北理工團(tuán)隊(duì)在全光智能光譜重構(gòu)領(lǐng)域取得新突破
發(fā)布日期：2024-07-11 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院許廷發(fā)教授科研團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)林星助理教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新型全光學(xué)智能光譜儀（Opto-Intelligence Spectrometer, OIS）。該設(shè)備基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了空間相干或空間非相干光源下的精準(zhǔn)光譜重構(gòu),，并具有低能耗和光速處理的顯著優(yōu)勢(shì)。相關(guān)成果已以“Opto-intelligence Spectrometer Using Diffractive Neural Networks”為題發(fā)表在國(guó)際頂尖光學(xué)期刊《Nanophotonics》上（中科大類(lèi)1區(qū),，Top期刊）,。《Nanophotonics》由德國(guó)Walter de Gruyter出版社發(fā)行,，聚焦于探索光與物質(zhì)的相互作用及其基本原理和應(yīng)用等前沿進(jìn)展,。該論文的第一作者為北京理工大學(xué)碩士研究生王澤和清華大學(xué)博士后陳航，通訊作者為李佳男副研究員,、許廷發(fā)教授和林星助理教授,。
所開(kāi)發(fā)的新型全光學(xué)智能光譜儀（OIS）通過(guò)將輸入光源的光譜幅度轉(zhuǎn)化為輸出平面上的探測(cè)強(qiáng)度，利用多個(gè)探測(cè)器對(duì)不同光譜帶的強(qiáng)度進(jìn)行精準(zhǔn)感知,。通過(guò)建立輸入與輸出之間的映射關(guān)系,，并采用兩種均方誤差（MSE）損失函數(shù)優(yōu)化調(diào)制層的相位分布，實(shí)現(xiàn)了高對(duì)比度的輸出強(qiáng)度分布和對(duì)輸入光源光譜的準(zhǔn)確重構(gòu),。原理如圖1所示,。
圖1. 基于衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全光學(xué)智能光譜儀架構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，OIS在空間相干和空間非相干光源下,，均展示了卓越的光譜重構(gòu)能力（見(jiàn)圖2）。此外,，該設(shè)備在真實(shí)世界數(shù)據(jù)集CAVE上的應(yīng)用測(cè)試表明,，其具備良好的泛化能力和實(shí)際應(yīng)用潛力（見(jiàn)圖3）。
圖2. OIS光譜重構(gòu)結(jié)果,，光譜分辨率10nm,。左圖：隨機(jī)生成的光譜幅度分布及光譜重構(gòu)結(jié)果,。右圖：輸出平面的強(qiáng)度分布。
圖3. OIS在真實(shí)世界數(shù)據(jù)集CAVE上的光譜重構(gòu)結(jié)果,，光譜分辨率10nm,。
該研究攻克了傳統(tǒng)光譜重建架構(gòu)的長(zhǎng)期難題，如體積龐大的光學(xué)組件,、程序復(fù)雜的電子重建算法和有限的靈活性,，可以作為陣列化布局的基本單元，為全光速,、高質(zhì)量的光譜成像奠定了基礎(chǔ),。
論文詳情：Wang, Z., Chen, H., Li, J., Xu, T., Zhao, Z., Duan, Z., Gao, S. & Lin, X. (2024). Opto-intelligence spectrometer using diffractive neural networks. Nanophotonics. doi: 10.1515/nanoph-2024-0233.
論文鏈接：https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2024-0233/html
附論文作者簡(jiǎn)介：
王澤，在讀碩士研究生,。主要從事光計(jì)算,、光電成像目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別等方面的研究。2019年獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金,，2019及2020連續(xù)兩年獲得“北京理工大學(xué)優(yōu)秀學(xué)生”,，獲得第十二屆全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)競(jìng)賽(非數(shù)學(xué)類(lèi))二等獎(jiǎng)，2022及2023連續(xù)兩年獲得北京理工大學(xué)特等獎(jiǎng)學(xué)金,。
李佳男,，博士，北京理工大學(xué)光電學(xué)院預(yù)聘助理教授（特別副研究員）,，博士研究生導(dǎo)師,。主要從事光電成像探測(cè)與感知方面研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目7項(xiàng),。以第一作者發(fā)表論文17篇,，包括IEEE TPAMI 4篇，ESI高被引論文1篇,；以通訊作者發(fā)表論文50余篇,；谷歌學(xué)術(shù)總引4600余次。入選中國(guó)科協(xié),、北京市科協(xié)“青年人才托舉工程”,，獲得中國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文，王大珩光學(xué)獎(jiǎng)等榮譽(yù),。指導(dǎo)學(xué)生獲得 ICCV 2021“反無(wú)人機(jī)跟蹤”挑戰(zhàn)賽全球冠軍及最佳論文獎(jiǎng),、“校企合作 雙百計(jì)劃”典型案例等。研究成果在“中國(guó)天眼”等國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中得到重要應(yīng)用,。
許廷發(fā),，博士，國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科“光學(xué)工程”學(xué)科責(zé)任教授，博士研究生導(dǎo)師,。光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,，北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心智能化和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任。近年來(lái)帶領(lǐng)其科研團(tuán)隊(duì)圍繞光電成像探測(cè)與識(shí)別,、計(jì)算成像和人工智能等領(lǐng)域不斷深化研究,。主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目等50多項(xiàng)。在國(guó)際,、國(guó)內(nèi)等系列期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文190余篇,，其中被SCI/EI收錄100余篇。以第一發(fā)明人申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利87項(xiàng),，已授權(quán)和公示35項(xiàng),。獲省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)3項(xiàng),。指導(dǎo)研究生獲得中國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士學(xué)位論文,，二人次獲得王大珩高校學(xué)生光學(xué)獎(jiǎng)，二人次獲得全國(guó)光學(xué)與光學(xué)工程博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽全國(guó)百?gòu)?qiáng),，獲得中國(guó)高等教育博覽會(huì)“校企合作 雙百計(jì)劃”典型案例和重慶英才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示范團(tuán)隊(duì)等榮譽(yù)稱號(hào),。
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