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中科微星

2025-02-10 09:26

基于超快卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無記憶散射成像

空間光調(diào)制器是一種可以在外部信號的控制下實(shí)時(shí)對入射光的振幅、相位及偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制的動態(tài)元器件。將空間光調(diào)制器應(yīng)用在散射成像領(lǐng)域，既可以用來替代傳統(tǒng)的毛玻璃來產(chǎn)生贗熱光場，也可以用做目標(biāo)物體進(jìn)行散射成像的研究，空間光調(diào)制器的應(yīng)用，對散射光場調(diào)控實(shí)現(xiàn)了主動性和可操作性。

論文信息

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光學(xué)記憶效應(yīng)在復(fù)雜散射介質(zhì)中，包括渾濁組織和斑點(diǎn)層，一直是宏觀和微觀成像方法的關(guān)鍵基礎(chǔ)。然而，在沒有光學(xué)記憶效應(yīng)的強(qiáng)散射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)圖像重建尚未成功。為此，本文通過開發(fā)一種多級卷積光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN），該網(wǎng)絡(luò)集成了多個(gè)以光速運(yùn)行的并行核，展示了在無光學(xué)記憶效應(yīng)的散射層中進(jìn)行圖像重建的能力。基于傅里葉光學(xué)、并行、一步卷積ONN訓(xùn)練，直接提取特征，實(shí)現(xiàn)了無記憶圖像重建，視場擴(kuò)大了高達(dá)271倍。該設(shè)備可動態(tài)重新配置，用于超快多任務(wù)圖像重建，計(jì)算能力達(dá)到每秒1.57peta操作（POPS），成功建立了一個(gè)超快速且高效的圖形處理光學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)平臺。

部分實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

卷積ONN的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中使用反射式強(qiáng)度型調(diào)制器SLM0（我司型號FSLM-HD70-A/P，像素大小8μm，1920×1080）來生成卷積ONN的可編程像素級輸入。然后，由SLM0調(diào)制的光場通過一個(gè)4f系統(tǒng)被傳遞到卷積ONN的輸入平面上。4f系統(tǒng)由兩個(gè)焦距分別為100 mm（L1）和50 mm（L2）的鏡頭組成，用于為編碼成SLM0的物體提供0.5倍的放大倍數(shù)。然后，將輸入平面發(fā)送到三層卷積ONN中進(jìn)行進(jìn)一步處理。卷積ONN由三個(gè)相位型調(diào)制器SLMs（我司型號FSLM-4K70-P02）組成，相位型SLMs有4094×2400像素，像素大小為3.74μm×3.74μm。第一個(gè)卷積層被編碼為SLM1，輸入平面與SLM1之間的距離為10cm。經(jīng)過SLM1調(diào)制后，光束通過分束器BS2和BS3的反射傳輸?shù)絊LM2。第二個(gè)卷積層被編碼成SLM2，以及SLM1和SLM2是20cm。然后，將由SLM2調(diào)制的光束傳輸?shù)絊LM3。第三個(gè)全連接層被編碼到SLM3中，SLM2與SLM3之間的距離為10 cm。由SLM3調(diào)制的光束通過分束器BS4的反射傳播到卷積ONN的輸出平面上，SLM3與輸出平面之間的距離為20cm。采集相機(jī)（像素大小4.8μm，1280×1024）放置在卷積ONN的輸出平面上，記錄推理結(jié)果。需要注意的是，卷積ONN的不同層之間的不對齊會顯著降低其性能。
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圖1 三層卷積網(wǎng)絡(luò)ONN的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(A)卷積ONN的每一層的參數(shù)和坐標(biāo)。(B)卷積ONN的實(shí)驗(yàn)裝置。M，反射鏡；POL，線性偏振器；BS，分束器；L，透鏡；SLM，空間光調(diào)制器。