【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于光學成像、光譜信號處理領域，尤其涉及一種基于全硅介質超構表面中類似于bayer濾光片的中紅外光譜路由器及其利用多目標遺傳算法對其進行結構逆設計。
技術介紹
1、中波紅外波段成像，因其可晝夜工作、被動成像特點被廣泛應用于軍事偵察、安全監視、無人駕駛、航天遙感領域中。中波紅外濾光片是該波段探測器上的關鍵器件之一。尤其在低照度的夜視環境下，濾光設計直接影響探測器的光譜和彩色成像質量。常見的設計方法包括前置濾光輪裝置或者后端圖像增強和偽彩色算法，然而濾光輪等傳統硬件設計局限于能量利用率低、機械系統設計困難問題，而后端算法也存在訓練時間長、過擬合缺點。上述方法在隨著集成小型化、低時延要求日益提高的背景下難以滿足應用，從而嚴重限制中波夜視成像領域的發展。
2、超表面是一種由單層亞波長尺寸的金屬或介質納米天線陣列而構成的二維新型平面超材料。具有波長級別厚度的超表面，能夠任意調控光的相位、偏振、強度及其他參數。如今通過超表面光場調控的超高分辨率、多通道多維度的特點已經實現了多種功能，其中包括消像差微透鏡、高質量全息技術、光束偏轉與生成。超表面濾光片是提高低照度下光譜能量利用率、實現光譜路由的有利候選者。
3、傳統的超表面設計是通過確定納米天線的結構參數和排列分布來實現的，然而這樣的正向設計需要大量的電磁理論和工程經驗支撐，且設計中需要逐步逐點掃描參數來確定最佳結構。這極大的提高了設計門檻和成本，也無法實現較為復雜的功能。
4、綜上，有必要提出一種在中紅外波段下實現多通道的超表面濾光片和該超表面針
技術實現思路
1、為解決上述問題，本專利技術首次提出一種中波紅外(3μm～5μm)超表面濾光片，并提供針對性的逆向設計算法，利用超表面光場調控特性實現四個不同波段光譜路由到指點的焦平面上，與單方向光譜散射機制不同，這種超表面在能量利用率和分段光譜收集效率方面實現顯著提升，從而在低照度夜視成像和中波紅外彩色成像領域顯示出比常見成像傳感器獲得更高的成像強度。
2、基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，包括以下步驟：
3、步驟1：在中波紅外波段且同一偏振條件的平面入射光下，利用時域有限差分法仿真來掃描計算用于構成超構表面的橢圓超原子的幾何參數，并獲得對應維度下的光學響應，從而得到不同幾何參數下的超原子對光場振幅、相位調控的關系，。所述的超原子的幾何參數包含超原子的長軸長度a、短軸長度b、柱狀高度h、分布周期p。其中橢圓并沒有發生旋轉，即標準橢圓。
4、步驟2：在設計階段，把超表面分為四個等面積的區域，分別映射于在目標平面上四個波段的目標分布區域。之后再把整個超表面“像素化”，每個像素單元格尺寸為p，在每個像素單元(方形微納米柱)被分配為步驟1選定尺寸的超原子或空氣，分別用用“1”或“0”表示。這樣就把超表面平面映射為僅含有“0”“1”的方陣。
5、步驟3：引用遺傳算法，根據行列大小由步驟2所選定的矩陣，隨機產生k個包含有超表面二進制編碼模式的初始種群數。這些編碼數字被定義為材料或自由空間，定義每個二進制編碼模式的超表面的路由屬性適應度函數，即適應度f。
6、
7、其中，λm1和λm2用于表示最小和最大波長，下標m分別代表對應的四個波段，即a的最小波長和最大波長為3μm和3.5μm，b為3.5μm和4μm，c為4μm和4.5μm，d為4.5μm和5μm。ta、tb、tc、td分別是成像平面上各波段區域的光強與入射到超表面區域的光強之比，a、b、c、d是每個波段積分的自適應權重。該函數的皆在于最大化不同波段區域內特點的波段的光能量，從而達到不同波段的光指定路由傳輸到區域的目的，提高光譜整體利用率。
8、步驟4：利用lumerical?fdtd?solutions和python聯合仿真，設置初始權重因子，計算初始種群二進制編碼模式下k個超表面個體的適應度。
9、步驟5：設置迭代數為g，交叉概率pc，變異概率pa。根據步驟4得到的父代，生成k個被選中概率值，根據輪盤賭的原則，適應度函數值越高，被選中的概率就越大。
10、步驟6：循環選中兩個父代按照一定概率進行交叉變異得到一個子代，用新的個體取代父代中適應度較差的一定數量的個體最終得到新的一代。并仿真和計算適應度。
11、步驟7：重復步驟6直到迭代結束或者適應函數收斂。其中四個權重因子數值按照一定規則進行自適應改變，保證迭代過程中目標函數持續得到優化。輸出優化后適應度最大的超表面二進制編碼矩陣。
12、步驟8：為了提高自由度而進一步優化適應度函數，利用改進的二進制搜索算法dbs進一步迭代優化，設置迭代數g1，選中一個初始單元格作為優化起點，改變其中狀態，包括“0”和“1”的翻轉，橢圓超原子圍繞橢圓中心的三個旋轉角度(45°、90°、135°)，聯合仿真計算每個狀態下的適應度函數，保留最大適應度的狀態，逐步掃描每個單元格，直到目適應度函數收斂，其中權重因子不變，最終輸出適應度最大的超表面編碼模式。
13、還包括步驟9：根據步驟8得到的最佳幾何結構參數，制作用于中波紅外濾光片的超表面，應用于中波紅外探測領域中，改善低照成像性能。
14、本專利技術的有益效果為：
15、(1)本專利技術提出了一種新型超表面濾光片路由設計，僅通過單層超表面的結構就能實現光譜路由而達到濾光效果，而非類似常見濾光片損失過多光譜能量信息；由此可見，本專利技術在硬件方面上大大提高了中紅外成像的光譜能量利用率，同時大大減少了濾光系統的臃腫。也為中波夜視彩色成像應用提供了新的設計思路。
16、(2)本專利技術提供一種分階段的混合逆向設計算法，將遺傳算法和二進制暴力搜索算法dbs分階段地優化超表面結構參數。將兩者的特性結合起來，大大提高了逆向設計設計的自由度，相比于傳統的正向設計需要復雜的算法和步驟，該設計方法更簡單，設計準確性更高。
17、(3)與常見的超表面設計方法相比，該方法實現了端到端設計，只需確定目標要求，而不要用戶在設計過程中花費時間處理分析。所有的流程都來自于fdtd軟件和python中自動優化，大大降低了人工設計成本。提高了使用便捷性。
本文檔來自技高網...【技術保護點】
1.一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，其特征在于，還包括步驟9，根據步驟8得到的最佳幾何結構參數，制作用于中波紅外濾光片的超表面，應用于中波紅外探測領域中，改善低照成像性能。
3.如權利要求1所述的一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，其特征在于，步驟3中，適應度函數如下：
4.如權利要求1所述的一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，其特征在于，步驟5中，根據輪牌賭原則個體被選中的概率定義為：
5.如權利要求1和3所述的一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，其特征在于，步驟6中，自適應權重因子為迭代數i和當前迭代數前一代i-1的四個透過率的函數，即：
【技術特征摘要】
1.一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的設計方法，其特征在于，還包括步驟9，根據步驟8得到的最佳幾何結構參數，制作用于中波紅外濾光片的超表面，應用于中波紅外探測領域中，改善低照成像性能。
3.如權利要求1所述的一種基于逆向設計的中波紅外超表面濾光片的...
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。