具有部分相干照明的單向衍射成像儀概念圖

來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的一個(gè)研究小組公布了光學(xué)成像技術(shù)的一項(xiàng)新進(jìn)展，該技術(shù)可顯著增強(qiáng)視覺(jué)信息處理和通信系統(tǒng)。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)光子學(xué)》(Advanced Photonics Nexus)雜志上。

新系統(tǒng)以部分相干單向成像為基礎(chǔ)，提供了一種緊湊、高效的解決方案，可在一個(gè)方向上傳輸視覺(jué)數(shù)據(jù)，同時(shí)阻止相反方向的傳輸。

這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)由 Aydogan Ozcan 教授及其跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)，旨在有選擇地在一個(gè)方向(從視場(chǎng) A 到視場(chǎng) B)傳輸高質(zhì)量圖像，同時(shí)故意扭曲從反方向(從 B 到 A)觀看的圖像。

這種非對(duì)稱圖像傳輸可能會(huì)對(duì)隱私保護(hù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和光通信等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛影響，為管理視覺(jué)光學(xué)信息的處理和傳輸方式提供新的功能。

部分相干光下的單向成像

新系統(tǒng)解決了光學(xué)工程中的一個(gè)難題：如何控制光傳輸，使一個(gè)方向的成像清晰，而反方向的成像受阻。

以前的單向波傳輸解決方案通常依賴于復(fù)雜的方法，如時(shí)間調(diào)制、非線性材料或在全相干照明下的高功率光束，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

相比之下，UCLA 的這項(xiàng)創(chuàng)新利用部分相干光，在正向(A 到 B)實(shí)現(xiàn)了高圖像質(zhì)量和高能效，而在反向(B 到 A)則有意引入了失真并降低了能效。

Ozcan 博士解釋說(shuō)：“我們?cè)O(shè)計(jì)了一組空間優(yōu)化衍射層，以促進(jìn)這種非對(duì)稱傳輸?shù)姆绞脚c部分相干光相互作用。這一系統(tǒng)可以與 LED 等普通照明光源高效配合，因此可以適用于各種實(shí)際應(yīng)用"。

利用深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)光學(xué)設(shè)計(jì)

這項(xiàng)研發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵方面是利用深度學(xué)習(xí)對(duì)構(gòu)成單向成像系統(tǒng)的衍射層進(jìn)行物理設(shè)計(jì)。加州大學(xué)洛杉磯分校團(tuán)隊(duì)針對(duì)相位相關(guān)長(zhǎng)度大于光波長(zhǎng) 1.5 倍的部分相干光對(duì)這些衍射層進(jìn)行了優(yōu)化。

這種細(xì)致的優(yōu)化確保了該系統(tǒng)即使在光源具有不同相干特性的情況下也能提供可靠的單向圖像傳輸。每個(gè)成像儀結(jié)構(gòu)緊湊，軸向跨度小于 75 個(gè)波長(zhǎng)，采用偏振無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的深度學(xué)習(xí)算法有助于確保系統(tǒng)在正向保持高衍射效率的同時(shí)，抑制反向圖像的形成。

研究人員證明，他們的系統(tǒng)在不同的圖像數(shù)據(jù)集和照明條件下表現(xiàn)一致，顯示出對(duì)光線相干特性變化的適應(yīng)能力。Ozcan博士說(shuō)：“我們的系統(tǒng)能夠跨越不同類型的輸入圖像和光線特性，這是它令人興奮的特點(diǎn)之一。”

展望未來(lái)，研究人員計(jì)劃將單向成像儀擴(kuò)展到光譜的不同部分，包括紅外線和可見(jiàn)光范圍，并探索各種照明光源。

這些進(jìn)步可能會(huì)推動(dòng)成像和傳感技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)啟新的應(yīng)用和創(chuàng)新。例如，在隱私保護(hù)方面，該技術(shù)可用于防止敏感信息從非預(yù)期角度被看到。同樣，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也可以利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)控制向不同觀眾顯示信息的方式。

Ozcan 博士補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)有可能對(duì)控制視覺(jué)信息流至關(guān)重要的多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生影響。它的緊湊設(shè)計(jì)和與廣泛使用的光源的兼容性使其特別有希望集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。”

這項(xiàng)研究由加州大學(xué)洛杉磯分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系和加州納米系統(tǒng)研究所(CNSI)的一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)完成。

審核編輯 黃宇