Author Affiliations
Abstract
1 Zhejiang Laboratory, Research Center for Frontier Fundamental Studies, Hangzhou, China
2 Zhejiang University, College of Optical Science and Engineering, State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation, Hangzhou, China
3 ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, Hangzhou, China
4 Shanghai Jiao Tong University, Chip Hub for Integrated Photonics Xplore (CHIPX), Wuxi, China
With the rapid development of sensor networks, machine vision faces the problem of storing and computing massive data. The human visual system has a very efficient information sense and computation ability, which has enlightening significance for solving the above problems in machine vision. This review aims to comprehensively summarize the latest advances in bio-inspired image sensors that can be used to improve machine-vision processing efficiency. After briefly introducing the research background, the relevant mechanisms of visual information processing in human visual systems are briefly discussed, including layer-by-layer processing, sparse coding, and neural adaptation. Subsequently, the cases and performance of image sensors corresponding to various bio-inspired mechanisms are introduced. Finally, the challenges and perspectives of implementing bio-inspired image sensors for efficient machine vision are discussed.
bio-inspired image sensor machine vision layer-by-layer processing sparse coding neural adaptation Advanced Photonics
2024, 6(2): 024001
1 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 西北工业大学物理科学与技术学院，陕西 西安 710129
4 陆军装甲兵学院士官学校，吉林 长春 130000
常规成像系统的焦平面结构决定其具有极高的光学增益和有限的焦深范围，导致系统高成像质量与弱激光防护能力的矛盾性问题。波前编码成像技术具有大焦深特点和光场调控作用，通过像面离焦能够在保证成像质量的前提下有效提升系统的激光防护性能。研究波前编码成像系统成像质量和激光防护性能的权衡问题，分析系统激光防护性能的极限至关重要。以反正弦型相位掩膜板为例，分别建立离焦波前编码成像系统的成像模型和激光传输模型，研究系统的成像质量和激光防护性能随离焦参数的变化规律。通过解耦方式将系统的成像质量作为基本约束条件，引入定量评价指标得到系统允许的最大离焦参数为9.70λ（λ为波长），并在此基础上评估系统的极限激光防护性能。结果表明，在该条件下系统的最大单像素接收功率的降幅达到96.37%，回波探测器接收功率降至0.217‰，成像系统的抗激光损伤和反激光主动探测性能分别提升一个和三个数量级以上。
波前编码 成像系统 激光防护 成像质量 光学学报
2024, 44(10): 1026026
西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西西安710121
由于卷积操作的局限性，现有的皮肤病变图像分割网络无法对图像中的全局上下文信息建模，导致其无法有效捕获图像的目标结构信息，本文设计了一个融入交叉自注意力编码的U型混合网络，用于皮肤病变图像分割。首先，将设计的多头门控位置交叉自注意力编码器引入到U型网络的最后两个层级中，使其能够在图像中学习语义信息的长期依赖关系，弥补卷积操作全局建模能力的不足；其次，在跳跃连接部分引入一个新的位置通道注意力机制，用于编码融合特征的通道信息并保留位置信息，提高网络捕获目标结构的能力；最后，设计一个正则化Dice损失函数，使网络能够在假阳性和假阴性之间权衡，提高网络的分割结果。基于ISBI2017和ISIC2018数据集的对比实验结果表明，本文网络的Dice分别为91.48%和91.30%，IoU分别为84.42%和84.12%，分割精度在整体上优于其他网络，且具有较低的参数量和计算复杂度，即本文网络能够高效地分割皮肤病变图像的目标区域，可为皮肤疾病辅助诊断提供帮助。
