导读

南京大学陆延青、陈鹏团队在2025年第17期发表题为的特邀论文，并被遴选为封面文章。文章通过引入电控光轴可调的铁电液晶材料，设计了一种液晶器件级联架构，实现了高质量、可快速切换的多方向光学边缘检测，为实时图像处理和光计算提供了新技术。

封

面

解

读

封面展示了基于铁电液晶的可切换多方向光学边缘检测过程。封面上的圆形放大图展示了铁电液晶在外加电场作用下螺旋结构解旋后指向矢的变化，对应的等效光轴随之改变。主体部分的线偏振物光在经过铁电液晶可调波片调制后发生偏振变化，经4f系统中频谱面上的向列相液晶q波片调制，检偏后得到特定方向的边缘像。当外加电场极性改变时，选择性提取的边缘沿正交方向切换。该架构为实时图像处理和光计算提供了新技术。

文章链接：

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研究背景

液晶以其对电、磁、光、热等多元外场的灵敏响应性而闻名，近年来在非显示领域展现出巨大潜力。基于液晶材料的动态光学元件进一步丰富了主动可调光学技术，可应用于虚拟现实/增强现实显示、微粒操控、轨道角动量调控等前沿领域。其中，手性近晶C相铁电液晶在电致解旋型模式下具有超快速的电光响应：当无外场时，液晶分子以固定的倾斜角度围绕层法线旋转，自组装形成独特的手性层状结构；在外加电场刺激下，铁电液晶的螺旋结构解旋，指向矢发生面内旋转，整体光轴将同步变化。受到该光电特性的启发，南京大学陆延青、陈鹏团队将铁电液晶引入光学边缘检测技术，进一步挖掘其动态可调潜力。

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研究亮点

研究团队基于铁电液晶独特的电控光轴可调和超快响应特性，制备了铁电液晶可调波片以控制入射偏振，同时在频域面上引入了光轴沿角向变化的偏振敏感几何相位光学元件，即向列相液晶q波片，将二者级联，提出了一种快速可调的多方向光学边缘检测新方案，概念示意图如图1所示。

图1 多方向光学边缘检测示意图

（1）级联液晶器件架构

研究团队构建了基于4f系统的光学边缘检测架构，通过正交偏振调制方案，将铁电液晶可调波片与向列相液晶q波片进行功能集成，最终可实现动态可调的光学边缘检测。铁电液晶可调波片在外加电场作用下可实现光轴方向的可控快速切换，进而实现对入射线偏振光偏振状态的精确调控；采用q=0.5的向列相液晶q波片作为空间相位调制元件，并在特定方向引入π相位差。通过上述两种液晶元件的协同作用，可实现沿特定方向上图像均匀区域的相消干涉与边缘特征的选择性增强。

（2）光轴可调的铁电液晶波片

研究团队通过光取向技术实现铁电液晶等效光轴沿同一方向的有序排列，以制备铁电液晶可调波片，如图2所示：当未加电时，铁电液晶螺旋轴方向（即等效光轴方向）沿设定取向方向；当加正电时，铁电液晶的螺旋结构解旋，波片的等效光轴整体旋转+θ；当加负电时，铁电液晶解旋重构，波片的等效光轴整体旋转-θ。铁电液晶材料在外加电场作用下展现出二值响应特性，制成的波片可实现电控光轴快速切换、高速调控入射光偏振态，为可切换的光学边缘检测提供了技术基础。

图2 铁电液晶可调波片的制备流程和偏光显微照

（3）动态可切换的多方向光学边缘检测

利用图案化光控取向技术构筑光轴沿角向渐变分布的向列相液晶q波片，在频域面上引入相位差，使图像的均匀区域产生相消干涉，从而增强特定方向上的边缘。当外加电场为正极性时，铁电液晶波片光轴沿水平方向，正交偏振下向列相液晶q波片在频域面y方向上引入π相移，总体系统功能等效于沿y方向进行微分运算，此时水平边缘被选择呈现。相反，对于负极性电场，铁电液晶波片的光轴沿−2θ方向，x方向上相位变化，此时竖直边缘被突出显示。当电场极性改变时，铁电液晶波片光轴将变化2θ，检测的边缘也随之同步变化。如图3所示，在该设计中，所检测的边缘可以根据外加电场动态地从水平/竖直边缘切换至竖直/水平边缘。该系统在±5 V的低电压下即可稳定工作，通过简单地翻转外加电场极性，输出像就能在水平和竖直两个正交边缘检测方向之间快速切换，响应时间低至35 μs。

图3 快速可切换多方向边缘检测的模拟和实验结果

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总结和展望

该研究提出了一种基于铁电液晶可调波片与向列相液晶q波片级联的多方向光学边缘检测新技术，可在任意正交方向提取边缘，按需获得高对比度的结果。水平与竖直边缘可通过外加电场灵活切换，±5 V低电压下响应时间低至35 μs，且支持高频操作。与传统方案相比，该架构通过简单电控即可切换检测方向，响应时间比现有技术快两至三个数量级，满足实时处理的迫切需求。该工作挖掘了铁电液晶在光学模拟运算中的潜力，展现了在机器视觉等领域的应用前景。

作

者

简

介

陈闻，南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生。主要从事铁电液晶光场调控方面的研究，以第一作者在National Science Review、等刊物上发文，曾获南京大学2023年度优秀研究生。

陈鹏，南京大学副教授/博导。从事液晶微纳光学研究，已发表一作/通信论文40余篇，两次入选“中国光学十大进展”。担任青年编委，主持国家重点研发计划（青年科学家项目）、基金委优青/面上等项目，曾获中国光学工程学会科学技术一等奖等。

陆延青，南京大学教授/博导。主要研究方向为非线性晶体、液晶、光纤及超构材料等不同体系中光与物质相互作用的规律，并开发其在光电信息处理等领域中的应用。担任执行主编，曾获国家自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖、中国光学十大进展等。

科学编辑 | 陈闻

编辑 | 贾文斌