Традиционные оптические системы формирования изображений и связи, обычно состоящие из линз, выполняют операции формирования изображений как в прямом, так и в обратном направлениях. Подобно трубе, которая позволяет жидкости течь из одного конца в другой в обоих направлениях, стандартные оптические материалы и линзы позволяют свету проходить в обоих направлениях через такие устройства, как камера.
Исследовательская группа из Инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета недавно изобрела новый однонаправленный материал, чтобы сломать эту парадигму в оптической визуализации. Исследователи использовали искусственный интеллект (ИИ) для структурного проектирования материалов с деталями в масштабах, меньших, чем длина волны света. В результате была создана конструкция устройства формирования изображений, в котором визуализация возможна только в одном направлении, а в другом она блокируется.
В статье под названием «Однонаправленная визуализация с использованием материалов, разработанных на основе глубокого обучения», опубликованной сегодня в журнале Science Advances, описывается инновационная конструкция оптического имиджера, состоящая из серии пропускающих оптических слоев, благодаря пространственному проектированию материалов с использованием глубокого обучения.
«Такое проектирование материала с помощью искусственного интеллекта приводит к формированию нескольких структурированных прозрачных слоев, которые коллективно модулируют оптические волны с асимметричным поведением в прямом и обратном направлениях формирования изображения», — говорит руководитель исследования Айдоган Озкан, профессор электротехники и компьютерной инженерии Калифорнийского университета имени Самуэли и заведующий кафедрой инженерных инноваций Калифорнийского университета имени Вольгенау. «Получившееся однонаправленное устройство формирования изображения позволяет формировать изображение от входного поля зрения к выходному полю зрения, но не наоборот. Обратный путь для формирования изображения заблокирован».
Даже под широкополосным светом, состоящим из множества длин волн, однонаправленный формирователь изображений может сохранять свою функциональность, несмотря на обучение с использованием одной длины волны освещения. Возможность однонаправленной визуализации также не зависит от поляризации света и работает при любой ориентации световых колебаний. В своих экспериментах исследователи успешно продемонстрировали эффективность конструкции на 3D-печатном многослойном устройстве формирования изображений, подвергнув его воздействию терагерцового излучения.
Команда также разработала отдельный имиджер, который позволял пользователю выбирать, в каком направлении должно блокироваться изображение, выбирая определенную длину волны. Например, при одной длине волны формирование изображения работает только слева направо, а при другой длине волны — в обратном направлении.
Такая конструкция с мультиплексированием длин волн расширяет возможности и гибкость однонаправленного формирователя изображений, позволяя ему функционировать как коммутатор для управления передачей информации, закодированной в световых волнах.