用于选择参数以近似结构颜色的期望性质的方法和系统

用于选择参数以近似结构颜色的期望性质的方法和系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年3月3日提交的题为“用于选择参数以近似结构颜色的期望性质的方法和系统(methods and systems for selecting parameters to approximate desired properties of structural color)”的美国临时专利申请第62/984,582号的优先权，所述美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文，并且要求于2020年7月13日提交的题为“用于选择参数以近似结构颜色的期望性质的方法和系统(methods and systems for selecting parameters to approximate desired properties of structural color)”的美国临时申请第63/050,946号的优先权，所述美国临时申请的公开内容通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.结构颜色依赖于材料用于产生颜色的物理性质。这些物理性质会引起散射光波之间的干扰，从而使散射光具有特定的颜色。这使得结构颜色与依赖于材料的化学性质的其它类型的颜色不同。
4.虽然结构颜色在自然界中很常见，但很难通过常规技术再现。除其它原因外，有大量的物理性质配置可以影响光从表面散射的方式。此外，当光从表面散射时，由于光与材料和与其自身相互作用的方式很复杂，因此很难预测干涉效应。这些问题使得难以识别将产生特定期望结构颜色的特定性质集合(或多个集合)。


技术实现要素：

5.需要可靠地预测颗粒和材料的结构颜色的能力。进一步地，需要根据期望光学性质来设计材料的颗粒和物理性质的能力。示例性实施例提供了用于选择和设计纳米颗粒或纳米颗粒阵列的产生所述纳米颗粒阵列的结构颜色的期望光学性质的参数的方法、介质和系统。
6.根据一个方面，存在一种用于确定指示结构颜色的光学输出参数的方法。所述方法可以包含：向模拟系统的处理器提供一个或多个输入性质，其中所述一个或多个输入性质中的每个输入性质指示纳米颗粒阵列的性质；向所述处理器提供用于光学模拟的一个或多个输入参数；由所述处理器根据所述输入参数通过应用所述纳米颗粒阵列的随机模型来执行所述光学模拟；以及由所述处理器并且根据所述光学模拟来确定指示结构颜色的输出光学参数。
7.在另一方面，存在一种用于确定结构颜色的模拟系统。所述系统可以包含处理器，所述处理器被配置成执行机器可读指令，所述机器可读指令使处理器：接收一个或多个输入性质，其中所述一个或多个输入性质中的每个输入性质指示纳米颗粒阵列的性质；接收用于光学模拟的一个或多个输入参数；根据所述输入参数通过应用所述纳米颗粒阵列的随机模型来执行所述光学模拟；并且根据所述光学模拟来确定指示结构颜色的输出光学参数。
8.在又另一方面，存在一种用于根据期望目标性质确定纳米颗粒阵列的一个或多个性质的方法。所述方法可以包含：向处理器提供一个或多个目标性质，其中所述一个或多个目标性质中的每个目标性质指示纳米颗粒阵列的期望光学性质；向所述处理器提供用于光学模拟的一个或多个输入参数；由所述处理器根据输入性质和输入参数执行进化算法，并且其中所述进化算法采用所述纳米颗粒阵列的光学模拟；以及由所述处理器并且根据所述进化算法来确定指示所述纳米颗粒阵列的一个或多个性质的输出设计参数。
9.在仍另一方面，存在一种优化系统。所述优化系统可以包含处理器，所述处理器被配置成执行机器可读指令，所述机器可读指令使所述处理器：接收一个或多个目标性质，其中所述一个或多个目标性质中的每个目标性质指示纳米颗粒阵列的期望光学性质；接收用于光学模拟的一个或多个输入参数；根据输入性质和输入参数执行进化算法，并且其中所述进化算法采用所述纳米颗粒阵列的光学模拟；并且根据所述进化算法确定输出设计参数，所述输出设计参数指示所述纳米颗粒阵列的一个或多个性质。
10.本文描述的概念可以体现为计算机实施的方法、存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质、计算设备和根据所公开的方法制备的基体材料或其它产品以及其它可能性。
附图说明
11.图1a是展示促成材料的非结构颜色的光学过程的图。
12.图1b是展示促成材料的结构颜色的光学过程的图。
13.图2a是展示用于确定相长和相消干涉光的散射的几何参数的图。
14.图2b是描绘三个纳米颗粒的阵列的图，每个纳米颗粒散射指示相长干涉和相消干涉的光波。
15.图3a是具有正向有序结构的微球的扫描电子显微镜(sem)图像。
16.图3b是具有逆向有序结构的微球的扫描电子显微镜(sem)图像。
17.图3c是具有正向无序结构的微球的扫描电子显微镜(sem)图像。
18.图3d是具有逆向无序结构的微球的扫描电子显微镜(sem)图像。
19.图4a是展示根据如蒙特卡罗(monte carlo)模型等随机模型的模拟光散射模型的图。
20.图4b是展示体积散射模型的图，其中入射光入射到基体材料上并传播到基体材料中。
21.图5展示了适合于执行如本文所述的模拟的示例性环境。
22.图6展示了应用图5的环境生成反射曲线的实例。
23.图7是具有参数细化过程的环境的框图，所述参数细化过程接受图5的环境的输出的目标值作为输入。
