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近日，北京理工大學光電學院許廷發教授科研團隊與清華大學林星助理教授團隊聯合開發了一種新型全光學智能光譜儀（Opto-Intelligence Spectrometer, OIS）。該設備基于衍射神經網絡技術，實現了空間相干或空間非相干光源下的精準光譜重構，并具有低能耗和光速處理的顯著優勢。相關成果已以“Opto-intelligence Spectrometer Using Diffractive Neural Networks”為題發表在國際頂尖光學期刊《Nanophotonics》上（中科大類1區，Top期刊）?！禢anophotonics》由德國Walter de Gruyter出版社發行，聚焦于探索光與物質的相互作用及其基本原理和應用等前沿進展。該論文的第一作者為北京理工大學碩士研究生王澤和清華大學博士后陳航，通訊作者為李佳男副研究員、許廷發教授和林星助理教授。

所開發的新型全光學智能光譜儀（OIS）通過將輸入光源的光譜幅度轉化為輸出平面上的探測強度，利用多個探測器對不同光譜帶的強度進行精準感知。通過建立輸入與輸出之間的映射關系，并采用兩種均方誤差（MSE）損失函數優化調制層的相位分布，實現了高對比度的輸出強度分布和對輸入光源光譜的準確重構。原理如圖1所示。  

圖1. 基于衍射神經網絡的全光學智能光譜儀架構。

實驗結果表明，OIS在空間相干和空間非相干光源下，均展示了卓越的光譜重構能力（見圖2）。此外，該設備在真實世界數據集CAVE上的應用測試表明，其具備良好的泛化能力和實際應用潛力（見圖3）。

圖2. OIS光譜重構結果，光譜分辨率10nm。左圖：隨機生成的光譜幅度分布及光譜重構結果。右圖：輸出平面的強度分布。

圖3. OIS在真實世界數據集CAVE上的光譜重構結果，光譜分辨率10nm。

該研究攻克了傳統光譜重建架構的長期難題，如體積龐大的光學組件、程序復雜的電子重建算法和有限的靈活性，可以作為陣列化布局的基本單元，為全光速、高質量的光譜成像奠定了基礎。

論文詳情：Wang, Z., Chen, H., Li, J., Xu, T., Zhao, Z., Duan, Z., Gao, S. & Lin, X. (2024). Opto-intelligence spectrometer using diffractive neural networks. Nanophotonics. doi: 10.1515/nanoph-2024-0233.

論文鏈接：https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2024-0233/html

附論文作者簡介：

王澤，在讀碩士研究生。主要從事光計算、光電成像目標探測與識別等方面的研究。2019年獲得國家獎學金，2019及2020連續兩年獲得“北京理工大學優秀學生”，獲得第十二屆全國大學生數學競賽(非數學類)二等獎，2022及2023連續兩年獲得北京理工大學特等獎學金。

李佳男，博士，北京理工大學光電學院預聘助理教授（特別副研究員），博士研究生導師。主要從事光電成像探測與感知方面研究，主持國家自然科學基金等項目7項。以第一作者發表論文17篇，包括IEEE TPAMI 4篇，ESI高被引論文1篇；以通訊作者發表論文50余篇；谷歌學術總引4600余次。入選中國科協、北京市科協“青年人才托舉工程”，獲得中國圖象圖形學學會優秀博士學位論文，王大珩光學獎等榮譽。指導學生獲得 ICCV 2021“反無人機跟蹤”挑戰賽全球冠軍及最佳論文獎、“校企合作 雙百計劃”典型案例等。研究成果在“中國天眼”等國家重大科技基礎設施中得到重要應用。

許廷發，博士，國家一級重點學科“光學工程”學科責任教授，博士研究生導師。光電成像技術與系統教育部重點實驗室主任，北京理工大學重慶創新中心智能化和大數據技術實驗室主任。近年來帶領其科研團隊圍繞光電成像探測與識別、計算成像和人工智能等領域不斷深化研究。主持承擔國家自然科學基金委重大科研儀器研制項目等50多項。在國際、國內等系列期刊發表學術論文190余篇，其中被SCI/EI收錄100余篇。以第一發明人申請國家發明專利87項，已授權和公示35項。獲省部級科技進步二等獎等獎項3項。指導研究生獲得中國圖象圖形學學會優秀博士學位論文，二人次獲得王大珩高校學生光學獎，二人次獲得全國光學與光學工程博士生學術聯賽全國百強，獲得中國高等教育博覽會“校企合作 雙百計劃”典型案例和重慶英才創新創業示范團隊等榮譽稱號。