[发明专利]基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法

权利要求书

1.基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：在不同波长不同偏振态的入射光下，利用电磁仿真方法扫描用于构成超表面的超原子的几何参数，并获得对应维度下的光学响应，并构建光学响应数据库(A_xx，φ_xx)和(A_yy，φ_yy)，其中t_xx＝A_xxexp(iφ_xx)，t_yy＝A_yyexp(iφ_yy)；所述的超原子的几何参数包括超原子的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期长度P；

步骤二：利用数据插值方法或深度学习方法对步骤一中得到的光学响应数据库中的光学响应数据进行插值，丰富和细化超原子的响应数据库；所述响应数据库中的数据为超原子几何参数与复振幅响应数据之间的对应关系；

步骤三：基于逆向设计思路，取目标图像复振幅分布与重建的图像分布的误差作为算法迭代判据，故定义损失函数为目标图像复振幅分布U_tp和重建图像复振幅分布U_0p的差的平方，即

步骤四：由于步骤三所述的目标函数存在不连续问题，所述不连续问题不利于对目标函数进行梯度求解计算；通过在步骤三所述的目标函数中引入虚拟变量t使目标函数连续，步骤三构建的多维度多通道复用超表面优化问题转化为便于梯度解算的连续的多维度多通道复用超表面优化问题，定义为多维度多通道复用超表面优化问题二；

步骤五：在步骤三构建的约束条件下，根据目标全息图像素数目(N_x,N_y)和采样间隔确定全息图上各采样点的分布，每个采样点放置一个超原子，随机给定每个超原子几何参数根据超原子几何参数分布，在步骤二中插值后的响应数据库中寻找对应的全息图复振幅分布U_1p，其中p为第p个通道，p取x和y两个通道，定义p＝1，2；根据菲涅耳衍射公式，求得在目标平面的重建图像的振幅分布U_0p；

步骤六：采用步骤五中得到的重建图像的振幅分布U_0p和目标图像振幅分布U_tp，利用步骤三构建的损失函数计算损失函数的数值，判断计算得到的损失函数数值是否满足设定的停止迭代阈值；

步骤七：若步骤六中损失函数还未达到设定阈值，利用伴随算法计算步骤四中目标函数和约束函数的梯度，将梯度信息和目标函数输入到步骤四构建的多维度多通道复用超表面优化问题二中，采用非线性凸优化算法对多维度多通道复用超表面优化问题二进行迭代优化结算，输出更新后的N_x×N_y个超原子参数信息，返回步骤五迭代，直至达到设定阈值，输出用于全息成像的最优超原子几何参数，即基于逆向设计实现多维度多通道复用超表面优化。

2.如权利要求1所述的基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法，其特征在于：还包括步骤八，根据步骤七得到的最优超原子几何参数，制作用于全息的高精度超表面，应用于显示、成像、信息存储、显微术和防伪加密领域，对应改善显示、成像、信息存储、显微术和防伪加密性能。

3.如权利要求1或2所述的基于逆向设计的多维度多通道复用超表面全息的优化方法，其特征在于：步骤一中，基于公式(1)构建光学响应数据库