Wênekirina belavbûna bê bîranîn li ser bingeha torên neural ên konvolusyonî yên ultrafast

Modulatorê ronahiya cîhî cureyekî pêkhateya dînamîk e ku dikare firehî, qonax û rewşa polarîzasyona ronahiya têketî di dema rast de di bin kontrola sînyala derveyî de modûl bike. Bikaranîna modulatorê ronahiya cîhî di warê Wênekirina Belavbûnê ne tenê dikare li şûna cama erdê ya kevneşopî ji bo çêkirina qada ronahiyê ya pseudo-termal were bikar anîn, lê di heman demê de dikare wekî objeyek hedef ji bo lêkolîna wêneyên belavbûnê jî were bikar anîn. Bikaranîna modulatorê ronahiya fezayî dikare di rêkxistina qada ronahiya belavbûyî de destpêşxerî û manevrabûnê pêk bîne.

Agahiyên tezê:

Bandorên bîra optîkî bingehek sereke ji bo rêbazên wênekirina makroskopîk û mîkroskopîk di medyayên belavbûna tevlihev de, di nav de tevnên ewrî û tebeqeyên xalxalî, bûne. Lêbelê, ji nû ve avakirina wêneyê di medyayên belavbûna bihêz de bêyî bandora bîra optîkî serketî nebûye. Ji bo vê armancê, em şiyana ji nû ve avakirina wêneyan di tebeqeyek belavbûnê de bêyî bandorên bîra optîkî nîşan didin bi pêşxistina toreke neuralî ya optîkî ya konvolusyonî ya pirqonaxî (ONN) ku gelek navikên paralel ên ku bi leza ronahiyê dixebitin entegre dike. Li ser bingeha optîkên Fourier, perwerdehiya ONN ya konvolusyonî ya paralel, yek-gavî, taybetmendî rasterast têne derxistin da ku ji nû ve avakirina wêneyê bê bîranîn pêk were, û Qada Dîtinê heta 271 caran berfireh dibe. Amûr dikare bi awayekî dînamîk ji bo ji nû ve avakirina wêneyên pir-kar ên pir-kar ên pir-lez bi hêza hesabkirinê ya 1.57 peta operasyonên di çirkeyê de (POPS) ji nû ve were mîheng kirin, bi vî awayî platformek fêrbûna makîneya optîkî ya pir-lez û bibandor ji bo pêvajoya grafîkê bi serkeftî ava dike.

Beşek ji pêvajoyê û encamên ceribandinê yên jêrîn ev in:
Sazkirina ceribandinî ya ONN-ya konvolusyonî di Şekil 1-ê de tê nîşandan. Di ceribandinê de, modulatorek şîddeta refleksîf SLM0 (FSLM-HD70-A/P, mezinahiya pîkselê 8μm, 1920×1080) ji bo çêkirina têketina asta pîkselê ya bernamekirî ya ONN-ya konvolusyonî tê bikar anîn. Zeviya ronahiyê ya ku ji hêla SLM0 ve tê modulkirin dûv re bi rêya pergalek 4f ber bi plana têketina ONN-ya konvolusyonî ve tê veguheztin. Pergala 4f ji du lensan pêk tê ku Dirêjahiya Fokusês ji 100 mm (L1) û 50 mm (L2) da ku mezinkirina 0.5x ji bo tiştên ku wekî SLM0 hatine kodkirin peyda bikin. Dûv re rûbera têketinê ji bo pêvajoya bêtir dişîne ONN-ya konvolusyonî ya sê-qatî. ONN-ya konvolusyonî ji SLM-yên modulator ên sê qonaxî pêk tê (modela me FSLM-4K70-P02). SLM-yên qonaxî 4094×2400 pîksel hene û mezinahiya pîkselê 3.74μm×3.74μm e. Çîna konvolusyonî ya yekem wekî SLM1 tê kodkirin, û dûrahiya di navbera rûbera têketinê û SLM1 de 10cm e. Piştî ku ji hêla SLM1 ve tê modulkirin, tîrêj bi rêya refleksê ji parçekerên tîrêjê BS2 û BS3 ve ji SLM2 re tê şandin. Çîna konvolusyonî ya duyemîn wekî SLM2 tê kodkirin, û SLM1 û SLM2 20cm ne. Tîrêjê ku ji hêla SLM2 ve tê modulkirin dûv re ji SLM3 re tê şandin. Çîneke sêyemîn a bi temamî girêdayî di SLM3 de tê kodkirin, bi dûrahiya 10 cm di navbera SLM2 û SLM3 de. Tîrêjê ku ji hêla SLM3 ve tê modulkirin bi rêya refleksa ji parçekera tîrêjê BS4 ber bi rûbera derketinê ya ONN-ya konvolusyonî ve tê belavkirin, bi dûrahiya 20 cm di navbera SLM3 û rûbera derketinê de. Kamera wergirtinê (mezinahiya pîkselê 4.8μm, 1280×1024) li ser rûbera derketinê ya ONN-ya konvolusyonî hate danîn da ku encamên texmînê tomar bike. Girîng e ku were zanîn ku nelihevhatina di navbera çînên cûda yên ONN-ya konvolusyonî de dikare performansa wê bi girîngî xirab bike.

WÊNE 1 Nexşeya şematîk a sazkirina ceribandinî ya tora sê-qatî ya konvolusyonî ONN. (A) Parametre û kordînatên her qatek ONN-ê tevlihev bikin. (B) Amûra ceribandinê ji bo konvolusyonî ONN. M, neynik; POL, polarîzatorê xêzik; BS, parçekerê tîrêjê; L, lens; SLM, modulatorê ronahiya fezayî.

