北京
图1.光学奇点量角器的工作原理: (a)研究将奇点探针应用从静态位置测量推广到动态旋转传感。(b)关键探测器件：事件相机，其基于光强梯度变化的事件驱动机制(右)，与传统帧式相机(左)有本质不同。(c)奇点量角器系统通过事件簇计算奇点角速度，从而实现转速测量。
近日，南京大学物理学院丁剑平、王慧田团队在奇点光学和光学传感领域取得了新进展。他们将传感视角从传统的相位涡旋转向相位奇点本身，开发出一种全新的“光学奇点量角器”旋转传感方案。该方案兼容传统旋转探针，结合神经形态视觉传感技术，能在复杂场景中实现高速、高精度的非接触转速测量，为精密光学传感与下一代神经形态智能系统的融合提供了新的技术路径。相关研究成果以“Optical Singularity Protractor for Rotating Metrology with Neuromorphic Sensing”为题，发表于光学领域顶级期刊Light: Science & Applications上。
如何用光的“黑暗”来感知物体的“转动”?在奇点光学中，相位奇点是光场中的特殊“暗区”，对物性参数变化极其敏感，是理想的传感探针。然而，其动态参数传感的实际应用一直受限于奇点的探测速度。传统上，基于涡旋光束轨道角动量的旋转多普勒效应是测量动态转速的主流方法，但该方法不仅需要严格的光轴对准，在离轴条件下容易失效，还难以分辨速度方向，无法应对复杂运动场景，因而应用受限。
传统旋转多普勒传感依赖于复合涡旋光场的干涉测量。在本研究中，团队在传统旋转传感框架的基础上，提出了一个根本性的思路转变：通过解读复合涡旋探针中奇点的动力学效应，利用奇点的运动轨迹来解码旋转频移。这一转变将奇点精密测量从静态的位置测量，成功推广至动态的旋转测量(图1a)，从而构建了一种新型的光学奇点量角器。
在奇点传感与信息处理中，如何精准、快速地感知并追踪相位奇点的动态演化，一直是制约其走向动态应用的关键。受生物视觉系统启发，团队创新性地采用神经形态事件传感器来记录奇点的动态演化轨迹。这种事件相机的工作机制与传统相机有本质不同：它不像传统相机那样逐帧记录所有亮度信息，而是仅异步响应光强对数梯度的变化，从而对动态物体的运动轨迹输出稀疏的事件信号(图1b)。这种基于对数梯度的事件驱动机制，与奇点周围光强梯度极大、而其本身光强为零的特性完美匹配。因此，利用事件机制，光学奇点量角器(图1c)能够直接、高效地输出奇点位置的变化及其运动方向，最终实现对旋转速度的高性能探测。
图2.旋转速度的探测与结果: (a)奇点事件数据的三维时空展示(时间切片与空间投影)。(b)从中提取的奇点位置与运动方向的微秒级时间序列。(c)对时间序列进行傅里叶变换，提取出的旋转频移谱。(d)测量得到的旋转速度与预设多普勒频移之间的线性拟合关系。
光学奇点量角器首先获取具有超高带宽与高数据效率的奇点事件点云(图2a)，并基于此事件点云，进一步以微秒级的时间分辨率，重构出奇点位置矢量与运动方向矢量的时间演化序列(图2b)，从而最终精准提取出光场的旋转频移(图2c)。研究团队在多种复杂场景下验证了系统的鲁棒性，包括宽范围多转速测量(图2d)、离轴旋转(图3a)，以及非线性变速与转向运动(图3b)。该系统展现出超越传统方法的显著优势：(1)无需光轴对准的转动测量——只要捕获奇点运动的事件点云，即可直接解算出旋转中心和奇点的运动速度;(2)转速测量的高精度——事件驱动检测机制的高精度和数据稀疏性，保证了傅里叶频谱分析和转速解析的高信噪比。
图3.特殊旋转场景下的性能验证:(a)离轴旋转条件下的频移提取结果。(b)对非线性变速及旋转方向的同步辨识
该研究为在动态场景下利用拓扑结构光进行高精度计量开辟了新途径，有助于构建新型的基于奇点的神经形态光学系统，在半导体量检测、高效计算成像、紧凑型遥感等领域有重要的应用前景。
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