Ultrafast konwolýusiýa nerw ulgamlaryna esaslanýan ýadyňyza ýaýramaz şekillendiriş

Meýdany ýagtylyk modulýatory, daşarky signalyň gözegçiligi astynda hakyky wagtda hadysanyň amplitudasyny, fazasyny we polýarizasiýa ýagdaýyny modulirläp bilýän dinamiki komponentdir. Meýdanda giňişlik ýagtylyk modulýatorynyň ulanylyşy Pytraňňy şekillendiriş adaty ýer aýnasynyň ýerine diňe pseudo-termiki ýagtylyk meýdany döretmek üçin ulanylman, eýsem gözleg gözleglerini ýaýratmak üçin maksatly obýekt hökmünde hem ulanylyp bilner. Giňişlikdäki ýagtylyk modulýatorynyň ulanylmagy, dargadylan ýagtylyk meýdanyny sazlamakda inisiatiwany we hereketi amala aşyryp biler.

Tezis maglumatlary:

Optiki ýat effektleri bulutly dokumalary we tegmilli gatlaklary goşmak bilen çylşyrymly dargadyjy metbugatda makroskopik we mikroskopiki şekillendiriş usullary üçin esasy esas boldy. Şeýle-de bolsa, optiki ýat effekti bolmazdan güýçli dargadyjy mediýada şekiliň täzeden gurulmagy üstünlikli bolmady. Bu maksat bilen, ýagtylygyň tizliginde işleýän köp ugurly ýadrosy birleşdirýän köp basgançakly optiki nerw ulgamyny (ONN) ösdürip, optiki ýat effekti bolmazdan, dargadylýan gatlakdaky şekilleri täzeden gurmak ukybymyzy görkezýäris. “Furyer” optikasyna esaslanyp, paralel, bir basgançakly ONN okuwy, ýadyňyza düşmeýän şekiliň täzeden dikeldilmegi üçin aýratynlyklar gönüden-göni çykarylýar we Görkeziş meýdany 271 esse giňeldilýär. Enjamy sekuntda 1.57peta amallary (POPS) hasaplaýyş güýji bilen ultra-çalt köp wezipeli şekil rekonstruksiýasy üçin dinamiki görnüşde üýtgedip bolýar, grafiki gaýtadan işlemek üçin ultra çalt we täsirli optiki maşyn öwreniş platformasyny üstünlikli döredýär.

Aşakda synag synaglarynyň we netijeleriniň bir bölegi bar:
Öwreniji ONN-iň synag synaglary 1-nji suratda görkezilýär. Synagda, konwolýasiýa ONN-iň programmirläp bolýan piksel derejeli girişini döretmek üçin SLM0 (FSLM-HD70-A / P, piksel ölçegi 8μm, 1920 × 1080) şöhlelendiriji intensiwlik modulýatory ulanylýar. SLM0 tarapyndan modulirlenen ýagtylyk meýdany, 4f ulgamyň üsti bilen ONN konwolýusiýanyň giriş tekizligine geçirilýär. 4f ulgamy iki linzadan ybarat Fokal uzynlykSLM0 hökmünde kodlanan obýektler üçin 0,5x ulaltmak üçin 100 mm (L1) we 50 mm (L2). Giriş tekizligi soňra has gaýtadan işlemek üçin üç gatly konwolýasiýa ONN-a iberilýär. ONN konwolýasiýa üç fazaly modulýator SLM-den (biziň modelimiz FSLM-4K70-P02) ybarat. SLM fazasy 4094 × 2400 piksel, pikseliň ululygy 3,74μm × 3.74μm. Ilkinji konwolýasiýa gatlagy SLM1 hökmünde kodlanýar we giriş tekizligi bilen SLM1 aralygy 10 sm. SLM1 tarapyndan modulirlenenden soň, şöhle BS2 we BS3 şöhle bölüjilerinden şöhlelenme arkaly SLM2-e iberilýär. Ikinji konwolýasiýa gatlagy SLM2 hökmünde kodlanýar, SLM1 we SLM2 20 sm. SLM2 tarapyndan modulirlenen şöhle soňra SLM3-e geçirilýär. Üçünji doly birikdirilen gatlak SLM2 bilen SLM3 arasynda 10 sm aralyk bilen SLM3 kodlanýar. SLM3 tarapyndan modulirlenen şöhle, SLM3 bilen çykyş tekizliginiň arasynda 20 sm uzaklykdaky BS4 şöhläni bölüjiniň şöhlelenmesi bilen ONN konwolýusiýanyň çykyş tekizligine ýaýradylýar. Satyn almak kamerasy (piksel ölçegi 4,8μm, 1280 × 1024), netijelerini ýazmak üçin konwolýasiýa ONN-iň çykyş tekizligine ýerleşdirildi. ONN konwolýusiýanyň dürli gatlaklarynyň arasyndaky gabat gelmezlik onuň işleýşini ep-esli derejede peseldip biljekdigini bellemelidiris.

FIG. 1 ONN üç gatly konwolýasiýa torunyň eksperimental gurnamagynyň shemasy. (A) ONN-iň her gatlagynyň parametrlerini we koordinatlaryny jemläň. (B) ONN konwolýasiýa üçin synag enjamlary. M, aýna; POL, çyzykly polýarizator; BS, şöhle bölüji; L, obýektiw; SLM, giňişlikdäki ýagtylyk modulýatory.

