Die Informationsverarbeitung mit Licht ist ein Thema von immer größerem Interesse bei Optik- und Photonikforschern. Neben der Suche nach einer energieeffizienten und schnellen Alternative zum elektronischen Rechnen für zukünftige Rechenanforderungen wird dieses Interesse auch durch neue Technologien wie autonome Fahrzeuge vorangetrieben, bei denen die ultraschnelle Verarbeitung natürlicher Szenen von größter Bedeutung ist. Da es sich bei natürlichen Lichtverhältnissen meist um räumlich inkohärentes Licht handelt, ist die Verarbeitung visueller Informationen unter inkohärentem Licht für verschiedene Bildgebungs- und Sensoranwendungen von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus sind moderne Mikroskopietechniken für hochauflösende Bildgebung im Mikro- und Nanomaßstab auch auf räumlich inkohärente Prozesse wie die Fluoreszenzlichtemission von Proben angewiesen.
In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungen, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Aydogan Ozcan vom Fachbereich Elektro- und Computertechnik der University of California, Los Angeles (UCLA), USA, Methoden zum Entwurf rein optischer universeller linearer Prozessoren für räumlich inkohärentes Licht entwickelt. Solche Prozessoren umfassen eine Reihe strukturell konstruierter Oberflächen und nutzen die sukzessive Lichtbeugung durch diese strukturierten Oberflächen, um eine gewünschte lineare Transformation des Eingangslichtfelds durchzuführen, ohne externe digitale Rechenleistung zu verwenden.
UCLA-Forscher berichteten über Deep-Learning-basierte Entwurfsmethoden zur Durchführung beliebiger linearer Transformationen unter Verwendung der optischen Intensität von räumlich inkohärentem Licht. Diese diffraktiven optischen Prozessoren können, sobald sie beispielsweise mithilfe von Lithographie- oder 3D-Drucktechniken hergestellt wurden, eine willkürlich ausgewählte lineare Transformation für jedes Eingangslichtintensitätsmuster durchführen und am Ausgang genau das richtige Muster anzeigen, das der erlernten gewünschten Funktion folgt. Die Forscher zeigten außerdem, dass es mit räumlich inkohärentem Breitbandlicht möglich ist, gleichzeitig mehrere lineare Intensitätstransformationen durchzuführen, wobei jeder räumlich inkohärenten Beleuchtungswellenlänge eine eindeutig unterschiedliche Transformation zugewiesen wird.
Diese Erkenntnisse haben weitreichende Auswirkungen auf zahlreiche Bereiche, einschließlich der rein optischen Informationsverarbeitung und der visuellen Datenverarbeitung mit räumlich und zeitlich inkohärentem Licht, wie es in natürlichen Szenen vorkommt. Darüber hinaus birgt dieses Framework ein erhebliches Potenzial für Anwendungen in der Computermikroskopie und inkohärenten Bildgebung mit räumlich variierenden technischen Punktspreizfunktionen (PSFs).
Die Autoren dieser Arbeit sind Md Sadman Sakib Rahman, Xilin Yang, Jingxi Li, Bijie Bai und Aydogan Ozcan von der UCLA Samueli School of Engineering.
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Md Sadman Sakib Rahman et al., Universelle lineare Intensitätstransformationen unter Verwendung räumlich inkohärenter diffraktiver Prozessoren, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01234-y