本發(fā)明涉及光學(xué)器件，尤其涉及自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)、成像儀和目標(biāo)識別方法。

背景技術(shù)：

1、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional?neural?networks,?cnns）的興起，以及大規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的涌現(xiàn)，為眾多人工智能應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管這些進(jìn)展顯著提升了性能，但通常是以增加模型復(fù)雜度為代價(jià)的，這進(jìn)而又要求更多的計(jì)算資源。

2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用量和復(fù)雜性的增長導(dǎo)致了能源消耗的增加，尤其是在計(jì)算能力有限的情況下，給實(shí)時(shí)決策帶來了挑戰(zhàn)。例如對于機(jī)器視覺，因?yàn)樘幚砥骱统上衿餍枰邆渚o湊、輕便和節(jié)能的特點(diǎn)，以支持板載處理，同時(shí)確保低功耗和高吞吐量的并行操作。因此，這些相互沖突的需求凸顯了在人工智能需求不斷擴(kuò)大的背景下，開發(fā)創(chuàng)新的軟件和硬件解決方案的必要性。

3、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提高計(jì)算速度和改善各種應(yīng)用中的能效。通過將計(jì)算任務(wù)集成到前端成像光學(xué)中，機(jī)器視覺計(jì)算可以得到顯著加速。自由空間光學(xué)計(jì)算，特別是傅里葉光學(xué)，早于現(xiàn)代數(shù)字電路，并能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器視覺架構(gòu)中常見的高度并行卷積操作。

4、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了機(jī)器視覺、智能醫(yī)療保健和自動駕駛系統(tǒng)的突破性進(jìn)步。然而，固定光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模參數(shù)調(diào)整而無需修改物理組件方面遇到了巨大的挑戰(zhàn)，限制了它們處理復(fù)雜應(yīng)用場景的能力，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性仍然欠缺。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)、成像儀和目標(biāo)識別方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較低的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明提供一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，包括層疊設(shè)置的偏振片、電極層、液晶層和超表面層；通過對電極層施加電壓，控制液晶層中液晶分子的轉(zhuǎn)向配合偏振片以調(diào)節(jié)入射圖像中光線的振幅；超表面層對調(diào)節(jié)振幅后的光線進(jìn)行相位調(diào)節(jié)并響應(yīng)，通過空間復(fù)用生成多通道的b×b光斑矩陣，以通過光斑矩陣確定出射的特征圖像；b表示光斑矩陣的行列數(shù)；光斑矩陣中不同的光斑亮度用于表征不同的卷積核權(quán)重；其中，電極層中包括多個(gè)子電極，液晶層中包括多個(gè)像素單元，超表面層中包括多個(gè)周期分布的納米柱，子電極、像素單元和納米柱之間具有對應(yīng)關(guān)系；通過控制各個(gè)子電極的施加電壓在對應(yīng)的像素單元上，配合偏振片進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)，再結(jié)合超表面層中對應(yīng)的納米柱的相位調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)光斑矩陣中各個(gè)光斑亮度的獨(dú)立調(diào)節(jié)；自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)的復(fù)振幅場表示為：

3、；

4、其中，m和n分別表示點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)中元素的行號總數(shù)和列號總數(shù)，n為第n個(gè)行號，m為第m個(gè)列號；表示每個(gè)元素的相應(yīng)權(quán)重；表示工作波長；x和y分別表示超表面層的平面中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的位置信息；表示預(yù)先設(shè)計(jì)的沿x方向的光線傳輸角度；表示預(yù)先設(shè)計(jì)的沿y方向的光線傳輸角度；i表示常數(shù)。

5、根據(jù)本發(fā)明提供的一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，液晶層的厚度取值范圍是1微米至10微米，子電極的寬度取值范圍是500納米至100微米；子電極的長度取值范圍是500納米至100微米；納米柱的橫截面圖形為方形、圓柱或者十字形；納米柱橫截面圖形的長度取值范圍是100納米至1000納米；納米柱的高度取值范圍是100納米至1000納米；納米柱的分布周期的取值范圍是200納米至1000納米。

6、根據(jù)本發(fā)明提供的一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，液晶層的性質(zhì)表示為：

7、；

8、其中，表示液晶分子的轉(zhuǎn)向；表示常軸折射率；表示非常軸折射率；表示有效折射率。

9、根據(jù)本發(fā)明提供的一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，電極層包括第一電極層和第二電極層；偏振片設(shè)置在超表面層上；第一電極層設(shè)置在偏振片上；液晶層設(shè)置在第一電極層上；第二電極層設(shè)置在液晶層上。

