其等分中心角 θ决定了可有效探测的角点角度范围。

研究人员选择氮化硅材料并优化了几何相位原理调制下的结构参数使其可高效宽带地工作在可见光波段。研究团队首先展示了不同设计的超构表面对不同角点的探测成像效果（图2），不同多边形的角点在成像中都被显著突出，并且在可见光不同波长下均能稳定工作，体现了其宽带特性。对多边形阵列的成像结果覆盖了整个探测面，也展示了其大视场角点探测的能力。

图2.宽带全视场的角点探测成像实验验证。

作为一种新型成像技术，研究人员进一步分析了其角度分辨率和空间分辨率之间的权衡以及实现衍射极限成像的准则。以θ进行设计的超构表面可对m*θ的任意角度进行探测，因此对同一种角度的角点进行探测时就有不同的超构表面设计选择。研究发现，无论是对于亮物体还是暗物体，θ越小，角分辨越高，对应的最小探测物体尺寸越大。其根本原因在于不同θ设计的超构表面其系统的点扩散函数尺寸大小不同，θ越小，点扩散函数的尺寸越大。系统研究进一步表明要实现衍射极限的角点探测成像需要满足两条准则：1）成像物体的尺寸需大于角探测成像系统的点扩散函数的尺寸；2）两角点之间的距离需大于λ/NA。

图3.多功能角点探测成像及运动追踪应用验证。

基于角点探测的多功能特性，研究团队进一步展示了同一超构表面探测不同振幅、相位及角度特性的物体的能力，对其中的奇偶性规律及亮暗点的出现做了深入的分析及推导。此外，基于其关键信息提取能力，研究人员利用角点探测成像对随机旋转和移动的物体进行了运动追踪的应用验证，并展示了其高效的数据压缩能力（图3）。

这一研究展示了光学超构表面在实时、高效信息处理中的独特优势和应用潜力，为角点探测的全光学实现提供了全新的技术路径，有望在降低能耗、提升速度的同时，推动计算视觉乃至新一代智能感知体系的变革性发展。

该成果以“Optical Corner Detection with Azimuthal Hilbert Transform Metasurfaces”为题发表于Science Advances, 12, eaed8301 (2026)上，并被选为亮点工作在Science Advances 官网首页推荐。该论文通讯作者为香港城市大学蔡定平教授和betway88西汉姆联李涛教授，陈晨博士和王骏溢博士研究生为论文共同第一作者，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、香港研究资助局（RGC）、卓越学科领域计划（AOE）及香港城市大学的资助支持。