[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

说明书

本发明公开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，属于光学全息领域。本发明实现方法为：利用数据插值方法或深度学习方法丰富和细化超原子的响应数据库；将目标图像强度传输回全息面得到复振幅分布，利用重建图像和目标图像构建损失函数，利用伴随算法计算梯度分布；利用非线性优化算法对损失函数进行最大或最小值优化，再更新超表面参数；基于优化出超表面几何参数，实现多波长和多偏振通道的超表面全息。本发明能够通过超原子响应数据库的更换实现材料的更换，能够通过对衍射传输算法的更换实现近场或远场的图像重建，在逆向设计过程中实现重建效果的最优化。本发明能够应用于显示、成像、信息存储、显微术和防伪加密领域。

技术领域

本发明涉及一种超表面设计的优化方法，尤其涉及基于逆向设计实现输入目标图像后直接输出构成超表面的超原子的几何参数和位置信息的方法，属于光学全息领域。

背景技术

全息技术是一种非常有前景的信息处理技术，它能够记录并再现光场的振幅和相位信息，因而在显示、成像、信息存储、显微术和防伪加密等多个领域都得到了广泛应用。在计算全息技术中，用于编码复振幅的设备例如空间光调制器(SLM)存在着工作带宽窄、视场角小、仅能实现纯相位或振幅调制、具有多级衍射级次串扰和孪生像等缺点，并且商用空间光调制器很难实现多维度全息复用，这严重限制了全息技术在日常生活的应用。

超表面是一种新型二维平面超材料，通常由单层亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成。超表面特有的亚波长像素分辨率的特点，使得利用超表面产生的全息再现像具有分辨率高、视场角大以及不存在多级衍射级次串扰等优点，弥补了上述全息显示和成像的不足之处。超表面可以对光场进行多维度和多通道的调控，非常适于多维度光场调控，从而能进一步扩大全息技术的信息容量。传统多维度多通道超表面全息设计方法通过计算全息算法获取多幅全息图的复振幅分布，再通过搜索算法利用扫描得到的超原子-光场响应数据库对复振幅分布进行编码，最后得到超表面中各个超原子的几何参数。在传统的设计方法中，需要逐个寻找超原子结构，耗时长，尤其对于多维度多通道复用超表面全息还存在全息算法复杂、搜索算法复杂的缺点，这导致传统超表面全息的设计方法掌握门槛高、设计步骤繁多、设计程序复杂。

发明内容

针对现有多维度多通道超表面全息设计方法存在全息算法复杂、搜索超表面结构费时费力等问题，本发明主要目的是提供一种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，从目标全息图分布出发逆向推演出目标图像复振幅分布对应的超表面分布，有效提高超表面的精度和优化效率，便于实现多波长和多偏振通道的超表面全息。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开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，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。

基于公式(1)构建光学响应数据库

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。

作为优选，利用切比雪夫插值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。