近日，光子芯片院研究人員Elena Goi博士以第一作者身份在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表了最新研究成果“基于CMOS芯片上人工智能全息納米結(jié)構(gòu)的澤爾尼克光瞳函數(shù)直接提取”( holographic nanostructures on CMOS chips for direct retrieval of Zernike-based pupil functions），首次實(shí)現(xiàn)集成在單個(gè)緊湊光電傳感元件中的光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接提取任意光瞳相位的實(shí)驗(yàn)演示。論文的通訊作者為光子芯片研究院院長顧敏院士、Elena Goi博士，上海理工大學(xué)為第一單位。顧敏院士指出，該突破有望在精準(zhǔn)醫(yī)療中得到應(yīng)用。
獲取光波陣面的相位信息一直是成像系統(tǒng)的核心問題：一方面，這種相位信息可用于相位對比成像,進(jìn)行生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中近透明標(biāo)本的表征，推進(jìn)了活細(xì)胞監(jiān)測和組織成像的重大進(jìn)展。另一方面，光波前不必要的畸變導(dǎo)致了從顯微鏡到望遠(yuǎn)鏡的任何規(guī)模成像系統(tǒng)的有限性能，如果知曉波前相位信息，可以對它們進(jìn)行校正。波前的相位分布可以用澤爾尼克多項(xiàng)式來描述，該多項(xiàng)式由Frits Zernike(1953年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者)在1934年首次提出，用于描述相對比顯微鏡中的衍射波前。而目前的相位提取方案依賴于復(fù)雜的數(shù)字算法來處理從精確的波前傳感器獲得的數(shù)據(jù)，使得重建光學(xué)相位信息數(shù)字處理需要消耗大量的能源。
對此，Elena Goi博士研究提出了一種基于打印在成像傳感器上的多層衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DN2)的緊湊光電系統(tǒng)，能夠直接從入射點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)中提取復(fù)雜的光瞳相位，而無需進(jìn)行消耗能源的數(shù)字后處理。Elena Goi博士說：“通過與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 成像傳感器的集成，這款集成衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ID2N2）有可能成為新一代緊湊型光電波前傳感器，它可以比傳統(tǒng)的數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更快、更有效和更健壯地執(zhí)行對光學(xué)域原生信息的推斷任務(wù)。集成衍射深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將復(fù)雜的輸入光束映射到表示輸入光束光瞳相位的二維強(qiáng)度圖的能力，對自適應(yīng)光學(xué)、數(shù)據(jù)處理和傳感的像差校正具有變革性影響，并且可能對穩(wěn)健地開發(fā)具有低計(jì)算復(fù)雜性和內(nèi)存占用的定量相位成像方法至關(guān)重要?！?/span>
此項(xiàng)研究得到了上海市自然科學(xué)基金(21ZR1443400)、上海市啟明星計(jì)劃(21QA1403600)和上海市科委(批準(zhǔn)號21DZ1100500)、上海市前沿基地(2021-2025 No.20)等項(xiàng)目的支持。
成果演示圖
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35349-4
供稿：光子芯片研究院
