Достижения в области световых вычислений демонстрируют возможности будущих интеллектуальных камер

Исследователи, разрабатывающие следующее поколение вычислительных технологий, стремятся в буквальном смысле пролить свет на эту область. Ожидается, что оптические вычисления, основанные на легких частицах, называемых фотонами, станут альтернативой традиционным электронным методам. Такие системы — или легкие компоненты гибридных систем, которые также сохраняют электронные части — могут быть быстрее, потреблять меньше энергии и более эффективно вычислять визуальную информацию за счет одновременной и параллельной обработки.

До сих пор оптические вычисления имели ограничения в достижении нелинейных откликов, что означает создание сигналов, которые не прямо пропорциональны входным сигналам. Нелинейность делает возможными глобальные вычислительные приложения, включая искусственный интеллект.

Нелинейным материалам и устройствам, находящимся в стадии разработки, для работы требуется много света. Раньше для этого требовались мощные лазеры, работающие только в узком диапазоне электромагнитного спектра; Поглощение света с течением времени, что замедляет обработку; Или используйте неэффективные материалы, которые потребляют много света, но не позволяют использовать приложения, требующие светоэффективности или прозрачности.

Теперь недавнее совместное исследование, проведенное членами Калифорнийского института наносистем при Калифорнийском университете (CNSI), представило устройство, которое преодолевает эти препятствия.

Сделав важный шаг на пути к оптическим вычислениям для обработки визуальной информации, исследователи CNSI показали, что небольшой массив прозрачных пикселей может производить быстрый, широкополосный, нелинейный отклик на низкоэнергетический окружающий свет. Команда также продемонстрировала приложение, которое объединяет их устройство с камерой смартфона для уменьшения бликов на фотографиях. Это было исследование опубликовано в Природные коммуникации.

«Оптическая нелинейность намного отстает от того, что нам нужно для приложений визуальных вычислений», — сказал соавтор Айдоган Озкан, профессор инженерных инноваций в Инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Для удовлетворения наших потребностей в визуальных вычислениях нам нужны маломощные, широкополосные, с низкими потерями и быстрые оптические системы. Эта работа помогает восполнить этот пробел».

Потенциальные применения этой технологии – помимо снижения бликов, подтвержденного в исследовании, – включают различные потребительские и промышленные применения: улучшение чувствительности для автономных транспортных средств; Камеры, которые распознают одни вещи, скрывая другие; Шифрование изображения; А также эффективное и действенное обнаружение дефектов на роботизированных сборочных линиях, среди многих других.

Устройство может предложить множество преимуществ. Например, входящие изображения можно обрабатывать без преобразования их в цифровой сигнал, что ускоряет получение результатов и сокращает объем данных, отправляемых в облако для обработки и цифрового хранения. Исследователи предполагают связать свою технологию с недорогими камерами и сжать данные для получения изображений с гораздо более высоким разрешением, чем это было достигнуто раньше, более точно и точно фиксируя полезную информацию о расположении объектов в пространстве и электромагнитных спектрах, присутствующих в свете.

«Недорогое устройство длиной всего несколько сантиметров может заставить маломощную камеру работать как камера сверхвысокого разрешения», — сказал Озкан, профессор электротехники, компьютерной инженерии и биоинженерии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и содиректор CNSI. «Это демократизирует доступ к изображениям и зондированию с высоким разрешением».

Прибор, использованный в исследовании, представляет собой прозрачную плоскость площадью 1 кв. см. В нем используется двумерный полупроводниковый материал, представленный в виде пленки толщиной всего в несколько атомов, разработанный соавтором Сянфэн Дуанем, профессором химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Тонкость материала делает его прозрачным, сохраняя при этом качества, которые позволяют поступающим фотонам эффективно регулировать электропроводность. Исследовательская группа соединила 2D-полупроводник со слоем жидкого кристалла и сделала его функциональным с помощью набора электродов. В результате получается интеллектуальный фильтр, состоящий из 10 000 пикселей, каждый из которых способен избирательно и быстро затемняться нелинейным образом при воздействии широкополосного окружающего света.

«По сути, мы хотим использовать материал, который не поглощает много света, но при этом производит достаточно сигнала, который можно использовать для управления светом», — сказал Дуан. «Каждый пиксель может меняться от полностью прозрачного до частично прозрачного и непрозрачного. Чтобы резко изменить прозрачность, требуется всего несколько фотонов».

«Эта уникальная возможность привела к очень интересному сотрудничеству», — сказал Дуэйн. «Действительно здорово мыслить за пределами нашей зоны комфорта. Это показало мне, что, как разработчик материалов, я могу извлечь выгоду из того, что выхожу за рамки базового исследования или проверки концепции и изучаю возможности применения».

«Мы надеемся продолжить этот путь», — добавил он. «Это только начало. Определенно еще многое предстоит сделать».

Другими соавторами, связанными с Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе, являются докторанты Донг Сюй, Юхан Ли, Цзинсюань Чжоу, Юйчэн Чжан, Бошуан Чжу, Бекки Ван и Ао Чжан; Постдокторанты И Лу, Цзинтянь Ху, Сюжун Ли и Хуайинг Жэнь; Пегги Бай, получившая докторскую степень в 2023 году; Мона Аль-Джаррахи, профессор электротехники в Northrop Grumman; Ю Хуан, профессор и заведующий кафедрой материаловедения и инженерии.