医学图像分割 皮肤病变 交叉自注意力编码 位置通道注意力 medical image segmentation skin lesion cross-self-attention coding position channel attention
1 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下，在可见光波段（400~700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差，又解决了大孔径超构透镜的加工难题，具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点，在图像采集领域具有重要的应用价值。
光学器件 超构透镜 消色差 光学稀疏孔径 波前编码 维纳滤波
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，教育部光电信息技术重点实验室，天津 300072
提出了一种通过改变二氧化钒的相变状态，实现太赫兹波在透射、反射之间灵活切换且多频点多波束可调的全空间太赫兹编码超表面。仿真结果表明：当二氧化钒处于绝缘态时，在频率f1=0.6 THz的左旋圆极化波（LCP）垂直入射下，设计的编码超表面可以视为3-bit Pancharatnam-Berry（PB）几何相位编码超表面，产生透射的拓扑荷数为1的涡旋波；当二氧化钒处于金属态时，设计的编码超表面可以视为双频点独立可调的1-bit各向异性反射型编码超表面。频率f2=0.5 THz的正交线极化波（x与y极化波）垂直入射时，该编码超表面可以产生两种不同形式的对称波束；频率f3=0.85 THz的正交线极化波垂直入射时，可以实现雷达散射缩减和对称波束。这对设计多功能的太赫兹波束调控器件有一定的借鉴意义。
表面光学 太赫兹 全空间 可调 编码超表面 多波束
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
针对太赫兹频率选择表面（FSS）单元结构复杂、参数繁多、优化耗时等问题，基于卷积神经网络（CNN）并结合遗传算法，提出一种FSS智能化融合设计方法，并将其应用于典型滤波FSS的性能优化设计。将FSS周期单元拓扑编码为16×16的“0/1”旋转对称序列，收集26000组0.5~3 THz的透反射光谱作为数据集，利用19层CNN实现光谱预测，对测试集的平均绝对误差低至0.06。利用预测光谱与目标光谱的差值，给出各类典型FSS设计的通用目标函数，结合遗传算法，设计实现了带宽为0.1 THz的单频带通和带阻FSS、带宽为0.5 THz的单频带通和带阻FSS、带宽为0.2 THz的双频带通FSS，且均具有良好极化稳定性。计算结果表明，通过优化设计FSS的拓扑编码，可以简洁高效地实现各类典型带通带阻FSS。
频率选择表面 拓扑编码 卷积神经网络 遗传算法 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0424001
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院教育部光电信息技术重点实验室，天津 300072
依据Pancharatnam-Berry（PB）相位原理提出了一种可切换频段的太赫兹编码超表面，其顶层是金属-二氧化钒（VO2）复合结构层，中间是聚酰亚胺介质层，底部为纯金属反射层。编码超表面单元按不同的编码序列排列构成的编码超表面，可以产生多种太赫兹波束形式，并且随着VO2的相变，可以在不改变原波束形式的情况下实现从单频段到双频段的切换功能。通过设计不同的编码序列，令编码超表面分别产生了涡旋波和散射波，对于垂直入射的右旋圆极化波（左旋圆极化波类似）：当VO2处于绝缘态时，在频段1.17~1.37 THz处可以产生与编码序列所对应的波束形式；当VO2相变为金属态时，在0.87~0.92 THz和1.4~1.6 THz两个不同频段处分别获得与VO2处于绝缘态时相同的波束形式，进一步拓宽波束产生的频段。所提出的编码超表面利用了VO2的相变特性增加了太赫兹工作的频段，为实现频段可切换的太赫兹编码超表面提供了思路，在太赫兹波束调控中的调频方面有一定参考意义。
光学器件 太赫兹 编码超表面 二氧化钒 可切换 频段
暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室，广东 广州 510632
基于光纤中的瑞利、布里渊、拉曼等散射效应以及弱反射阵列的分布式光纤传感（DOFS）能够对光纤损耗、温度、应变、振动、声音等多种参量实现长距离、高空间分辨率的实时监测，受到了越来越多的关注，具有非常广阔的应用。在DOFS中使用编码脉冲序列增加DOFS的信号能量，是提高传感性能的一个重要技术途径。因此，编码技术的应用一直是DOFS研究的一个重要领域。综述了DOFS中编码技术的研究进展，阐述了编码技术提高传感性能的技术原理，归纳了不同编码方案的设计和实现方法，分析了不同类型DOFS的技术特征及其相应的编码技术应用方法。最后，对DOFS中的编码技术的发展进行了展望。
传感器 分布式光纤传感器 编码技术 光纤瑞利传感器 光纤布里渊传感器 光纤拉曼传感器 光纤弱光栅阵列传感器
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
布里渊光时域分析仪（BOTDA）因其长距离分布式传感的优势而得到学术界和产业界的广泛研究与应用，光脉冲编码技术可以在不牺牲空间分辨率和测量时间的前提下辅助BOTDA进一步实现可观的信噪比提升，被认为是最高效（高信噪比提升和低硬件成本）的性能提升方法之一，具有显著的优势和应用前景。本文围绕基于光脉冲编码技术的BOTDA，介绍了用于分布式光纤传感领域的几种主流的光脉冲编码技术的原理，综述了近些年基于光脉冲编码的BOTDA传感系统的研究进展。
光纤光学 分布式传感器 受激布里渊散射 光脉冲编码
