End-to-End Optimization of Metasurfaces for Imaging with Compressed Sensing

欠定系统 压缩传感 管道(软件) 迭代重建 高斯分布 最优化问题 算法 计算机视觉 计算机科学 物理 人工智能 量子力学 程序设计语言
作者
Gaurav Arya,William F. Li,Charles Roques‐Carmes,Marin Soljačić,Steven G. Johnson,Zin Lin
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:11 (5): 2077-2087 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.4c00259
摘要

We present a framework for the end-to-end optimization of metasurface imaging systems that reconstruct targets using compressed sensing, a technique for solving underdetermined imaging problems when the target object exhibits sparsity (e.g., the object can be described by a small number of nonzero values, but the positions of these values are unknown). We nest an iterative, unapproximated compressed sensing reconstruction algorithm into our end-to-end optimization pipeline, resulting in an interpretable, data-efficient method for maximally leveraging metaoptics to exploit object sparsity. We apply our framework to super-resolution imaging and high-resolution depth imaging with a phase-change material. In both situations, our end-to-end framework effectively optimizes metasurface structures for compressed sensing recovery, automatically balancing a number of complicated design considerations to select an imaging measurement matrix from a complex, physically constrained manifold with millions of dimensions. The optimized metasurface imaging systems are robust to noise, significantly improving over random scattering surfaces and approaching the ideal compressed sensing performance of a Gaussian matrix, showing how a physical metasurface system can demonstrably approach the mathematical limits of compressed sensing.
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