24.图8展示了适合于实践结构颜色模拟和参数优化技术的示例性系统800。
25.图9展示了适合于选择纳米颗粒阵列的参数的方法。
26.图10展示了适合于调整纳米颗粒阵列的参数的示例性方法。
27.图11描绘了可以用于执行结构颜色模拟和执行纳米颗粒参数优化的说明性计算机系统架构。
具体实施方式
28.本文所述的实施例涉及用于确定纳米颗粒或纳米颗粒阵列的光学性质的技术，并且进一步涉及确定纳米颗粒阵列的产生所述阵列的结构颜色的期望光学性质的一个或多个结构性质。纳米颗粒阵列可以包含例如纳米级颗粒的排列、由纳米颗粒构成的单个微球(以微米级测量的球体)的一部分或包含多个微球的基体材料。例如，本文所述的技术可以用于产生在以下文献中描述的材料：于2018年9月10日提交的题为“包括多分散聚合物纳米球的微球和多孔金属氧化物微球(microspheres comprising polydisperse polymer nanospheres and porous metal oxide microspheres)”的国际专利申请公开第wo 2019/051357号，以及于2018年9月10日提交的题为“多孔金属氧化物微球(porous metal oxide microspheres)”的国际专利申请公开第wo 2019/051353号。上述申请的内容通过引用并入本文。
29.图1a是展示促成材料的非结构颜色的光学过程的图，而图1b是展示促成材料的结构颜色的光学过程的图。如图1a所示，表面、液体、气溶胶或其它材料可以包含多个分子102。当具有宽带波长的入射白光104指向分子102时，白光104的波长中的一些波长被吸收，其它波长被散射，并且又其它波长被多个分子102透射。分子102的化学性质决定了光的哪些波长被吸收、哪些被散射以及哪些被透射。例如，在图1a的实例中，分子102可以吸收红光106，透射绿光108，并反射或散射蓝光110。因此，当人看由分子102构成的物体时，物体由于蓝光110的反射而呈现蓝色，或者由于绿光108的透射而从分子102的另一侧呈现绿色。
30.如图1b所展示的，结构颜色不同于图1a中所展示的化学诱导颜色。结构颜色可以由光学光的波长范围内(例如，400至800nm)的结构和几何形状引起。例如，结构颜色可能会受到纳米颗粒阵列的物理配置的影响。图1b描绘了三个纳米颗粒阵列：第一纳米颗粒阵列112、第二纳米颗粒阵列118和第三纳米颗粒阵列122，其中每个纳米颗粒阵列具有不同的物理性质。第一纳米颗粒阵列112的物理性质使得一些入射白光104被透射(例如，红光114和绿光116)，而蓝光110被散射。如以下结合图2a和2b更详细地描述的，散射的蓝光110与其自身相长干涉，从而产生特定的蓝色色调或阴影。通过改变第一纳米颗粒阵列112的物理性质，可以改变色调或阴影。
31.图1b的第二纳米颗粒阵列118与第一纳米颗粒阵列112相比具有更大的纳米颗粒粒径。因此，第二纳米颗粒阵列118散射与其自身相长干涉的绿光120，而不是散射蓝光110。类似地，第三纳米颗粒阵列122具有比第二纳米颗粒阵列118更大的纳米颗粒粒径，并且第三纳米颗粒阵列散射相长干涉的红光124。
32.图2a是展示用于确定相长和相消干涉光的散射的几何参数的图。图2a描绘了纳米颗粒阵列202，其中白光104以入射角θ入射在第一纳米颗粒204上。入射白光104被第一纳米颗粒204散射并且以等于入射角θ的散射角从纳米颗粒阵列202反射离开。进一步地，入射白光104可以在纳米颗粒阵列的表面处或在与第一纳米颗粒204不同的纳米颗粒层的阵列内从纳米颗粒阵列202的其它纳米颗粒散射。
33.图2b描绘了三个纳米颗粒的阵列，每个纳米颗粒在页面平面内各向同性地散射光波。图2b的图示展示了来自纳米颗粒的散射光的相长和相消干涉。光入射在第一纳米颗粒204、第二纳米颗粒206和第三纳米颗粒208上。光被第一纳米颗粒204、第二纳米颗粒206和第三纳米颗粒208散射。散射的光波由图2b的同心环表示，每个环在第一纳米颗粒204、第二
纳米颗粒206或第三纳米颗粒208中的一者处具有中心。所得聚集散射光产生干涉图案210。光波在光波中的两个或更多个在空间上重叠的位置处发生相长干涉和相消干涉。例如，由第一纳米颗粒204和第二纳米颗粒206散射的光沿轴线ab发生相长干涉，由第二纳米颗粒206和第三纳米颗粒208散射的光沿轴线bc发生相长干涉，并且由第一纳米颗粒204和第三纳米颗粒208散射的光沿轴线ac发生相长干涉。在某些轴线和位置处，来自三个纳米颗粒的所有散射光也会发生相长干涉。进一步地，在轴线ab、bc与ac之间，由三个纳米颗粒204、206和208散射的光包含相消干涉区域，并且可以包含具有二次、三次等相长干涉峰的区域。当光的波长或波长带与其自身发生相长干涉时，这些波长的振幅增加，而相消干涉的波长被减弱或滤除。
34.干涉图案210可以由不同类型的有序或半有序纳米颗粒阵列产生。例如，纳米颗粒阵列可以是平面中或基体材料中的纳米颗粒阵列。在一些实施例中，纳米颗粒阵列可以被实施为由纳米颗粒构成并具有特定类型结构的微球，并且基体材料可以包含多个微球，多个微球含有纳米颗粒阵列。图3a至3d是具有纳米颗粒的微球的扫描显微镜图像，其中所述微球具有各种结构性质。所示微球具有正向有序结构(图3a)、逆向有序结构(图3b)、正向无序结构(图3c)和逆向无序结构(图3d)。图3b的逆向结构包含限制在微球内的纳米空隙。在模拟像纳米空隙一样的逆向结构时，使用折射率为1的纳米颗粒，所述折射率是空气的折射率。因此，图3b所示的纳米颗粒是表示纳米空隙的空气。基体材料可以包含图3a至3d的微球中的一个或多个微球，以实现基体材料的结构颜色。例如，基体材料可以是染料、油漆、涂料、薄膜或具有如图3a至3d所展示的具有纳米球的微球中的一个或多个微球的其它材料。
