D-Flat: A Differentiable Flat-Optics Framework for End-to-End Metasurface Visual Sensor Design

平面的 可微函数 计算机科学 模块化设计 光学 光电探测器 极化(电化学) 散射 物理 计算机图形学(图像) 数学 操作系统 数学分析 化学 物理化学
作者
Dean Hazineh,Soon Wei Daniel Lim,Zhujun Shi,Federico Capasso,Todd Zickler,Qi Guo
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:2
标识
DOI:10.48550/arxiv.2207.14780
摘要

Optical metasurfaces are planar substrates with custom-designed, nanoscale features that selectively modulate incident light with respect to direction, wavelength, and polarization. When coupled with photodetectors and appropriate post-capture processing, they provide a means to create computational imagers and sensors that are exceptionally small and have distinctive capabilities. We introduce D-Flat, a framework in TensorFlow that renders physically-accurate images induced by metasurface optical systems. This framework is fully differentiable with respect to metasurface shape and post-capture computational parameters and allows simultaneous optimization with respect to almost any measure of sensor performance. D-Flat enables simulation of millimeter to centimeter diameter metasurfaces on commodity computers, and it is modular in the sense of accommodating a variety of wave optics models for scattering at the metasurface and for propagation to photosensors. We validate D-Flat against symbolic calculations and previous experimental measurements, and we provide simulations that demonstrate its ability to discover novel computational sensor designs for two applications: single-shot depth sensing and single-shot spatial frequency filtering.

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