?Science：光學(xué)傳感新概念！
學(xué)研匯 技術(shù)中心
納米人
2023-04-06
特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù) 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
研究背景
光學(xué)傳感裝置可測(cè)量入射光束的豐富物理性質(zhì)，如其功率、偏振態(tài)、光譜、強(qiáng)度分布等。大多數(shù)傳統(tǒng)的傳感器，如功率計(jì)、偏振計(jì)、光譜儀和相機(jī)，功能單一且體積龐大。在過去的十年中，通過使用微型化器件和先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法開發(fā)集成傳感解決方案的速度迅速加快，光學(xué)傳感研究已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)高度跨學(xué)科的領(lǐng)域，包括器件和材料工程、凝聚態(tài)物理和機(jī)器學(xué)習(xí)。為此，未來的光學(xué)傳感技術(shù)將受益于器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、新量子材料的發(fā)現(xiàn)、以前未被表征的光學(xué)和光電現(xiàn)象的演示以及定制機(jī)器學(xué)習(xí)算法的快速發(fā)展。為此，耶魯大學(xué)Fengnian Xia等人于2023年3月16日在Science上發(fā)表綜述文章，介紹了一個(gè)被稱為“幾何深度光學(xué)傳感”的新興概念。作者介紹了這一概念的物理、數(shù)學(xué)和工程基礎(chǔ)，特別強(qiáng)調(diào)了經(jīng)典幾何和量子幾何以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用。此外，還討論了這個(gè)新興方案可以帶來的新機(jī)遇以及與未來發(fā)展相關(guān)挑戰(zhàn)。研究進(jìn)展
從信息理論的角度來看，(光學(xué))傳感過程可以理解為如下:傳感器充當(dāng)編碼器，將未知的高維物理量轉(zhuǎn)換為傳感器輸出;與噪聲測(cè)量過程相對(duì)應(yīng)的通道讀取傳感器輸出;解碼器對(duì)編碼后的高維信息進(jìn)行解碼。在傳統(tǒng)的傳感方案中，直接確定這樣一個(gè)矢量需要一系列測(cè)量，這些測(cè)量使用不同類型的光學(xué)組件，如分束器、波板、濾波器、色散光柵和功率計(jì)，然后是數(shù)據(jù)處理步驟。與傳統(tǒng)傳感方案相比，幾何深度光學(xué)傳感方案的編碼和解碼過程都可以是隱式的。此外，不同種類的信息可以并發(fā)編碼到傳感器輸出中。因此，該傳感方案允許檢測(cè)光的多種物理特性和功能復(fù)用。
圖 深度光學(xué)傳感的信息論觀點(diǎn)編碼器的作用是將Rn中的物理信息映射到Rm中的光響應(yīng)，作者分別討論了如何針對(duì)不同屬性的入射光實(shí)現(xiàn)信息編碼。幾何在光-物質(zhì)相互作用中起著關(guān)鍵作用，具有不同幾何特征的光學(xué)器件可以對(duì)光表現(xiàn)出不同的偏振依賴響應(yīng)。此前，偏振成像已經(jīng)通過使用由具有不同幾何形狀的光學(xué)元件組成的2D光柵矩陣進(jìn)行了演示。除了傳感器的幾何特征外，布洛赫電子的量子幾何，即Berry曲率和量子度量也可以用于極化信息的編碼。非線性響應(yīng)不僅依賴于光的偏振，而且這種依賴也是可調(diào)的。光學(xué)光譜學(xué)的光譜響應(yīng)工程具有不同幾何特征的光學(xué)元件也可以直接與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器集成，對(duì)光譜信息進(jìn)行編碼。在這種光譜儀中，每個(gè)元素通過利用合理設(shè)計(jì)的幾何特征來捕獲特定的光譜特征，已被廣泛用于光譜和偏振成像中的信息編碼。然而，光學(xué)元件的物理布局在制造后很難重新配置，這限制了它們?cè)诟呒?jí)應(yīng)用中的潛力。除了使用具有不同幾何特征的元素外，半導(dǎo)體帶隙的工程設(shè)計(jì)也可用于對(duì)光譜信息進(jìn)行編碼;帶隙決定了能發(fā)生帶間躍遷的光子能量，帶隙的調(diào)諧可以使光譜信息編碼成光響應(yīng)矢量。用可重構(gòu)探測(cè)器陣列對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行編碼除了光譜和偏振信息外，光強(qiáng)度的空間變化(光學(xué)圖像)也可以在光響應(yīng)中編碼。為此，可重構(gòu)光電探測(cè)器陣列作為圖像傳感器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已用于超快機(jī)器視覺。圖像編碼過程直接捕獲空間特征，降低了傳輸帶寬要求。在編碼過程中，足夠大的信噪比是很重要的。這一觀察結(jié)果類似于編碼理論中的信道容量，其中容量隨著噪聲的減小而增加。除了降噪，在測(cè)量中引入冗余(m > n)可以緩解簡(jiǎn)并問題。
雖然光響應(yīng)向量X本身可能包含關(guān)于W的某些特征的有價(jià)值的信息，但通常需要解碼器來破譯和重建原始物理信息，以完成傳感過程。作者重點(diǎn)討論了光學(xué)傳感中用于將Rm中的傳感器響應(yīng)映射到Rn中的原始物理信息的兩類模型:分析型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型。分析型模型需要對(duì)編碼器有全面的理解，而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型模型通常使用具有實(shí)驗(yàn)光響應(yīng)數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，還存在其他不屬于上述兩種模型中的任何一種，但可以代表未來解碼光學(xué)信息的替代途徑的方法。例如，未經(jīng)訓(xùn)練的隨機(jī)初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被證明在圖像生成和恢復(fù)方面是有效的，并且已使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之后的分析算法來解決逆問題。