35.所描绘类型的微球结构中的每一种都可以具有不同的结构颜色性质。例如，图3a和3b的有序结构可以表现出角度依赖性颜色，其中观察到的颜色从所有角度都不相同，而是根据观察者、光源和有序结构的样本的位置而变化。也就是说，表现出与角度依赖性颜色的结构会散射不同波长的光，所述光在不同的散射或再膨胀角度下发生相长干涉。相反，图3c和3d的无序结构可以表现出角度独立性颜色，其中观察到的颜色从所有角度都是相同的。也就是说，相同波长或波长带的光在所有角度下都发生相长干涉，这与光源、观察者或无序结构的样本的位置无关。图3a和3c的正向结构可以由纳米颗粒或从微球向外延伸的纳米表面元素的三维形状(例如，凸起、棱锥、立方体、表面粗糙度等)产生，而图3b和3d的逆向结构可以由微球的表面由纳米级负纳米颗粒元素(如从球体表面向内延伸的空隙或负空间)表征的配置产生。纳米颗粒中聚合物的多分散性以及空隙或负纳米颗粒元素的表面可以产生无序或半有序结构，而单分散性可以产生有序结构。在一些情况下，逆向结构可能比正向结构更容易配制，但是实施例考虑了正向结构和非正向结构两者的制造和使用。然而，值得注意的是，并非所有的有序结构都表现出角度依赖性颜色，并且并非所有的无序结构都表现出角度独立性颜色。
36.下表1列出了光波长以及可能导致逆向有序微球的散射光波长的相长干涉的近似纳米颗粒粒径。表1的列表可以用于确定多个纳米颗粒反射特定波长的光的结构颜色参数(例如，空隙大小)。例如，200nm与240nm之间的空隙大小可以用于制造散射或反射蓝光的纳米颗粒，但可能需要另外的模拟和过程来调整特定的蓝色色调或期望的波长。其它特征也可以用于生成散射波长带和/或调整材料的结构颜色，包含微球上的空隙距离、空隙浓度、正向结构浓度、正向结构大小、空隙或正向结构的随机放置、逆向或正向结构的周期性、微
球浓度或含有微球或纳米颗粒的介质的性质等。
[0037][0038]
从纳米颗粒阵列散射光在计算上可能难以建模。尽管米氏理论(mie theory)通过麦克斯韦方程组(maxwell's equations)提供了表示与具有类似于光的光学波长的长度尺度的球体相互作用的光的散射的准确解，但是如本文所述的微球是包含多个纳米球或纳米结构的复杂物体。每个这样的纳米球或纳米结构可以以不同的方式散射光，并且每个都可以具有影响所得米氏散射的许多不同的性质。因此，一些光散射模型并不实用或者无法模拟由从纳米颗粒阵列散射的光产生的结构颜色。
[0039]
用于确定结构颜色的一种示例建模技术利用了单散射近似，在所述单散射近似中，光仅被颗粒阵列中的颗粒散射一次(例如，通过微球、纳米球、通过表面或微球的纳米级特征等)。如本文所描述的，单散射模型模拟从单个纳米球进行的米氏散射，并确定当散射光与来自其它附近纳米球的散射光相互作用时产生的干涉。单散射模型提供的信息可以指示特定纳米球、微球或具有纳米大小的特征的材料的反射峰。虽然在计算上相对简单，但单散射模型可能无法准确地解释光从多个纳米球散射并且可能与其它散射光相互作用的复杂系统中的散射。即便如此，在一些情况下，单散射模型可以提供对结构颜色性质的合理预测，并且可能非常适合在处理或存储器资源有限的硬件上执行的模拟。
[0040]
图4a是展示根据如蒙特卡罗模型等随机模型的模拟光散射模型的图。图4a所展示的蒙特卡罗模型解释了当光线402穿过介质405传播时多条光线402的多次散射。图4a展示了光在z＝0轴线处进入介质405，并且光线402穿过介质405传播和散射，直到光线402在截止z轴处或在z＝0轴线处离开介质405。介质405包含散射元素，所述散射元素可以包含一个
或多个微球、纳米球、纳米级表面特征、空隙、正向结构、非正向结构或另一个散射元素或特征。图4a所描绘的多重散射随机模型可以比单散射模型更准确，同时仅需要中等水平的计算资源。尽管如此，所展示的蒙特卡罗模型可能无法捕获从基体材料或具有大量微球的系统散射的光。
[0041]
可能期望或需要体积散射模型来确定材料的结构颜色的性质。实施例体积模型可以使用两层随机建模方法来确定来自许多微粒的模拟反射率。图4b是展示体积散射模型的图，其中入射410光入射到基体材料415上并传播到所述基体材料中。基体材料415包含多个微球420，其中每个微球420具有多个纳米散射元素422。纳米散射元素422中的每一个可以是纳米颗粒、纳米级表面特征、正向结构、逆向结构、有序结构、无序结构或另一种散射元素中的一者或多者。在光作为反射光412传播出介质415之前，光410可以从微球420中的一个或多个微球和纳米散射元素422中的一个或多个纳米散射元素散射多次。进一步地，体积模型可以考虑光410的吸收和光410的透射。尽管体积模型可能需要比单层散射随机模型或单散射模型更多的计算资源，但由于体积模型可以解释体积系统的性质，因此可以提高预测结构颜色的准确度。
[0042]
如图4b所展示的并且如本文所描述的，基体材料可以被认为包含多个微球，其中每个微球含有多个纳米级元素或纳米颗粒。设想的是所描述的模拟和优化技术也可以应用于其它类型的基体材料和介质。例如，所公开的方法和系统可以用含有多个纳米颗粒的基体材料、具有一个或多个纳米颗粒阵列的介质、具有一个或多个微粒阵列的介质、含有微米级和/或纳米级散射体的介质或能够通过微米级和/或纳米级特征散射光的另一种基体介质来实施。
