Advance in Light Computing показывает возможности для будущих интеллектуальных камер

В этом экспериментальном устройстве используется 2D полупроводниковой материал, разработанный Xiangfeng Duan, профессором химии и биохимии UCLA.Кредит: Dehui Zhang

На сегодняшний день оптические вычисления столкнулись с ограничением в достижении нелинейных ответов, что означает создание сигналов, не прямо пропорциональных входных данных.Нелинейность делает возможными универсальные вычислительные приложения, включая искусственный интеллект.

Нелинейные материалы и устройства, разрабатываемые, требуют значительного количества света для работы.Ранее это требовало мощных лазеров, которые работают только в узкой полосе электромагнитного спектра;Поглощение света с течением времени, что делает обработку медленной;или использование энергоэфмиентных материалов, которые приобретают много света, но исключают приложения, которые требуют эффективности света или прозрачности.

Теперь недавнее совместное исследование членов Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Калифорнийском университете или CNSI представило устройство, которое преодолевает эти препятствия.

На главном этапе к оптическим вычислениям для обработки визуальной информации исследователи CNSI показали, что крошечный массив прозрачных пикселей может привести к быстрому широкополосному, нелинейному отклику от окружающего света с низким энергопотреблением.Команда также продемонстрировала приложение, которое объединяет их устройство с камерой смартфона, чтобы уменьшить блики на изображениях.Исследование было опубликовано в Nature Communications.

«Оптические нелинейности намного отстают от того, что нам нужно для приложений для визуальных вычислений»,-сказал совместный автор Айдоган Озкан, профессор инженерных инноваций в Инженерных инновациях в Калифорнийском университете в Калифорнийском университете в Инженерной школе.«Нам нужны низкие мощные, широкополосные, низкие потери и быстрые нелинейности для оптических систем для удовлетворения наших потребностей в визуальных вычислениях. Эта работа помогает заполнить этот разрыв».

Потенциальные применения для этой технологии - в соответствии с сокращением бликов в исследовании - приводятся к различным потребительским и промышленным использованию: улучшенное зондирование для автономных транспортных средств;камеры, которые распознают определенные объекты, скрывая другие;шифрование изображения;и эффективное, эффективное обнаружение дефектов в роботизированных сборочных линиях, среди многих других.

Устройство может предложить много преимуществ.Например, входящие изображения могут быть обработаны без преобразования в цифровой сигнал, результаты ускорения и уменьшение количества данных, отправляемых в облако для цифровой обработки и хранения.Исследователи предполагают, что они связывают свою технологию с дешевыми камерами и сжали данные для производства изображений с значительно более высоким разрешением, чем было реализовано ранее, и, точнее, и точное получение полезной информации об расположении объектов в пространстве и электромагнитных спектрах, присутствующих в свете.

«Недорогое устройство, измеряющее пару сантиметров, может сделать камеру с низкой мощностью, как камеру с супер разрешением»,-сказал Озкан, профессор электрической и компьютерной инженерии UCLA и биоинженерия, а также заместитель директора CNSI.«Это будет демократизировать доступ к визуализации и восприятию с высоким разрешением».

Устройство в исследовании представляет собой прозрачную плоскость площадью 1 см.Он использует 2D полупроводниковой материал, воспитанной как фильм толщиной всего несколько атомов, который был разработан совместно-корректическим автором Сянфенгом Дуан, профессором химии и биохимии в колледже UCLA.

Тонкость материала делает его прозрачным, в то время как он сохраняет качества, которые позволяют входящим фотонам эффективно регулировать электрическую проводимость.Исследовательская группа связала 2D -полупроводник со слоем жидкого кристалла и сделала ее функциональным с массивом электродов.Результатом является интеллектуальный фильтр, включающий 10000 пикселей, каждый из которых способен избирательно и быстро темнеть нелинейным образом при воздействии широкополосного окружающего света.

«По сути, мы хотим использовать материал, который не поглощает много света, но все же дает достаточный сигнал, который можно использовать для обработки света», - сказал Дуан.«Каждый пиксель может измениться от полностью прозрачного к частично прозрачному к непрозрачному. Для резкого изменения прозрачности требуется лишь небольшое количество фотонов».

«Эта уникальная возможность привела к очень, очень захватывающему сотрудничеству», - сказал Дуан.«Это действительно взрыв, чтобы думать за пределами наших зон комфорта. Это показало мне, что, как разработчик материала, я могу извлечь выгоду из выхода за рамки фундаментального исследования или доказательства концепции для изучения применений.

«Мы надеемся продолжить эту дорогу», - добавил он.«Это только начало. Конечно, есть гораздо больше, чтобы сделать».

Другими соавторами, все связанные с UCLA, являются докторантами Донг Сюй, Юхан Ли, Цзинсуан Чжоу, Ючен Чжан, Боксуан Чжоу, Пейки Ван и Ао Чжан;Постдокторские исследователи Йи Луо, Цзинтиан Ху, Ксурунг Ли и Хуайнг Рен;Биджи Бай, который получил докторскую степень в 2023 году;Мона Джаррахи, профессор электротехники Northrop Grumman;и Ю Хуан, профессор и председатель по материалам и технике.

Больше информации: Dehui Zhang et al., Широкополосная нелинейная модуляция некоферентного света с использованием прозрачной оптоэлектронной нейронной массивы, природная связь (2024).Doi: 10.1038/s41467-024-46387-5