10、根據(jù)本發(fā)明提供的一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，還包括第一透光基板層和第二透光基板層；超表面層設(shè)置在第一透光基板層上；第二透光基板層設(shè)置在第二電極層上。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，超表面層用于將入射圖像與光斑矩陣中表征的數(shù)值進(jìn)行點(diǎn)積運(yùn)算，得到特征圖像。

12、根據(jù)本發(fā)明提供的一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，第一電極層和第二電極層的材料均為氧化銦錫。

13、根據(jù)本發(fā)明提供的一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，第一透光基板層和第二透光基板層的材料均為玻璃。

14、本發(fā)明還提供一種基于光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成像儀，包括光電探測器和上述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)；其中，自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)用于將接收到的圖像的光線進(jìn)行調(diào)諧后得到特征圖像，光電探測器用于接收自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)的特征圖像的光線并成像。

15、本發(fā)明還提供一種基于光電混合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識別方法，使用上述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，基于光電混合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識別方法包括：通過自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)對待識別目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷積處理，得到特征增強(qiáng)后的特征圖像；通過光電探測器將特征圖像由光信號轉(zhuǎn)化為電信號；將電信號的特征圖像輸入至數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)識別，得到數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的識別結(jié)果。

16、本發(fā)明提供的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)、成像儀和目標(biāo)識別方法，其中自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)包括層疊設(shè)置的偏振片、電極層、液晶層和超表面層；通過對電極層施加電壓，控制液晶層中液晶分子的轉(zhuǎn)向配合偏振片以調(diào)節(jié)入射圖像中光線的振幅；超表面層對調(diào)節(jié)振幅后的光線進(jìn)行相位調(diào)節(jié)并響應(yīng)，通過空間復(fù)用生成多通道的b×b光斑矩陣，以通過光斑矩陣確定出射的特征圖像；b表示光斑矩陣的行列數(shù)；光斑矩陣中不同的光斑亮度用于表征不同的卷積核權(quán)重；其中，電極層中包括多個(gè)子電極，液晶層中包括多個(gè)像素單元，超表面層中包括多個(gè)周期分布的納米柱，子電極、像素單元和納米柱之間具有對應(yīng)關(guān)系；通過控制各個(gè)子電極的施加電壓在對應(yīng)的像素單元上，配合偏振片進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)，再結(jié)合超表面層中對應(yīng)的納米柱的相位調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)光斑矩陣中各個(gè)光斑亮度的獨(dú)立調(diào)節(jié)。通過上述方式，本發(fā)明中液晶層是光振幅可調(diào)，超表面層是相位調(diào)控，提高了成像質(zhì)量和最小分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)處理各種編碼信息，從而提高對物體的識別準(zhǔn)確性和魯棒性。

技術(shù)特征：

1.一種自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括層疊設(shè)置的偏振片、電極層、液晶層和超表面層；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電極層包括第一電極層和第二電極層；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括第一透光基板層和第二透光基板層；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，

9.一種基于光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成像儀，其特征在于，包括光電探測器和權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)；

10.一種基于光電混合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識別方法，其特征在于，使用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)，所述基于光電混合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識別方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，提供自主調(diào)諧超表面結(jié)構(gòu)、成像儀和目標(biāo)識別方法，該結(jié)構(gòu)包括偏振片、具有多個(gè)子電極的電極層、具有多個(gè)像素單元的液晶層和具有多個(gè)周期分布的納米柱的超表面層；通過控制各個(gè)子電極的施加電壓在對應(yīng)的像素單元上，配合偏振片進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)，再結(jié)合超表面層中對應(yīng)的納米柱的相位調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)光斑矩陣中各個(gè)光斑亮度的獨(dú)立調(diào)節(jié)；通過空間復(fù)用生成多通道的B×B光斑矩陣，以通過光斑矩陣確定出射的特征圖像；光斑矩陣中不同的光斑亮度用于表征不同的卷積核權(quán)重。本發(fā)明中液晶層是光振幅可調(diào)，超表面層是相位調(diào)控，提高了成像質(zhì)量和最小分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)處理各種編碼信息，從而提高對物體的識別準(zhǔn)確性和魯棒性。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭臻榮,王萌光
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/3/20