光学成像新进展：使用部分相干光进行单向成像

来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的一个研究小组公布了光学成像技术的一项新进展，该技术可显著增强视觉信息处理和通信系统。这项研究成果发表在《先进光子学》（Advanced Photonics Nexus）杂志上。

新系统以部分相干单向成像为基础，提供了一种紧凑、高效的解决方案，可在一个方向上传输视觉数据，同时阻止相反方向的传输。

这项创新技术由 Aydogan Ozcan 教授及其跨学科团队领导，旨在有选择地在一个方向（从视场 A 到视场 B）传输高质量图像，同时故意扭曲从反方向（从 B 到 A）观看的图像。

这种非对称图像传输可能会对隐私保护、增强现实和光通信等领域产生广泛影响，为管理视觉光学信息的处理和传输方式提供新的功能。

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具有部分相干照明的单向衍射成像仪概念图

部分相干光下的单向成像

新系统解决了光学工程中的一个难题：如何控制光传输，使一个方向的成像清晰，而反方向的成像受阻。

以前的单向波传输解决方案通常依赖于复杂的方法，如时间调制、非线性材料或在全相干照明下的高功率光束，这限制了它们的实际应用。

相比之下，UCLA 的这项创新利用部分相干光，在正向（A 到 B）实现了高图像质量和高能效，而在反向（B 到 A）则有意引入了失真并降低了能效。

Ozcan 博士解释说：“我们设计了一组空间优化衍射层，以促进这种非对称传输的方式与部分相干光相互作用。这一系统可以与 LED 等普通照明光源高效配合，因此可以适用于各种实际应用"。

利用深度学习增强光学设计

这项研发的一个关键方面是利用深度学习对构成单向成像系统的衍射层进行物理设计。加州大学洛杉矶分校团队针对相位相关长度大于光波长 1.5 倍的部分相干光对这些衍射层进行了优化。

这种细致的优化确保了该系统即使在光源具有不同相干特性的情况下也能提供可靠的单向图像传输。每个成像仪结构紧凑，轴向跨度小于 75 个波长，采用偏振无关设计。

设计过程中使用的深度学习算法有助于确保系统在正向保持高衍射效率的同时，抑制反向图像的形成。

研究人员证明，他们的系统在不同的图像数据集和照明条件下表现一致，显示出对光线相干特性变化的适应能力。Ozcan博士说：“我们的系统能够跨越不同类型的输入图像和光线特性，这是它令人兴奋的特点之一。”

展望未来，研究人员计划将单向成像仪扩展到光谱的不同部分，包括红外线和可见光范围，并探索各种照明光源。

这些进步可能会推动成像和传感技术的发展，开启新的应用和创新。例如，在隐私保护方面，该技术可用于防止敏感信息从非预期角度被看到。同样，增强现实和虚拟现实系统也可以利用这项技术来控制向不同观众显示信息的方式。

Ozcan 博士补充说：“这项技术有可能对控制视觉信息流至关重要的多个领域产生影响。它的紧凑设计和与广泛使用的光源的兼容性使其特别有希望集成到现有系统中。”

这项研究由加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系和加州纳米系统研究所（CNSI）的一个跨学科团队完成。

相关链接：https://phys.org/news/2024-10-partially-coherent-unidirectional-imaging-visual.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.APN.3.6.066008