WÊNE 2 Mekanîzma ji nû ve avakirina wêneya bê bîr bi rêya komkirina qatên belavbûnê. (A) Diyagrama belavbûnê bi rêya gelek belavbûnan. Her belavker dikare wekî qatek belavker a zirav were model kirin, ku N hejmara belavkeran temsîl dike û d jî mesafeya di navbera belavkeran de temsîl dike. (B) Şêweya xalên ku di bin şert û mercên belavbûna cûda de têne hilberandin. Wêneya li milê çepê xalên bi bandorên bîra optîkî (N = 1, d = 0) û xalên bêyî bandorên bîra optîkî (N > 1, d > 0) berawird dike. Wêneya li milê rastê xêzên koralasyona goşeyî di her rewşê de nîşan dide, bi xetên virtual ku xêzên koralasyona goşeyî ji bo qatek cama daîre ya yekane temsîl dikin. Nîv bilindahî û firehiya van xêzan qada dîtinê ya wêneyê diyar dikin. (C) Têgeha ji nû ve avakirina wêneya bê bîr di ONN-ya konvolusyonî ya sê-qatî de.

WÊNE 3 Prensîba torên neural ên konvolusyonî yên optîkî. (A) ONN-ya konvolusyonî ya sê-qatî ji du qatên konvolusyonî yên optîkî û yek qatek bi tevahî girêdayî ya optîkî pêk tê. (B) Avahiya qata konvolusyonî ya yekem neh celebên cûda yên navokan dihewîne. Her navok ji sê avahiyan pêk tê: qonaxa vorteksê, qonaxa rasthatî, û qonaxa şebekeyê. (C) Avahiya qonaxa qata konvolusyonî ya duyem li herêmên 3×3 tê dabeş kirin. Qonaxa her herêmê bi heman pêvajoya qata konvolusyonî ya yekem tê çêkirin, ku di encamê de 81 navok çêdibin. (D) Performansa ONN-ya Konvolusyonî ya ku di peywirên dabeşkirina inferansê de li ser bingeha setên daneya MNIST û FashionMNIST hatî perwerdekirin. Wêneya jorîn xêza fêrbûnê di her rewşê de nîşan dide. Wêneya jêrîn encamên dabeşkirina ceribandinê li ser balafira derketinê ya ONN-ya konvolusyonî nîşan dide, bi çargoşeyên sor ên xalxalî yên ku herêma detektorê ya ku ji hêla hejmara têkildar ve hatî perwerdekirin temsîl dikin.

WÊNE 4 Verastkirina ceribandinî ya ji nû ve avakirina wêneyê bê bîr. (A) Encamên ji nû ve avakirina ceribandinî ya ONN-ya konvolusyonî ya perwerdekirî bi du tebeqeyên belavbûnê (N = 2). Rêza yekem wêneya rastîn a tiştê nîşan dide, û rêzên ji duyemîn heta çaremîn bi encamên ji nû ve avakirina d = 3 cm, d = 4 cm, û d = 5 cm re têkildar in. (B) Encamên ji nû ve avakirina ceribandinî ya ONN-yên konvolusyonî yên perwerdekirî bi tebeqeyên belavbûnê yên pirjimar (N > 2). Rêzên ji yekem heta çaremîn bi rewşên ku N = 2, 3, 4, û 5, bi rêzê ve têkildar in. (C) Bandora qonaxa vorteksê li ser ONN-ya konvolusyonî tê nîşandan. Wêneya li rastê xêzên kernela konvolusyonî bi û bê qonaxa vorteksê di belavbûna d = 5 cm û encamên ji nû ve avakirina de berawird dike. Wêneya li çepê nîşan dide ku avahiyên qonaxa vorteksê yên cûda dikarin werin bikar anîn da ku agahdariya qiraxa rêwerzê ya cûda ya tiştê têketinê derxînin.

Wêne 5 performansa dînamîk û pir-karî ya ONN-yên konvolusyonî yên perwerdekirî nîşan dide. (A) Pêvajoya texmînkirina dînamîk (S1 û S2) ji bo ji nû ve avakirina wêneyê bê-bîr bi karanîna ONN-ya konvolusyonî. Şêweya xala têketinê li ser SLM-ya 60Hz tê barkirin. (B) Çarçoveya ONN-ya konvolusyonî ya du karan di S3 de ji bo texmînkirina pir-karî ya çarçoveya vîdyoyê tê nîşandan da ku ji nû ve avakirina wêneyê bê-bîr bi dest bixe. Xêza qata sêyemîn a rastera bi tevahî girêdayî di Wêne S17 de tê nîşandan.

Parametreyên modulatorê ronahiya fezayî yê celebê amplîtûdê ku di vê ceribandinê de hatî bikar anîn ev in:

Parametreyên modulatorê ronahiya fezayî yê celebê qonaxê ku di vê ceribandinê de hatî bikar anîn wiha ne:

Li dawiyê binivîse:
Di warê wênekirina hesabkerî de, torên neuralî yên optîkî bi berfirehî ji bo çareserkirina pirsgirêkên di wênekirina xeyalî, holografiya dîjîtal, mîkroskopiya laminasyona Fourier û warên din de hatine bikar anîn. Di heman demê de, şiyana lihevhatina daneyan a bihêz û şiyana çareseriya çêtirkirinê ya fêrbûna kûr di warê wênekirina belavbûnê de jî roleke mezin dilîzin. Bi modulasyona baş û kontrola rast a modulatorê ronahiya fezayî, tevliheviya modulatorê ronahiya fezayî û tora neuralî ya optîkî dê bêtir şewqan çêbike.

Agahiyên gotarê:
DOI: 10.1126/sciadv.adn2205