FIG. 2 Gatlagy ýygnamak arkaly ýadyňyza düşmeýän şekili täzeden gurmagyň mehanizmi. (A) Birnäçe dargadyjy arkaly diagramma. Her bir ýaýradyjy inçe dargadyjy gatlak hökmünde modellendirilip bilner, N dargadyjylaryň sanyny we d ýaýradyjylaryň arasyndaky aralygy görkezýär. (B) Dürli ýaýramak şertlerinde öndürilen tegmilleriň nagşy. Çep tarapdaky şekil optiki ýat effektleri (N = 1, d = 0) we optiki ýat effekti bolmadyk tegmiller bilen deňeşdirýär (N> 1, d> 0). Sag tarapdaky şekil, her bir ýagdaýda burç korrelýasiýa egrilerini görkezýär, wirtual çyzyklar bir tekiz aýna gatlagy üçin burç korrelýasiýa egrilerini görkezýär. Bu egrileriň ýarym beýikligi we ini şekiliň meýdanyny kesgitleýär. (C) Üç gatly konwolýasiýa ONN-de ýadyňsyz şekili täzeden gurmak düşünjesi.

FIG. 3 Optiki konwolýasiýa nerw ulgamlarynyň ýörelgesi. (A) Üç gatly konwolýasiýa ONN iki optiki konwolýasiýa gatlagyndan we bir optiki doly birikdirilen gatlakdan durýar. (B) Birinji konwolýasiýa gatlagynyň gurluşynda dokuz dürli ýadro bar. Her ýadro üç gurluşdan durýar: worteks fazasy, tötänleýin faza we örtük fazasy. (C) Ikinji konwolýasiýa gatlagynyň faza gurluşy 3 × 3 sebite bölünýär. Her sebitiň fazasy, ilkinji ýadro gatlagy bilen birmeňzeş gurlup, 81 ýadro emele gelýär. (D) MNIST we FashionMNIST maglumat bazalaryna esaslanýan kesgitleme klassifikasiýa meselelerinde taýýarlanan konwolýusiýa ONN öndürijiligi. Aboveokardaky surat her ýagdaýda öwreniş egrisini görkezýär. Aşakdaky surat, ONN çykyş tekizliginde tejribe klassifikasiýa netijelerini görkezýär, gyzyl çyzykly kwadratlar degişli san bilen taýýarlanan detektor sebtini görkezýär.

FIG. 4 memoryady bolmadyk şekili täzeden gurmagyň synag synag. (A) Iki dargadyjy gatlak (N = 2) bilen ONN tälim berlen konwolýusiýanyň synag synaglarynyň netijeleri. Birinji setir obýektiň hakyky şekilini görkezýär, ikinji we dördünji setirler degişlilikde d = 3 sm, d = 4 sm we d = 5 sm rekonstruksiýa netijelerine laýyk gelýär. (B) Birnäçe dargadyjy gatlakly (N> 2) taýýarlanan konwolýasiýa ONN-leriň synag synag rekonstruksiýa netijeleri. Birinji-dördünji setirler degişlilikde N = 2, 3, 4 we 5 ýagdaýlara gabat gelýär. (C) Worteks fazasynyň ONN konwolýusiýasyna täsiri görkezilýär. Sag tarapdaky şekil, d = 5 sm dargamakda worteks fazasy bilen we konwensiýa ýadrosynyň egrilerini we rekonstruksiýa netijelerini deňeşdirýär. Çep tarapdaky şekil, giriş obýektiniň dürli ugurly maglumatlaryny çykarmak üçin dürli worteks faza gurluşlarynyň ulanylyp bilinjekdigini görkezýär.

5-nji suratda, tälim berilýän konwolýasiýa ONN-leriň dinamiki we köp basgançakly öndürijiligi görkezilýär. (A) Öwreniji ONN ulanyp, ýadyňyza düşmeýän şekili täzeden gurmak üçin dinamiki gözleg prosesi (S1 we S2). Giriş nokadynyň nagşy 60Hz SLM-e ýüklenýär. . Doly birikdirilen rasteriň üçünji gatlagynyň çyzgysy S17-nji suratda görkezilýär.

Bu synagda ulanylýan amplituda görnüşli giňişlik ýagtylyk modulýatorynyň parametrleri aşakdakylar:

Bu synagda ulanylýan faza görnüşli giňişlik ýagtylyk modulýatorynyň parametrleri aşakdakylar:

Soňunda ýazyň:
Hasaplama şekillendiriş ulgamynda, arwah şekillendiriş, sanly golografiýa, Furyer laminasiýa mikroskopiýasy we beýleki ugurlardaky meseleleri çözmek üçin optiki nerw ulgamlary giňden ulanyldy. Şol bir wagtyň özünde, çuňňur maglumatlary öwrenmegiň kuwwatly maglumatlary ýerleşdirmek ukyby we optimizasiýa çözgüt ukyby hem şekillendiriş ýaýratmak pudagynda uly rol oýnaýar. Giňişlikdäki ýagtylyk modulýatorynyň inçe modulýasiýasy we takyk gözegçiligi bilen giňişlik ýagtylyk modulýatorynyň we optiki nerw ulgamynyň utgaşmasy has köp uçgun döreder.

Makalanyň maglumatlary:
DOI: 10.1126 / sciadv.adn2205