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

压缩传感 欠定系统 计算机科学 计算机视觉 高斯分布 迭代重建 对象(语法) 最优化问题 人工智能 利用 算法 理想(伦理) 歧管(流体力学) 基质(化学分析) 反射(计算机编程) 影像学 目标检测 散射 缩小 光学 压扁 宽带 医学影像学 稀疏矩阵
作者
Gaurav Arya (773032),William F. Li (14412735),Charles Roques-Carmes (4427827),Marin Soljačić (1409092),Steven G. Johnson (137456),Zin Lin (3962507)
出处
期刊: [Figshare (United Kingdom)]
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.4c00259.s001
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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