Simultaneous capture of various light information, including polarization and edge information of the objects, has consistently been a fundamental concern within the field of target recognition. However, these tasks are typically accompanied by bulky optical components and active illumination methods, which significantly restricts their use in compact and lightweight applications. Here, we demonstrate a metalens-assisted imaging system that can simultaneously achieve polarization imaging and optoelectronic edge detection in a single shot with low consumption. The dielectric metalens is designed to achieve polarization imaging by dispersing the input polarized light into two orthogonal components, resulting in optoelectronic isotropic edge detection of two-dimensional images after digital post-processing. Compared with the algorithmic methods using a convolution kernel, the proposed system has a much lower computational complexity. The work presented in this study demonstrates the potential applications in machine vision and paves the way for the development of compact target recognition and real-time image processing systems.

1.
F.
Aldhubaib
and
N. V.
Shuley
,
IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst.
46
(
4
),
1921
(
2010
).
2.
Y.
Han
and
G.
Li
,
Opt. Express
13
(
19
),
7527
(
2005
).
3.
W.-P.
Chan
,
R.
Rabideau Childers
,
S.
Ashe
,
C.-C.
Tsai
,
C.
Elson
,
K. J.
Keleher
,
R. L. H.
Sipe
,
C. A.
Maier
,
A.
Sourakov
,
L. F.
Gall
,
G. D.
Bernard
,
E. R.
Soucy
,
N.
Yu
, and
N. E.
Pierce
,
Commun. Biol.
5
(
1
),
1318
(
2022
).
4.
A. K.
Schweiger
and
E.
Laliberté
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
2767
(
2022
).
5.
I.
Liodakis
,
A. P.
Marscher
,
I.
Agudo
,
A. V.
Berdyugin
,
M. I.
Bernardos
,
G.
Bonnoli
,
G. A.
Borman
,
C.
Casadio
,
V. C.
Casanova
,
E.
Cavazzuti
,
N.
Rodriguez Cavero
,
L.
Di Gesu
,
N.
Di Lalla
,
I.
Donnarumma
,
S. R.
Ehlert
,
M.
Errando
,
J.
Escudero
,
M.
García-Comas
,
B.
Agís-González
,
C.
Husillos
,
J.
Jormanainen
,
S. G.
Jorstad
,
M.
Kagitani
,
E. N.
Kopatskaya
,
V.
Kravtsov
,
H.
Krawczynski
,
E.
Lindfors
,
E. G.
Larionova
,
G. M.
Madejski
,
F.
Marin
,
A.
Marchini
,
H. L.
Marshall
,
D. A.
Morozova
,
F.
Massaro
,
J. R.
Masiero
,
D.
Mawet
,
R.
Middei
,
M. A.
Millar-Blanchaer
,
I.
Myserlis
,
M.
Negro
,
K.
Nilsson
,
S. L.
O'Dell
,
N.
Omodei
,
L.
Pacciani
,
A.
Paggi
,
G. V.
Panopoulou
,
A. L.
Peirson
,
M.
Perri
,
P.-O.
Petrucci
,
J.
Poutanen
,
S.
Puccetti
,
R. W.
Romani
,
T.
Sakanoi
,
S. S.
Savchenko
,
A.
Sota
,
F.
Tavecchio
,
S.
Tinyanont
,
A. A.
Vasilyev
,
Z. R.
Weaver
,
A. V.
Zhovtan
,
L. A.
Antonelli
,
M.
Bachetti
,
L.
Baldini
,
W. H.
Baumgartner
,
R.
Bellazzini
,
S.
Bianchi
,
S. D.
Bongiorno
,
R.
Bonino
,
A.
Brez
,
N.
Bucciantini
,
F.
Capitanio
,
S.
Castellano
,
S.
Ciprini
,
E.
Costa
,
A.
De Rosa
,
E.
Del Monte
,
A.
Di Marco
,
V.
Doroshenko
,
M.
Dovčiak
,
T.
Enoto
,
Y.
Evangelista
,
S.
Fabiani
,
R.
Ferrazzoli
,
J. A.
Garcia
,
S.
Gunji
,
K.
Hayashida
,
J.
Heyl
,
W.
Iwakiri
,
V.
Karas
,
T.
Kitaguchi
,
J. J.
Kolodziejczak
,
F.
La Monaca
,
L.
Latronico
,
S.
Maldera
,
A.
Manfreda
,
A.
Marinucci
,
G.
Matt
,
I.
Mitsuishi
,
T.
Mizuno
,
F.
Muleri
,
S. C. Y.
Ng
,
C.
Oppedisano
,
A.
Papitto
,
G. G.
Pavlov
,
M.
Pesce-Rollins
,
M.
Pilia
,
A.
Possenti
,
B. D.
Ramsey
,
J.
Rankin
,
A.
Ratheesh
,
C.
Sgró
,
P.
