本發明涉及光學設計,尤其涉及一種超表面光學器件及其設計方法、裝置、計算機設備及介質。
背景技術:
1、超表面光學器件是指一種尺寸小于工作波長的人工二維材料。超表面光學器件的基本結構單元為納米結構單元,其尺寸小于工作波長,處于納米量級。相比傳統光學元件,超表面光學器件可以實現亞波長量級的光場操控,且具有更高的設計自由度。
2、但更高的設計自由度也意味著更大的設計難度。傳統的超表面光學器件設計方法通過局部周期性近似以犧牲設計自由度換取設計難度的降低,無法滿足高性能光學器件的設計要求。
技術實現思路
1、本發明的目的之一在于提供一種超表面光學器件及其設計方法、計算機設備及介質,以提高超表面光學器件的設計精度,滿足高性能光學器件的設計要求。
2、本發明實施例的技術方案是這樣實現的:
3、第一方面,本發明實施例提供了一種超表面光學器件的設計方法,所述設計方法包括:獲取待設計超表面光學器件的目標遠場圖像,所述目標遠場圖像的每個像素點包括位置信息和遠場特性信息;將所述目標遠場圖像輸入超表面光學器件設計模型中,輸出所述待設計超表面光學器件的納米結構單元的預測配置參數;其中,所述超表面光學器件設計模型包括:概率分析子模型,用于以所述目標遠場圖像為輸入,獲取所述目標遠場圖像的至少兩個概率映射圖,每個所述概率映射圖分別用于表示所述目標遠場圖像的每個像素點屬于一光強類別的概率;全連接條件隨機場子模型,用于基于所述至少兩個概率映射圖和所述目標遠場圖像的每個像素點的位置信息和遠場特性信息,獲取所述待設計超表面光學器件的預測近場圖像;配置參數確定子模型,用于以所述預測近場圖像為輸入,確定所述待設計超表面光學器件的納米結構單元的預測配置參數。
4、進一步地,所述遠場特性信息以復矢量形式表示,包括實部分量和虛部分量。
5、進一步地,所述全連接條件隨機場子模型的建模過程,包括:
6、基于所述至少兩個概率映射圖,確定一元勢函數;
7、基于遠場圖像的每個像素點的位置信息和遠場特性信息,確定二元勢函數;
8、根據所述一元勢函數和二元勢函數構建所述全連接條件隨機場模型。
9、進一步地,所述一元勢函數為:
10、h1(xk)=-logp(xk),
11、其中,xk表示像素點k所屬的光強類別,p(xk)表示像素點k屬于光強類別xk的概率。
12、進一步地,所述二元勢函數為:
13、
14、其中,ω1和ω2均為權重參數,qk和ql分別為像素點k和像素點l的位置,ireal,k和ireal,l分別為像素點k和像素點l對應的實部分量,iimag,k和iimag,l分別為像素點k和像素點l對應的虛部分量,σq、σreal和σimag均為超參數。
15、進一步地,所述超表面光學器件設計模型是基于包括配置參數樣本、近場圖像樣本和遠場圖像樣本的組合樣本訓練得到的。
16、進一步地,所述全連接條件隨機場子模型是基于訓練好的概率分析子模型、訓練好的配置參數確定子模型和組合樣本訓練得到的。
17、進一步地,所述全連接條件隨機場子模型和配置參數確定子模型是基于訓練好的概率分析子模型和組合樣本進行聯合訓練得到的。
18、第二方面,本發明實施例提供了一種超表面光學器件的設計裝置,包括:
19、獲取模塊,用于獲取待設計超表面光學器件的目標遠場圖像,所述目標遠場圖像的每個像素點包括位置信息和遠場特性信息;
20、輸出模塊,用于將所述目標遠場圖像輸入超表面光學器件設計模型中,輸出所述待設計超表面光學器件的納米結構單元的預測配置參數;
21、其中,所述超表面光學器件設計模型包括:
22、概率分析子模型,用于以所述目標遠場圖像為輸入,獲取所述目標遠場圖像的至少兩個概率映射圖,每個所述概率映射圖分別用于表示所述目標遠場圖像的每個像素點屬于一光強類別的概率;
23、全連接條件隨機場子模型,用于基于所述至少兩個概率映射圖和所述目標遠場圖像的每個像素點的位置信息和遠場特性信息,獲取所述待設計超表面光學器件的預測近場圖像;
24、配置參數確定子模型,用于以所述預測近場圖像為輸入,確定所述待設計超表面光學器件的納米結構單元的預測配置參數。
25、第三方面,本發明實施例提供了一種超表面光學器件,包括:所述超表面光學器件根據上述任一項所述的超表面光學器件的設計方法確定的預測配置參數進行配置。
26、第四方面,本發明實施例提供了一種光學系統,所述光學系統包括如權利要求10所述的超表面光學器件。
27、第五方面,本發明實施例提供了一種電子設備,包括:
28、至少一個處理器;
29、存儲器,所述存儲器存儲有可在所述處理器上運行的計算機程序,其特征在于,所述處理器執行所述程序時執行上述任一項所述的設計方法的步驟。
30、第六方面,本發明實施例提供了一種計算機存儲介質,所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序,其特征在于,所述計算機程序被處理器執行時執行上述任一項所述的設計方法的步驟。
31、本申請實施例超表面光學器件設計方法,首先利用卷積神經網絡提取超表面光學器件的納米結構單元之間的局部相關作用,然后利用全連接條件隨機場刻畫遠程相互作用的能力,基于超表面光學器件的目標遠場圖像預測其近場圖像,該預測過程同構于光場從超表面光學器件傳播到遠場的過程中,納米結構單元對光場調控的局域和遠程相互作用,并最終基于該近場圖像預測納米結構單元配置參數。本實施例超表面光學器件設計方法超越了傳統的數值設計方法和僅依靠神經網絡的設計方法,可有效提高超表面光學器件的設計精度,滿足高性能光學器件的設計要求。
1.一種超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述設計方法包括:
2.根據權利要求1所述的超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述遠場特性信息以復矢量形式表示,包括實部分量和虛部分量。
3.根據權利要求2所述的超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述全連接條件隨機場子模型的建模過程,包括:
4.根據權利要求3所述的超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述一元勢函數為:
5.根據權利要求3所述的超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述二元勢函數為:
6.根據權利要求1所述的超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述超表面光學器件設計模型是基于包括配置參數樣本、近場圖像樣本和遠場圖像樣本的組合樣本訓練得到的。
7.根據權利要求6所述的超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述全連接條件隨機場子模型是基于訓練好的概率分析子模型、訓練好的配置參數確定子模型和組合樣本訓練得到的。
8.根據權利要求6所述的超表面光學器件的設計方法,其特征在于,所述全連接條件隨機場子模型和配置參數確定子模型是基于訓練好的概率分析子模型和組合樣本進行聯合訓練得到的。
9.一種超表面光學器件的設計裝置,其特征在于,包括:
10.一種超表面光學器件,其特征在于,包括:所述超表面光學器件根據權利要求1-8任一項所述的超表面光學器件的設計方法確定的預測配置參數進行配置。
11.一種光學系統,其特征在于,所述光學系統包括如權利要求10所述的超表面光學器件。
12.一種電子設備,包括:
13.一種計算機存儲介質,所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機程序,其特征在于,所述計算機程序被處理器執行時執行如權利要求1-8任一項所述的設計方法的步驟。