【技术实现步骤摘要】
本申请涉及衍射光学元件设计，尤其涉及一种超构表面设计方法、装置、设备及存储介质。
技术介绍
1、随着光学技术的发展，结构光应用已涵盖人脸识别、手势识别、投影仪、三维轮廓重现(3d)、深度测量、防伪辨识等领域。因此对高效的结构光投射器设计需求增加。具体体现在对体积小、设计优化效率高、出射光低均一性误差、视角大等性能的提升。现有技术中的结构光投影模组主要包括垂直腔面激光器(vcsels)、准直透镜以及衍射光学元件(doe)。由于其为分立元件，使得整个模组占用空间较大，对位精度较低。此外，传统doe由于单元尺寸较大，限制了视场角和点阵密度，减少了其在商业三维成像系统中的应用价值。超构表面以其亚波长的特征尺寸，提供了一种高效的相位调制手段，可显著改善视场角、点阵密度及衍射效率，并提升集成度。
2、然而，现有研究多集中在超构表面对正入射平面波的结构光生成，未充分考虑复杂光场多角度入射情况。当使用超构表面与vcsel阵列生成结构光时，由于vcsel阵列的发散角较大，因此在多角度入射的情况下，若仍按正入射设计的超构表面，将导致衍射效率低和高均一性误差。
技术实现思路
1、本申请提供一种超构表面设计方法、装置、设备及存储介质，旨在降低遥感图像目标检测模型在复杂场景中的参数量和计算量，通过引入基于超构表面特性的改进gs算法和复杂光场下多角度结构数据库，确保超构表面在复杂光场多角度入射下仍能准确调制相位，从而实现低均一性误差和高衍射效率的结构光。本申请通过设计准直与分束一体化的超构表面，取
2、本申请不仅可应用于结构光、平顶光生成、全息图制作等任何衍射光学元件设计，同时为增强现实(ar)、虚拟现实(vr)及智能传感等领域提供高效的光学解决方案。
3、第一方面，本申请提供一种超构表面设计方法，包括：
4、在gs算法的基础上引入光栅结构得到基于光栅衍射级次的gs算法模型，利用基于光栅衍射级次的gs算法模型来获取的目标面的采样点位置；
5、构建复杂光场下多角度结构数据库；
6、基于所述目标面的采样点位置以及复杂光场下多角度结构数据库，进行超构表面特性的逆向设计，得到超构表面结构。
7、在一种可能的设计中，所述目标面的采样点位置包括doe面的采样点坐标和像平面的采样点坐标，利用基于光栅衍射级次的gs算法模型来获取的目标面的采样点位置，包括：
8、将doe面的采样点坐标用(m0,n0)表示，doe面总的采样点数为m*n；其中，m0和n0分别为单个光栅周期内离散相位的的第m0行第n0列，m和n分别为单个光栅周期内对横坐标内的相位离散为m个值与对纵坐标内的相位离散为n个值；
9、将像平面的采样点坐标用(m,n)表示，像平面总的采样点数为m*n；其中m和n分别为平面光正入射时二维光栅两个方向的衍射级次。
10、在一种可能的设计中，构建复杂光场下多角度结构数据库，包括：
11、基于如下函数关系式来描述基于结构参数与调制相位的关系：
12、φi＝fi(r)
13、式中，r为基元结构参数；i为第i个衍射级次；φi表示第i个衍射级次下，基元结构参数对应的调制相位；
14、根据所述函数关系式，获得不同入射角度下的纳米柱与相位之间的映射关系；并基于不同入射角度下的纳米柱与相位之间的映射关系来构建复杂光场下多角度结构数据库。
15、在一种可能的设计中，基于所述目标面的采样点位置以及复杂光场下多角度结构数据库，进行超构表面特性的逆向设计，得到超构表面结构，包括：
16、将目标振幅与关于x轴和y轴对称的随机相位合成为像平面的复振幅u'i；
17、将所述复振幅经过傅里叶逆变换处理，生成doe面的复振幅；
18、基于从doe面的复振幅中提取出的相位信息，将恢复doe相位信息通过正入射情况下纳米柱与相位的对应关系得到超构表面的结构参数；其中，r(m0,n0)表示纳米柱与相位相关参数，φ(m0,n0)表示第m0行第n0列的离散相位，表示平面波正入射时相位与纳米柱参数之间的对应关系，是复杂光场下多角度结构数据库的一部分；
19、使用φi'(m0,n0)＝fi(r(m0,n0))计算在不同入射角度下的超构表面相位调制效果，并叠加由平面光斜入射引起的相位因子ψi，得到衍射面的总相位φi”，计算公式为：
20、
21、其中，φi'为平面波入射角度等同于正入射时第i级的衍射角度时超构表面产生的相位调制，lx为单个光栅周期的横坐标长度，ly为单个光栅周期的纵坐标长度；
22、将衍射面的复振幅可表示exp(iφi”(m0,n0))，通过对复振幅进行傅里叶变换，得到远场的各衍射级复振幅分布ui”(m0,n0)，计算公式为：