Slane
,
P.
Soffitta
,
G.
Spandre
,
T.
Tamagawa
,
R.
Taverna
,
Y.
Tawara
,
A. F.
Tennant
,
N. E.
Thomas
,
F.
Tombesi
,
A.
Trois
,
S.
Tsygankov
,
R.
Turolla
,
J.
Vink
,
M. C.
Weisskopf
,
K.
Wu
,
F.
Xie
, and
S.
Zane
,
Nature
611
(
7937
),
677
(
2022
).
6.
P. A.
Williams
,
Appl. Opt.
38
(
31
),
6508
(
1999
).
7.
M.
Jung
,
S.
Dutta-Gupta
,
N.
Dabidian
,
I.
Brener
,
M.
Shcherbakov
, and
G.
Shvets
,
ACS Photonics
5
(
11
),
4283
(
2018
).
8.
C.
Ma
,
S.
Yuan
,
P.
Cheung
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
F.
Zhang
, and
F.
Xia
,
Nature
604
(
7905
),
266
(
2022
).
9.
J. L.
Pezzaniti
and
D. B.
Chenault
, in
The Polarization Science and Remote Sensing II
(
2005
).
10.
X.
Jing
,
R.
Zhao
,
X.
Li
,
Q.
Jiang
,
C.
Li
,
G.
Geng
,
J.
Li
,
Y.
Wang
, and
L.
Huang
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
7842
(
2022
).
11.
Y.
Ni
,
C.
Chen
,
S.
Wen
,
X.
Xue
,
L.
Sun
, and
Y.
Yang
,
eLight
2
(
1
),
23
(
2022
).
12.
W. T.
Chen
,
A. Y.
Zhu
,
J.
Sisler
,
Z.
Bharwani
, and
F.
Capasso
,
Nat. Commun.
10
(
1
),
355
(
2019
).
13.
R.
Zhao
,
B.
Sain
,
Q.
Wei
,
C.
Tang
,
X.
Li
,
T.
Weiss
,
L.
Huang
,
Y.
Wang
, and
T.
Zentgraf
,
Light. Sci. Appl.
7
(
1
),
95
(
2018
).
14.
C.
Jin
,
M.
Afsharnia
,
R.
Berlich
,
S.
Fasold
,
C.
Zou
,
D.
Arslan
,
I.
Staude
,
T.
Pertsch
, and
F.
Setzpfandt
,
Adv. Photonics
1
(
3
),
036001
(
2019
).
15.
C.
Jin
,
J.
Zhang
, and
C.
Guo
,
Nanophotonics
8
(
3
),
451
(
2019
).
16.
S.
Yang
,
Q.
Wei
,
R.
Zhao
,
X.
Li
,
X.
Zhang
,
Y.
Li
,
J.
Li
,
X.
Jing
,
X.
Li
, and
Y.
Wang
,
Nanophotonics
12
(
16
),
3385
(
2023
).
17.
H.
Ren
,
X.
Fang
,
J.
Jang
,
J.
Bürger
,
J.
Rho
, and
S. A.
Maier
,
Nat. Nanotechnol.
15
(
11
),
948
(
2020
).
18.
T.
Badloe
,
S.
Lee
, and
J.
Rho
,
Adv. Photonics
4
(
6
),
064002
(
2022
).
19.
E.
Arbabi
,
S. M.
Kamali
,
A.
Arbabi
, and
A.
Faraon
,
ACS Photonics
5
(
8
),
3132
(
2018
).
20.
Z.
Yang
,
Z.
Wang
,
Y.
Wang
,
X.
Feng
,
M.
Zhao
,
Z.
Wan
,
L.
Zhu
,
J.
Liu
,
Y.
Huang
, and
J.
Xia
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
4607
(
2018
).
21.
Z.
Shen
,
F.
Zhao
,
C.
Jin
,
S.
Wang
,
L.
Cao
, and
Y.
Yang
,
Nat. Commun.
14
(
1
),
1035
(
2023
).
22.
F.
Zhao
,
R.
Lu
,
X.
Chen
,
C.
Jin
,
S.
Chen
,
Z.
Shen
,
C.
Zhang
, and
Y.
Yang
,
Laser Photonics Rev.
15
(
8
),
2100097
(
2021
).
23.
M. G.
Gustafsson
,
J. Microsc.
198
(
2
),
82
(
2000
).
24.
M. A.
Neil
,
R.
Juškaitis
, and
T.
Wilson
,
Opt. Lett.
22
(
24
),
1905
(
1997
).
25.
Y.
Zhou
,
H.
Zheng
,
I. I.
Kravchenko
, and
J.
Valentine
,
Nat. Photonics
14
(
5
),
316
(
2020
).
26.
K.
Simonyan
and
A.
Zisserman
, arXiv:1409.1556 (
2014
).
You do not currently have access to this content.