[0043]
在给定模型内，可以为模拟提供各种参数，其中每个参数影响对可见光的一种或多种现象的模拟。每个参数都可能影响材料的结构颜色的一个或多个性质。参数可以包含一个或多个数值、边界条件、一组给定变量值、迭代次数、感兴趣的统计数据或另一种类型的输入参数。光的现象可以包含例如光散射的边界条件(例如，球形边界条件、平面边界条件等)、纳米颗粒的多分散性和混合物、光偏振度、光吸收度、表面粗糙度、折射率、非线性光学系数、双折射率或角度依赖性(例如，反射曲线角度依赖性、滤波器的角度依赖性、光栅的角度依赖性等)等。当使用上述模型之一执行模拟时，可以解释这些现象和其它现象。
[0044]
例如，图5展示了适合于执行如本文所述的模拟502的示例性环境500。在环境500中，一个或多个输入504可以引导模拟502。输入504可以包含各种类型的输入，如与纳米颗粒的物理性质相关的材料合成参数506和/或与一组纳米颗粒的性质相关的一个或多个介质参数508。一个或多个介质参数508可以包含与纳米颗粒悬浮在其中、纳米颗粒被包封或纳米颗粒以其它方式位于介质的边界内的介质有关的参数。材料合成参数506的实例包含但不限于光学参数和/或结构参数，如表面粗糙度、基质材料的复折射率、基质材料的吸收度、基质材料的掺杂剂、微粒或纳米颗粒粒径、纳米颗粒的材料、纳米颗粒的体积分数、空隙大小、纳米颗粒或微粒的多分散性、或吸收剂的量、正向结构大小、逆向结构大小、纳米颗粒形状/几何形状、如壳厚度或壳材料等纳米颗粒壳参数、纳米颗粒孔隙率、纳米颗粒的表面特征、多个纳米颗粒的晶格常数、介质中纳米颗粒的浓度或与材料合成的物理特征有关的另一个参数。介质参数508的实例包含但不限于介质的类型、介质的材料、介质的复折射率、微球浓度、微球混合物、吸收剂的量、吸收剂浓度、纳米颗粒阵列的厚度或纳米颗粒阵列的
有序程度。
[0045]
输入504可以被提供给模拟502，所述模拟可以使用输入504和光散射模型(例如，体积模型、蒙特卡罗模型、单散射模型、随机模型等)以便确定由模拟的纳米颗粒阵列、基体材料或另一种介质散射的可见光或不可见光的各种性质的近似值。模拟的结果可以是输出510。输出510可以包含直接输出512，如纳米颗粒阵列在指定波长或角度下的反射率或纳米颗粒阵列在指定波长下的透射率。输出510可以进一步包含导出的输出514，所述导出的输出可以涉及模拟502的多次运行以确定参数的导出值。导出的输出514的实例包含纳米颗粒阵列的反射曲线、纳米颗粒阵列的共振波长、纳米颗粒阵列的角度依赖性反射、纳米颗粒阵列的吸收曲线、纳米颗粒阵列的透射曲线、波长范围、散斑量、散射参数、目标传输长度、角度独立性或纳米颗粒阵列的结构颜色。
[0046]
图6展示了根据示例性实施例的应用环境500来生成反射曲线的实例。在此实例中，提供了一组特定的输入602参数并在多次模拟502中进行测试。例如，单次模拟运行可以在给定波长下测试输入602，并且多次模拟运行可以用于在波长范围内测试输入602。在每个测试波长下得到的反射率可以用于生成反射曲线630形式的导出输出，所述反射曲线可以如图表650所示绘制和呈现。进一步地，如图6的图表650所示，所述一组输入参数602可以包含一组空隙大小或空隙半径。对于微粒的每个空隙大小，可以针对多个波长(例如，400至700nm)执行模拟502，并且可以针对波长范围内的每个空隙大小确定反射曲线630。虽然展示为一条或多条反射曲线730，但模拟602的输出510可以是结构颜色的一个或多个其它参数。
[0047]
上面概述的用于确定材料或纳米颗粒阵列的结构颜色性质的模拟程序也可以用于确定材料的物理和结构性质以生成目标结构颜色。例如，参考图5，可以识别目标输出510，并且可以执行进化优化过程以细化输入504，从而实现目标输出510。
[0048]
图7是包含参数细化过程716的环境700的框图，所述参数细化过程接受输出710的目标值作为输入。然后，参数细化过程选择和/或改变不同的输入704并将所述输入提供给模拟702，以便确定输入704的哪个组合产生指定的输出710。模拟702可以包含一次或多次单散射模拟、多重散射方法、体积方法、另一种随机模拟或另一种模拟。以下关于图8-10更详细地描述了示例性参数细化过程716。
[0049]
现在转向用于调整纳米颗粒阵列的参数以实现指定结构颜色性质的程序，图8展示了适合于实践示例性实施例的示例性系统800。
[0050]
系统800包含计算装置802，所述计算装置可以是适合于执行以下识别的过程的任何计算装置。例如，计算装置802可以是服务器、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机或移动计算装置或专门配置成执行所识别的过程的专用计算装置。计算装置802可以包含用于执行机器可执行指令的硬件处理器804，以执行824体现本文所述的程序和方法。尽管说明性计算装置802被描绘为单个装置，但是应当理解，所说明的组件可以分布在多个装置上，并且在图8中展示为单个实体的组件(例如，概率模拟逻辑830)可以在多个计算装置之间进行划分。
[0051]
计算装置802可以包含存储器806，所述存储器可以是非暂时性计算机可读介质(如ram或rom)。信息或数据可以通过如网络接口(例如，网络接口卡、以太网适配器等)、键盘、鼠标、麦克风、相机等接口808(或多个接口)添加到存储器806。
