近日，北京理工大学光电学院许廷发教授科研团队与清华大学林星助理教授团队联合开发了一种新型全光学智能光谱仪(Opto-Intelligence Spectrometer, OIS)。该设备基于衍射神经网络技术，实现了空间相干或空间非相干光源下的精准光谱重构，并具有低能耗和光速处理的显著优势。相关成果已以“Opto-intelligence Spectrometer Using Diffractive Neural Networks”为题发表在国际顶尖光学期刊《Nanophotonics》上(中科大类1区，Top期刊)。《Nanophotonics》由德国Walter de Gruyter出版社发行，聚焦于探索光与物质的相互作用及其基本原理和应用等前沿进展。该论文的第一作者为北京理工大学硕士研究生王泽和清华大学博士后陈航，通讯作者为李佳男副研究员、许廷发教授和林星助理教授。
所开发的新型全光学智能光谱仪(OIS)通过将输入光源的光谱幅度转化为输出平面上的探测强度，利用多个探测器对不同光谱带的强度进行精准感知。通过建立输入与输出之间的映射关系，并采用两种均方误差(MSE)损失函数优化调制层的相位分布，实现了高对比度的输出强度分布和对输入光源光谱的准确重构。原理如图1所示。
图1. 基于衍射神经网络的全光学智能光谱仪架构。
实验结果表明，OIS在空间相干和空间非相干光源下，均展示了卓越的光谱重构能力(见图2)。此外，该设备在真实世界数据集CAVE上的应用测试表明，其具备良好的泛化能力和实际应用潜力(见图3)。
图2. OIS光谱重构结果，光谱分辨率10nm。左图：随机生成的光谱幅度分布及光谱重构结果。右图：输出平面的强度分布。
图3. OIS在真实世界数据集CAVE上的光谱重构结果，光谱分辨率10nm。
该研究攻克了传统光谱重建架构的长期难题，如体积庞大的光学组件、程序复杂的电子重建算法和有限的灵活性，可以作为阵列化布局的基本单元，为全光速、高质量的光谱成像奠定了基础。
论文详情：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.
附论文作者简介：
王泽，在读硕士研究生。主要从事光计算、光电成像目标探测与识别等方面的研究。2019年获得国家奖学金，2019及2020连续两年获得“北京理工大学优秀学生”，获得第十二届全国大学生数学竞赛(非数学类)二等奖，2022及2023连续两年获得北京理工大学特等奖学金。
李佳男，博士，北京理工大学光电学院预聘助理教授(特别副研究员)，博士研究生导师。主要从事光电成像探测与感知方面研究，主持国家自然科学基金等项目7项。以第一作者发表论文17篇，包括IEEE TPAMI 4篇，ESI高被引论文1篇；以通讯作者发表论文50余篇；谷歌学术总引4600余次。入选中国科协、北京市科协“青年人才托举工程”，获得中国图象图形学学会优秀博士学位论文，王大珩光学奖等荣誉。指导学生获得 ICCV 2021“反无人机跟踪”挑战赛全球冠军及最佳论文奖、“校企合作 双百计划”典型案例等。研究成果在“中国天眼”等国家重大科技基础设施中得到重要应用。
许廷发，博士，国家一级重点学科“光学工程”学科责任教授，博士研究生导师。光电成像技术与系统教育部重点实验室主任，北京理工大学重庆创新中心智能化和大数据技术实验室主任。近年来带领其科研团队围绕光电成像探测与识别、计算成像和人工智能等领域不断深化研究。主持承担国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目等50多项。在国际、国内等系列期刊发表学术论文190余篇，其中被SCI/EI收录100余篇。以第一发明人申请国家发明专利87项，已授权和公示35项。获省部级科技进步二等奖等奖项3项。指导研究生获得中国图象图形学学会优秀博士学位论文，二人次获得王大珩高校学生光学奖，二人次获得全国光学与光学工程博士生学术联赛全国百强，获得中国高等教育博览会“校企合作 双百计划”典型案例和重庆英才创新创业示范团队等荣誉称号。
