基于超構(gòu)透鏡的單層圖像處理器

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院、巴黎第十大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)提出可直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行頻域調(diào)制的超構(gòu)透鏡，突破了現(xiàn)有全光運(yùn)算系統(tǒng)在器件集成度和算法多樣性方面的限制。研究成果以《基于超構(gòu)透鏡的單層圖像處理器》（Single-layer spatial analog meta-processor for imaging processing）為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

隨著云時(shí)代的到來(lái)，對(duì)算力的需求每三個(gè)半月翻一番，遠(yuǎn)超摩爾定律所預(yù)測(cè)的算力供給量，現(xiàn)有的馮•諾依曼架構(gòu)和哈佛架構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)存在運(yùn)算速度、功耗以及算力瓶頸等問(wèn)題。光學(xué)計(jì)算天然具有并行計(jì)算、光速傳播、抗電磁干擾、任意疊加等特性，是解決當(dāng)前算力和功耗問(wèn)題極具潛力的途徑之一，如何利用新型光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息高速處理已成為重要的研究方向。

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示意圖

本研究創(chuàng)新性地提出基于單層超構(gòu)透鏡的模擬信號(hào)處理器，通過(guò)引入特定的相位因子，構(gòu)建輸入圖像與超構(gòu)透鏡頻域函數(shù)的卷積運(yùn)算，在不需要傅里葉變換器件的前提下，對(duì)輸入圖像直接進(jìn)行空間頻域的調(diào)制，成功將4f傅里葉光學(xué)系統(tǒng)尺寸壓縮至2f空間范圍，并且設(shè)計(jì)了差分和互相關(guān)運(yùn)算超構(gòu)透鏡分別實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)邊緣檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別。超構(gòu)透鏡在亞波長(zhǎng)尺度范圍內(nèi)的波前幅相完全調(diào)控性能為實(shí)時(shí)高通量并行計(jì)算提供了可行性，其高調(diào)控自由度保證了算法多樣性，相位因子的引入克服了現(xiàn)有傅里葉光學(xué)系統(tǒng)的尺寸限制。團(tuán)隊(duì)所提出的緊湊型全光運(yùn)算系統(tǒng)可兼顧運(yùn)行速度、計(jì)算通量、器件集成度以及應(yīng)用范圍等性能，顯示出強(qiáng)大的信息處理能力，為光學(xué)計(jì)算、新型顯微成像系統(tǒng)等領(lǐng)域提供新的契機(jī)。

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圖像邊緣檢測(cè) (a)x方向單邊緣檢測(cè)；(b)y方向單邊緣檢測(cè)； (c)頂點(diǎn)檢測(cè)；(d)四邊形雙邊緣檢測(cè)； (e)五邊形雙邊緣檢測(cè)；(f)六邊形雙邊緣檢測(cè)。

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序列信號(hào)識(shí)別

該研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目的資助。哈工大為論文第一單位。哈工大王卓超博士、新加坡國(guó)立大學(xué)胡光維博士以及我校博士研究生王新偉為共同第一作者。通訊作者為哈工大丁旭旻副教授、張狂教授、李浩宇教授，巴黎第十大學(xué)沙阿·納瓦茲·布魯庫(kù)爾（Shah Nawaz Burokur）教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授。同時(shí)該工作獲得哈工大吳群教授、劉儉教授、譚久彬院士的指導(dǎo)和大力支持。