[0052]
输入810可以被提供给接口808。输入810可以提供驱动或配置参数细化过程的各种细节。例如，输入810可以为至少一种光波长指定纳米颗粒阵列的结构颜色的一个或多个期望性质812。
[0053]
例如，期望的性质可以包含纳米颗粒阵列在指定波长或角度下的目标反射率或纳米颗粒阵列在指定波长下的目标透射率。在一些实施例中，期望的性质可以包含复杂的或衍生的性质，如纳米颗粒阵列的目标反射曲线、纳米颗粒阵列的目标共振波长、纳米颗粒阵列的目标角度依赖性反射、目标角度独立性特性、散射量、纳米颗粒阵列的目标吸收值或曲线、纳米颗粒阵列的目标透射值或曲线或纳米颗粒阵列的目标结构颜色。示例性实施例可以通过多次运行概率模拟(例如，在每个波长、角度等下运行一次)来适应这种复杂的/衍生的性质。
[0054]
在一些情况下，修改纳米颗粒阵列的参数中的一个或多个参数可能是不可能或不期望的。例如，由于用于产生包含纳米颗粒阵列的材料的制造装置834的约束。制造装置834可能无法产生具有特定空隙大小的纳米颗粒，可能无法利用特定材料，或者可能无法实现超过给定阈值的表面粗糙度等。因此，输入810可以进一步指定约束814，所述约束指定允许参数采用的值或指定不允许参数采用的值。在一些实施例中，约束814可以是不能被违反的硬约束(即，限制参数细化过程不违反约束814)。在其它实施例中，约束814可以是在某些条件下可能被违反的软约束(例如，当违反参数在实现期望的性质方面产生不成比例的大增加时，或者当在不违反约束814的情况下不能实现期望的性质时)。
[0055]
存储器806可以进一步存储用于定义或引导模拟的模拟输入特征816。模拟输入特征816可以包含随机模型的参数、菲涅耳反射方法、复折射率色散方程、多个蒙特卡罗轨迹、多个蒙特卡罗事件、有效介质近似策略或纳米颗粒阵列类型的选择。
[0056]
存储器806可以进一步存储模拟数据结构818，所述模拟数据结构定义用于概率模拟的环境设置820。环境设置可以是例如纳米颗粒阵列的边界条件、极化或介质。当对纳米颗粒阵列进行概率模拟以确定纳米颗粒阵列的结构颜色的一个或多个模拟性质时，可以应用模拟数据结构818。
[0057]
为了确定可见(或不可见)光如何与纳米颗粒阵列相互作用，可以应用光的散射的随机模型822，如上所述。在一些实施例中，随机模型可以是蒙特卡罗模型。
[0058]
为了选择或细化参数，可在处理器804上执行的指令可以以逻辑824的形式存储在存储器806中。例如，逻辑824可以包含进化算法826、概率模拟逻辑830和/或制造装置控制逻辑832。
[0059]
进化算法826可以是用于使用与生物进化原理(例如，繁殖、突变、重组和选择)相对应的机制细化纳米颗粒阵列的参数的算法。进化算法826可以是基于种群的优化算法。进化算法826可以是在细化参数时不依赖于目标函数的梯度的基于非梯度的进化算法。基于非梯度的进化算法的一个实例是差分进化算法，所述差分进化算法迭代地改进关于成本函数的参数。在实施例中，进化算法可以包含最大似然优化、差分进化算法、贝叶斯优化、遗传算法、协方差矩阵自适应进化策略、粒子群优化和模拟/或退火。
[0060]
进化算法826可以生成表示纳米颗粒阵列的参数值的一个或多个输出828。输出828可以由概率模拟逻辑830评估，所述概率模拟逻辑使用随机模型822运行具有与输出828相对应的性质的纳米颗粒阵列的概率模拟。概率模拟的结果可以反馈给进化算法826(例
如，结合成本函数进行分析)以确定进化算法826是否正在改进关于期望性质812的参数。
[0061]
当满足停止条件时，进化算法826可以生成最终的一组输出828。停止条件可以包含与成本函数、感兴趣的统计数据、一个或多个输入810与一个或多个输出828之间的差异、进化算法的迭代次数或另一个停止条件相关联的值。任选地，可以将输出828提供给制造装置控制逻辑832，所述制造装置控制逻辑可以被配置成控制制造装置834以产生包含具有与输出828相对应的参数的纳米颗粒阵列836的材料。例如，制造装置834可以被配置成产生包含包括具有与输出828相对应的结构和物理特征的纳米颗粒阵列的染料、油漆或涂料中的一者或多者的基体材料。
[0062]
图9展示了根据实施例的用于选择纳米颗粒阵列的参数的方法900。
[0063]
在框902中，方法900可以访问描述至少一种波长的光的纳米颗粒阵列的结构颜色的一个或多个期望性质的输入。纳米颗粒阵列可以是例如纳米颗粒的排列(如片或平面)、微球的一部分或包括多个微球的基体材料。基体材料可以是染料、墨水、油漆、涂料或含有多个微球和/或多个纳米球的另一种材料介质。
[0064]
在框904中，方法900可以包含接收与施加到纳米颗粒阵列的光的行为的概率模拟有关的一个或多个输入特征。概率模拟可以应用纳米颗粒阵列的随机模型。
[0065]
在框906中，方法900包含访问定义概率模拟的环境设置的模拟数据结构。环境设置可以是例如纳米颗粒阵列的边界条件、极化或介质。模拟数据结构可以用于对纳米颗粒阵列进行概率模拟以确定纳米颗粒阵列的结构颜色的一个或多个模拟性质，如结合图10更详细地描述的。例如，可以使用一个或多个输入特征来运行概率模拟，以定量预测纳米颗粒阵列的可观察到的颜色结构特征。通过应用如差分进化算法等优化技术，可以在多次迭代中实施概率模拟，并且可以针对每次迭代调整纳米颗粒阵列的一个或多个参数以近似结构颜色的期望性质。
[0066]
在框908处，基于应用随机模型，方法900生成指示纳米颗粒阵列的一个或多个参数的单个值、多个值或值范围的输出，以近似至少一种波长的光的结构颜色的期望性质。
