哈工大在光學(xué)計算研究中取得重要突破

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院丁衛(wèi)強(qiáng)教授團(tuán)隊在光計算研究中取得重要突破，相關(guān)成果以《部分相干衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》(Partially Coherent Diffractive Optical Neural Network)為題發(fā)表在《光學(xué)》（Optica）上。研究團(tuán)隊將光場的空間相干性引入到衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，突破了現(xiàn)有衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)僅能工作在相干光環(huán)境的局限，對衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在真實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用具有重要價值。

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實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

作為光學(xué)計算的重要實(shí)現(xiàn)方式，衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近年來在圖像處理、目標(biāo)識別等領(lǐng)域取得了顯著成果。然而，目前絕大多數(shù)衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作條件依賴于高度相干的光源（如激光），這在非相干光源環(huán)境下限制了其實(shí)際應(yīng)用的拓展。針對這一問題，丁衛(wèi)強(qiáng)教授團(tuán)隊從光的空間相干性維度出發(fā)，創(chuàng)新性地在衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中引入了與空間相干性相關(guān)的參數(shù)，提出了一種適用于任意空間相干性光源的訓(xùn)練算法。這一方法突破了傳統(tǒng)訓(xùn)練算法僅適用于相干光的局限性，使得衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在部分相干乃至非相干光源條件下進(jìn)行有效訓(xùn)練。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在測試光源相干性變化時，與相干光源下訓(xùn)練的衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，部分相干光下訓(xùn)練的衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出了更高的穩(wěn)健性。例如，在對手寫數(shù)字的識別任務(wù)中，部分相干條件下訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)識別準(zhǔn)確率始終保持在82%以上，而相干光條件下訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率則下降至26%。這一成果不僅顯著提升了衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在低相干性乃至非相干性環(huán)境下的適用性，同時也為衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論研究提供了新的視角。

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不同相干性光源下衍射光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果

哈工大為論文第一署名單位，物理學(xué)院賈琦助理研究員為論文第一作者，物理學(xué)院丁衛(wèi)強(qiáng)教授、王健教授，新加坡國立大學(xué)仇成偉教授，上海理工大學(xué)顧敏院士為論文共同通訊作者。

該研究獲國家自然科學(xué)基金以及黑龍江省杰出青年基金項目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.531919