23、ui”(m0,n0)＝fft(exp(iφi”(m0,n0)))
24、式中，fft表示傅里叶变换，exp表示指数函数；
25、以优化不同入射角下的远场衍射级次振幅与其目标衍射级次振幅之间的匹配度作为目标，构建目标函数：
26、fomi(m,n)＝(ui”(m,n)-ati(m,n))2
27、式中，ati(m,n)为平面波入射角度等同于正入射时第i级的衍射角度时的目标振幅分布，fomi(m,n)为平面波入射角度等同于正入射时第i级的衍射角度时目标函数的值，u”i”(m,n)为平面波入射角度等同于正入射时第i级的衍射角度时经过超构表面调制后在远场的各衍射级复振幅分布；
28、通过目标函数对doe面相位φi”的导数，得到相应的相位梯度，所述目标函数关于doe面相位的梯度表达式为：
29、
30、式中，表示u”i共轭，表示ati(m,n)的共轭，real表示取实部，conj表示取共轭；
31、根据相位与纳米柱几何参数之间的关系φ＝fi(r)，通过如下公式计算目标函数值对纳米柱半径的梯度：
32、
33、利用目标函数值对纳米柱半径的梯度，每次迭代中使用极大极小值法更新纳米柱半径r(m0,n0)，更新公式为：
34、
35、式中，k为梯度学习率因子，max为最大值函数；
36、在得到初步优化的超构表面参数后，通过正入射下的公式φ(m0,n0)＝f0(r(m0,n0))得到超构表面对相位的调制；设置振幅a0(m0本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超构表面设计方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的超构表面设计方法，其特征在于，所述目标面的采样点位置包括DOE面的采样点坐标和像平面的采样点坐标，利用基于光栅衍射级次的GS算法模型来获取的目标面的采样点位置，包括：
3.根据权利要求2所述的超构表面设计方法，其特征在于，构建复杂光场下多角度结构数据库，包括：
4.根据权利要求3所述的超构表面设计方法，其特征在于，基于所述目标面的采样点位置以及复杂光场下多角度结构数据库，进行超构表面特性的逆向设计，得到超构表面结构，包括：
5.根据权利要求4所述的超构表面设计方法，其特征在于，在基于所述目标面的采样点位置以及复杂光场下多角度结构数据库，进行超构表面特性的逆向设计，得到超构表面结构之后，所述方法还包括：
6.根据权利要求4所述的超构表面设计方法，其特征在于，在基于所述目标面的采样点位置以及复杂光场下多角度结构数据库，进行超构表面特性的逆向设计，得到超构表面结构之后，所述方法还包括设计保护层与增透膜；其中，以单个周期内衍射效率与均匀度最佳所对应的厚
7.一种超构表面设计装置，其特征在于，所述装置包括：
8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1-6中任一项所述的超构表面设计方法。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的超构表面设计方法。
...【技术特征摘要】
1.一种超构表面设计方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的超构表面设计方法，其特征在于，所述目标面的采样点位置包括doe面的采样点坐标和像平面的采样点坐标，利用基于光栅衍射级次的gs算法模型来获取的目标面的采样点位置，包括：
3.根据权利要求2所述的超构表面设计方法，其特征在于，构建复杂光场下多角度结构数据库，包括：
4.根据权利要求3所述的超构表面设计方法，其特征在于，基于所述目标面的采样点位置以及复杂光场下多角度结构数据库，进行超构表面特性的逆向设计，得到超构表面结构，包括：
5.根据权利要求4所述的超构表面设计方法，其特征在于，在基于所述目标面的采样点位置以及复杂光场下多角度结构数据库，进行超构表面特性的逆向设计，得到超构表面结构之后，所述方法还包括：
6.根据权利要求4所述的超构表面设计方法，其特征在于，在基于所述目标...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓子岚，万舟，吴永辉，李枫竣，史坦，李向平，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：
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