[0067]
在框910处，方法900可以包含控制机器以产生包含纳米颗粒阵列的产品，所述纳米颗粒阵列具有已经根据方法900使用上述过程确定的参数。例如，机器可以产生包括纳米颗粒阵列的染料、油漆或涂料。
[0068]
由纳米颗粒产生的结构颜色可以产生特别明亮、饱和的颜色，所述颜色看起来与依靠吸收来产生颜色的更常规的染料、油漆和涂料所产生的颜色非常相似。因此，常规的染料、油漆和涂料可以很容易地用含有结构颜色的类似产品代替，与基于吸收的颜色相比，所述结构颜色具有许多优点。结构颜色可抵抗光漂白，并且可以具有较低的光反应性。此外，通过改变纳米颗粒的性质(例如，空隙的大小和/或颗粒的粒径)，可以用相同的基础材料制成不同的结构颜色。因此，用户可以首先基于非颜色性质(例如，毒性、反应性等)选择将用于制造特定颜色的成分材料，并且然后可以通过改变纳米颗粒的性质从这些材料中产生不同的颜色。
[0069]
图10展示了根据示例性实施例的用于调整纳米颗粒阵列的参数的方法1000。方法1000应用差分进化算法，所述差分进化算法是基于非梯度的进化算法的一个实例。通常在进化算法中，特别是差分进化算法中，一个或多个参数基于在一系列迭代中改进的目标函数(例如，最小化函数、最大化函数、差值、命中目标等)来优化。在每次迭代时，决策变量根
据算法通过各种规则和启发式方法进行更新(即进化)。
[0070]
在差分进化中，每个参数集基于一组规则(例如，百分比变化、随机变化、扰动、加权差异修改、一个或多个因素的修改等)进行修改，并且取决于随着这些变化对目标函数的改进，经修改的参数集被拒绝或被接受。所述一组规则可以类似于生物进化。例如，特定参数可以与其它参数集中的值随机组合(即交叉)。这可以在每次迭代时执行，从而为后续评估产生新的参数集群。迭代在停止点之后停止(例如，用户定义的停止标准、预定的迭代次数等)。差分进化对于优化具有连续参数集、大量变量和目标函数的系统的参数很有用。
[0071]
可以实施差分进化来优化结构颜色参数。结构颜色设计的最终目标通常是通过改变结构颜色材料的各种物理和光学参数来实现目标结构颜色(例如，反射光谱)。可以实施差分进化和上述概率模拟的组合来确定纳米颗粒和材料的参数以实现期望的结构颜色。在实例中，概率模拟逻辑可以嵌入到差分进化框架中。首先，用户可以输入目标反射光谱(例如，给定波长的反射值)。其它输入可以包含：(1)为实现目标而改变的一个或多个感兴趣的参数；(2)对于所述参数，待探索的范围；(3)差分进化参数。使用输入，差分进化算法可以初始化各种参数集。对于每个参数集，可以执行随机模型并且可以使用参数值来预测指定波长下的反射率。系统可以将确定的输出反射光谱与目标反射光谱进行比较。系统可以将输出反射光谱与目标反射光谱之间的差异确定为特定参数集的目标函数值。系统可以为群体中的每个参数集执行随机模型以确定每个参数集的输出反射光谱。差分进化算法然后可以通过上面概述的规则(例如，扰动、百分比变化、加权变化值等)更新结构颜色参数集族，并且可以执行进化优化的下一次迭代。通过随后的迭代，可以最小化目标函数以减少输出反射光谱与目标反射光谱之间的差异。在停止点(例如，迭代次数、成本或目标函数的阈值等)，可以记录一个或多个输出光谱以及为实现输出光谱而优化的物理和光学参数及相关值。下文参考方法1000更详细地讨论了上述差分进化优化程序。
[0072]
同时参考图8和10，方法1000开始于框1002。处理可以进行到框1004，其中系统接收一组输入参数，所述一组输入参数可以包含待优化的参数列表、参数的最大值和/或最小值等。参数可以对应于纳米颗粒阵列的参数，所述参数可以被改变以影响纳米颗粒阵列的可观察到的结构颜色(例如，结构参数值、结构特征、光学参数值等)。纳米颗粒阵列的参数可以包含但不限于与纳米颗粒的物理性质相关的材料合成参数和/或与一组纳米颗粒的性质相关的介质参数。材料合成参数的实例包含但不限于光学参数和/或结构参数，包含表面粗糙度、基质材料的复折射率、基质材料的吸收度、基质材料的掺杂剂、微粒或纳米颗粒粒径、纳米颗粒的体积分数、空隙大小、颗粒的多分散性、吸收剂的量、纳米颗粒壳参数(例如，壳厚度和/或壳的材料)、纳米颗粒形状/几何形状、正向结构大小、非正向结构大小、纳米颗粒孔隙率、纳米颗粒的表面特征、多个纳米颗粒的晶格常数、介质中纳米颗粒的浓度或与材料的物理、光学或电学特征有关的另一种参数。介质参数的实例包含但不限于介质的类型、介质的复折射率、微球浓度、微球混合物、吸收剂的量、吸收剂浓度、吸收剂的性质、纳米颗粒阵列的厚度、由纳米颗粒阵列构成的基体材料的厚度、由纳米颗粒阵列构成的微球的厚度、由微球构成的基体材料的厚度或纳米颗粒阵列的有序程度。吸收剂的性质可以包含例如光学参数，如吸收剂的吸收系数或复折射率色散行为。
[0073]
在框1006处，参数值被初始化。建立m个成员的群体，其中m是整数值，其可以是预定的或者可以基于例如当前可用的处理资源而动态地确定。群体的每个成员可以与一组参
数相关联，其中对于给定成员，所述组中的每个参数与群体的不同成员的对应参数相比可以具有不同的值。可以为群体的每个成员初始化参数值(例如，随机地考虑可接受的最小值和最大值、由用户分配或输入等)。
[0074]