無論使用哪種模型，光響應(yīng)向量的維數(shù)m由測(cè)量參數(shù)空間決定。用于表征光響應(yīng)矢量的參數(shù)可以是不同的。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光學(xué)傳感中的作用接著討論了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光學(xué)傳感器信息編碼和解碼中的潛在作用。自編碼器是一種特殊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由兩部分組成:一個(gè)編碼器將輸入數(shù)據(jù)壓縮到m < n維的瓶頸層，另一個(gè)解碼器在輸出處再現(xiàn)原始數(shù)據(jù)。這一概念不僅限于成像，也可以應(yīng)用于其他光學(xué)傳感任務(wù)，如光譜測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)深度自編碼器，可以在編碼器和解碼器中添加額外的隱藏層，以加深網(wǎng)絡(luò)并增加其復(fù)雜性和性能。
圖 使用可重構(gòu)傳感器陣列的機(jī)器視覺
圖 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)偏振和波長(zhǎng)檢測(cè)
未來展望
深度光學(xué)傳感領(lǐng)域的新機(jī)遇l單個(gè)TDBG傳感器可以同時(shí)檢測(cè)中紅外波段未知光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和偏振狀態(tài)。將這種能力擴(kuò)展到其他波長(zhǎng)范圍，并能夠檢測(cè)角動(dòng)量等其他物理性質(zhì)，將進(jìn)一步增強(qiáng)這種傳感方案的能力。這將需要?jiǎng)?chuàng)新材料來演示超越中紅外的深度光學(xué)傳感。l可調(diào)諧BPVE是TDBG可重構(gòu)傳感器概念的核心，是一種二階光學(xué)效應(yīng)，將可重構(gòu)線性和光響應(yīng)和高階光響應(yīng)結(jié)合使用，可以進(jìn)一步增強(qiáng)深度光學(xué)傳感的能力和性能。l擴(kuò)展功能復(fù)用的能力。一組可重構(gòu)光電探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像編碼和分類功能。具有更高分辨率和更多層次的可重構(gòu)傳感器陣列構(gòu)建將使深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與增強(qiáng)的成像能力結(jié)合使用，以完成更具挑戰(zhàn)性的機(jī)器定位任務(wù)。同時(shí)編碼光譜和空間信息可能會(huì)導(dǎo)致新一代高通量高光譜成像系統(tǒng)。識(shí)別創(chuàng)新的傳感材料和機(jī)制可以執(zhí)行各種不同任務(wù)的小型化傳感器是未來發(fā)展方向，其主要材料包括2D材料，如黑磷、過渡金屬二鹵屬化合物、moiré石墨烯和鈣鈦礦。范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)代表了具有強(qiáng)可調(diào)性的材料系統(tǒng)的不同光譜，可以與波長(zhǎng)范圍從微波到紫外線的光相互作用。因此，層內(nèi)和層間的光學(xué)躍遷以及非線性光學(xué)效應(yīng)都可以通過電場(chǎng)重新配置，這為在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)深度光學(xué)傳感提供了充足的機(jī)會(huì)。此外，硅鍺和III-V量子阱等傳統(tǒng)薄膜半導(dǎo)體也表現(xiàn)出電場(chǎng)下的可調(diào)諧性，這使得基于高度成熟的半導(dǎo)體平臺(tái)構(gòu)建可重構(gòu)傳感器成為可能。在傳感器附近或傳感器內(nèi)部開發(fā)集成記憶單元的信息處理方案可能至關(guān)重要。預(yù)計(jì)由2D材料、鈣鈦礦和其他薄膜半導(dǎo)體制成的可重構(gòu)傳感器與用于數(shù)據(jù)處理的硅電子器件的混合集成可能為新一代深度傳感技術(shù)鋪平道路。光學(xué)計(jì)算是另一種有前途的高通量信息處理途徑，它有利于編碼器和解碼器，使編碼器設(shè)計(jì)具有更高的自由度。基于光學(xué)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)視覺和語言處理等功能已經(jīng)得到了驗(yàn)證。利用機(jī)器學(xué)習(xí)的最新發(fā)展具有可重構(gòu)傳感器的深度光學(xué)傳感方案的開發(fā)為測(cè)試和開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)的最新發(fā)展提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)。生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)可以應(yīng)用于提高深度傳感性能，減少所需的測(cè)量。長(zhǎng)短期存儲(chǔ)器(LSTM)，它可以與可重構(gòu)光學(xué)傳感器一起使用，以檢測(cè)計(jì)算機(jī)視覺和化學(xué)反應(yīng)中的超快事件。建立編碼的數(shù)學(xué)準(zhǔn)則信息編碼中的一個(gè)挑戰(zhàn)是最小化所需要的字符數(shù)，并確定最優(yōu)的編碼策略。如果可以在不影響傳感性能的情況下執(zhí)行更少的測(cè)量，那么不僅可以提高采集速度，而且還可以減少后續(xù)步驟中的數(shù)據(jù)處理要求。相比之下，通過選擇較大的m，可以引入冗余，從而降低光響應(yīng)簡(jiǎn)并的概率。因此，需要一套數(shù)學(xué)指導(dǎo)方針來彌合這兩個(gè)相互沖突的要求之間的差距。SHAOFAN YUAN, et al. Geometric deep optical sensing. 2023.DOI: 10.1126/science.ade1220https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1220
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