光學成像新進展：使用部分相干光進行單向成像

來自加州大學洛杉磯分校（UCLA）的一個研究小組公布了光學成像技術的一項新進展，該技術可顯著增強視覺信息處理和通信系統(tǒng)。這項研究成果發(fā)表在《先進光子學》（Advanced Photonics Nexus）雜志上。

新系統(tǒng)以部分相干單向成像為基礎，提供了一種緊湊、高效的解決方案，可在一個方向上傳輸視覺數據，同時阻止相反方向的傳輸。

這項創(chuàng)新技術由 Aydogan Ozcan 教授及其跨學科團隊領導，旨在有選擇地在一個方向（從視場 A 到視場 B）傳輸高質量圖像，同時故意扭曲從反方向（從 B 到 A）觀看的圖像。

這種非對稱圖像傳輸可能會對隱私保護、增強現實和光通信等領域產生廣泛影響，為管理視覺光學信息的處理和傳輸方式提供新的功能。

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具有部分相干照明的單向衍射成像儀概念圖

部分相干光下的單向成像

新系統(tǒng)解決了光學工程中的一個難題：如何控制光傳輸，使一個方向的成像清晰，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雜的方法，如時間調制、非線性材料或在全相干照明下的高功率光束，這限制了它們的實際應用。

相比之下，UCLA 的這項創(chuàng)新利用部分相干光，在正向（A 到 B）實現了高圖像質量和高能效，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：“我們設計了一組空間優(yōu)化衍射層，以促進這種非對稱傳輸的方式與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際應用"。

利用深度學習增強光學設計

這項研發(fā)的一個關鍵方面是利用深度學習對構成單向成像系統(tǒng)的衍射層進行物理設計。加州大學洛杉磯分校團隊針對相位相關長度大于光波長 1.5 倍的部分相干光對這些衍射層進行了優(yōu)化。

這種細致的優(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。每個成像儀結構緊湊，軸向跨度小于 75 個波長，采用偏振無關設計。

設計過程中使用的深度學習算法有助于確保系統(tǒng)在正向保持高衍射效率的同時，抑制反向圖像的形成。

研究人員證明，他們的系統(tǒng)在不同的圖像數據集和照明條件下表現一致，顯示出對光線相干特性變化的適應能力。Ozcan博士說：“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之一�！�

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

這些進步可能會推動成像和傳感技術的發(fā)展，開啟新的應用和創(chuàng)新。例如，在隱私保護方面，該技術可用于防止敏感信息從非預期角度被看到。同樣，增強現實和虛擬現實系統(tǒng)也可以利用這項技術來控制向不同觀眾顯示信息的方式。

Ozcan 博士補充說：“這項技術有可能對控制視覺信息流至關重要的多個領域產生影響。它的緊湊設計和與廣泛使用的光源的兼容性使其特別有希望集成到現有系統(tǒng)中�！�

這項研究由加州大學洛杉磯分校電氣與計算機工程系和加州納米系統(tǒng)研究所（CNSI）的一個跨學科團隊完成。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1117/1.APN.3.6.066008