在一些实施例中，输入(如图8的输入810)可以指定开始参数空间，在所述开始参数空间中可以进一步细化参数。例如，如果用户已经识别出产生特定颜色的一组参数，但希望进一步细化颜色的一个或多个性质(例如，使颜色更饱和、改变色调)，则起始参数空间可能特别有用。因此，当在框1006处初始化参数时，方法1000可以包含选择落入所识别的起始参数空间内的参数值。如果为一些但不是所有参数识别起始参数空间，则可以在所述空间内初始化已为其识别起始参数空间的那些参数，并且可以随机地或通过其它方式初始化剩余的参数。根据应用，参数可以被允许离开起始参数空间或者可以被约束以保持在起始参数空间内。
[0075]
在框1008处，系统开始针对群体的给定成员进化参数值。在算法的第一次迭代期间，选择群体的下一个成员或第一个成员进行处理。
[0076]
在框1010处，系统随机选择群体的n个其它成员，所述其它成员的参数将用于进化选定成员的参数值。在以下伪代码中概述的一个实施例中，n的值可以为三。
[0077]
在框1012处，系统基于其它所选成员的对应参数值来进化选定成员的参数集。进化参数可以涉及基于可能包含随机元素的函数通过随机扰动或通过另一个进化规则或过程来组合所选成员的参数值。以下伪代码中提供了进行选定成员参数的实例。可以为参数集中的每个参数执行框1012。
[0078]
在框1012中，系统可以在调整参数值时任选地实施约束814或多个约束。除“框约束”(即每个参数的最小/最大限制)之外，差分进化还能够处理其它各种类型的约束，如对参数组合的约束。例如，约束可以在使用某种材料时强制执行某个大小范围，但在使用另一种材料时强制执行不同的大小范围。在一些实施例中，约束可以是“软约束”，仅当目标函数的所得改进超过预定阈值时才可以违反所述“软约束”。软约束允许违反约束，但要求因违反约束而产生的收益值得相关成本。
[0079]
在决策框1014处，系统确定进化的参数集与分配给成员的参数值的先前版本相比是否改进了目标函数。目标函数可以是接受参数集和目标(例如，由纳米颗粒阵列散射的可见光的期望性质，如在输入810中定义的)并基于参数集使用随机模型应用概率模拟的函数。概率模拟可以解释纳米颗粒阵列的特定形式(例如，单个微球的纳米元素、整块微球)。目标函数可以对表示具有由参数集定义的参数的纳米颗粒阵列与可见光的期望性质的匹配程度的定量值进行排序、评分或以其它方式进行分配。
[0080]
在其它可能性中，可以应用目标函数以减少纳米颗粒阵列的不期望的光散射，所述不期望的光散射表示为通过进化优化最小化的成本函数，最大化指定波长下的反射率，减少不期望的光在未指定波长下的反射率，或最大化可见波长上的光散射。目标函数可以通过概率模拟来确定这些定量值。
[0081]
如果决策框1014处的确定为“是”，则处理可以进行到框1016并且系统可以将当前成员的参数值设置为在框1012中确定的进化值。如果决策框1014处的确定为“否”，则处理可以进行到框1018，并且参数值可以恢复到其初始未进化值。然后处理可以进行到决策框1020。
[0082]
在决策框1020处，系统可以确定是否还有其它群体成员有待评估。如果是，则处理返回到框1008并且选择群体的下一个成员。如果不是，则处理进行到决策框1022，并且系统确定是否已经满足预定义停止标准。预定义停止标准(也称为停止条件)可以包含，例如，是否已经执行了预定次数的迭代，是否已经过去了预定量的时间，目标函数是否上升或下降到指示已找到可接受解的预定阈值，或者参数值的进化之间的改进是否以预定义的速率增加或减少，指示参数值在先前的m次迭代中没有改进，确定目标函数在预定义次数的迭代中停滞，等等。如果尚未满足停止标准，则处理可以返回到框1008并且系统可以返回到群体的第一成员。否则，处理可以进行到框1024并终止。
[0083]
方法1000的特定实施方式可以由以下伪代码表示：
[0084][0085]
所描述的基于进化优化的纳米颗粒性质确定有许多益处。首先，一般来说，进化算法不是基于梯度的，并且因此不必依赖于目标函数的梯度，这往往会耗费大量的计算资源来更新和改进。此外，进化算法不对目标函数做任何假设，并且可以处理具有挑战性的系统，包含多模态、随机和不可微分的系统。此外，所描述的基于进化优化的方法试图找到全局最优，而不是局部最优。具体地，差分进化还具有可以确定多个解而不是单个解的优势，这在实践者由于多种原因(包含可行性问题、成本约束、制造约束等，其可能未包含在优化算法中)而无法使用“最佳”解决方案时很有用。
[0086]
在一些实施例中，可以采用参数调整方法1000来影响颜色，所述颜色是不同类型的有序或半有序纳米颗粒阵列的混合的结果。例如，表现出第一组结构颜色性质的第一微球可以与表现出第二组结构颜色性质的第二微球混合。混合物可以与表示第一结构颜色性
质和第二结构颜色性质的混合的散射光相关联，从而产生与组成的第一结构颜色或第二结构颜色中的任一者不同的第三结构颜色。可以使用方法1000测量第三结构颜色的性质并将其用于指导参数选择。以这种方式，方法1000可以为表现出第三结构颜色的单个纳米颗粒阵列选择参数，而不依赖于第一微球和第二微球的组合。
[0087]
图11展示了可以用于在独立和/或联网环境中实施本文所述的一个或多个说明性方面的系统架构和数据处理装置的一个实例。如数据服务器1110、网络服务器1106、计算机1104和膝上型计算机1102等各种网络节点可以通过如互联网等广域网1108(wan)互连。也可以或可替代地使用其它网络，包含专用内部网、公司网络、lan、城域网(man)无线网络、个人网络(pan)等。网络1108用于说明目的并且可以用更少或另外的计算机网络代替。局域网(lan)可以具有任何已知的lan拓扑中的一种或多种，并且可以使用多种不同协议中的一种或多种，如以太网。装置数据服务器1110、网络服务器1106、计算机1104、膝上型电脑1102和其它装置(未示出)可以通过双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波或其它通信介质连接到一个或多个网络。
[0088]
计算机软件、硬件和网络可以在各种不同的系统环境中使用，包含独立环境、联网环境、远程访问环境(又名远程桌面)、虚拟化环境和/或基于云的环境等。
[0089]
如本文所用和附图中所描绘的术语“网络”不仅指远程存储装置通过一个或多个通信路径耦接在一起的系统，而且还指可以不时耦接到具有存储能力的此类系统的独立装置。因此，术语“网络”不仅包含“物理网络”，而且还包含“内容网络”，所述内容网络由驻留在所有物理网络上的数据(可归属于单个实体)构成。
[0090]
组件可以包含数据服务器1110、网络服务器1106和客户端计算机1104、膝上型计算机1102。数据服务器1110提供对数据库和控制软件的整体访问、控制和管理，以执行本文所述的一个或多个说明性方面。数据服务器1110可以连接到网络服务器1106，用户通过所述网络服务器与之交互并获得所请求的数据。可替代地，数据服务器1110本身可以充当网络服务器并直接连接到互联网。数据服务器1110可以通过网络1108(例如，互联网)、通过直接或间接连接、或通过一些其它网络连接到网络服务器1106。用户可以使用远程计算机1104、膝上型计算机1102与数据服务器1110交互，例如，使用网络浏览器通过由网络服务器1106托管的一个或多个外部暴露的网站连接到数据服务器1110。客户端计算机1104、膝上型计算机1102可以与数据服务器1110一起使用以访问存储在其中的数据，或者可以用于其它目的。例如，通过客户端计算机1104，用户可以如本领域已知的使用互联网浏览器或者通过执行通过计算机网络(如互联网)与网络服务器1106和/或数据服务器1110通信的软件应用程序来访问网络服务器1106。
[0091]
服务器和应用程序可以组合在同一物理机器上，并保留单独的虚拟或逻辑地址，或者可以驻留在单独的物理机器上。图11仅展示了可以使用的网络架构的一个实例，并且本领域技术人员将认识到，所使用的特定网络架构和数据处理装置可以变化，并且对于其所提供的功能来说是次要的，如本文进一步描述的。例如，由网络服务器1106和数据服务器1110提供的服务可以组合在单个服务器上。
[0092]
每个组件数据服务器1110、网络服务器1106、计算机1104、膝上型计算机1102可以是任何类型的已知计算机、服务器或数据处理装置。例如，数据服务器1110可以包含控制数据服务器1110的整体操作的处理器1112。数据服务器1110可以进一步包含ram 1116、
rom1118、网络接口1114、输入/输出接口1120(例如，键盘、鼠标、显示器、打印机等)和存储器1122。输入/输出接口1120可以包含用于读取、写入、显示和/或打印数据或文件的各种接口单元和驱动器。存储器1122可以进一步存储用于控制数据服务器1110的整体操作的操作系统软件1124、用于指示数据服务器1110执行本文所述的方面的控制逻辑1126以及提供辅助、支持和/或其它功能的其它应用程序软件1128，所述功能可以或者可以不与本文所述的方面结合使用。控制逻辑1126在本文中也可以称为数据服务器软件控制逻辑1126。数据服务器软件的功能可以指基于编码到控制逻辑1126中的规则自动做出的操作或决策，由向系统提供输入的用户手动做出的操作或决策，和/或基于用户输入(例如，查询、数据更新等)的自动处理的组合。
[0093]
存储器1122还可以存储在执行本文所述的一个或多个方面时使用的数据，包含第一数据库1132和第二数据库1130。在一些实施例中，第一数据库可以包含第二数据库(例如，作为单独的表格、报告等)。也就是说，信息可以存储在单个数据库中，或者根据系统设计分为不同的逻辑数据库、虚拟数据库或物理数据库。网络服务器1106、计算机1104、膝上型计算机1102可以具有如关于数据服务器1110所描述的类似或不同的架构。本领域技术人员将认识到，如本文所述的数据服务器1110(或网络服务器1106、计算机1104、膝上型计算机1102)的功能可以跨多个数据处理装置分布，例如，以跨多个计算机分布处理负载，基于地理位置、用户访问级别、服务质量(qos)等分离事务。
[0094]
一个或多个方面可以体现在如在一个或多个程序模块中由本文所述的一台或多台计算机或其它装置执行的计算机可用或可读数据和/或计算机可执行指令中。通常，程序模块包含例程、程序、对象、组件、数据结构等，其在由计算机或其它装置中的处理器执行时执行特定任务或实施特定抽象数据类型。模块可以用随后编译执行的源代码编程语言编写，或者可以用如(但不限于)html或xml等脚本语言编写。计算机可执行指令可以存储在如非易失性存储装置等计算机可读介质上。可以利用任何合适的计算机可读存储介质，包含硬盘、cd-rom、光学存储装置、磁性存储装置和/或其任何组合。另外，表示如本文所述的数据或事件的各种传输(非存储)介质可以以电磁波的形式在源与目的地之间传输，所述电磁波传播穿过信号传导介质，如金属线、光纤和/或无线传输介质(例如，空气和/或空间)。本文所述的各个方面可以体现为方法、数据处理系统或计算机程序产品。因此，各种功能可以全部或部分地体现在软件、固件和/或硬件或如集成电路、现场可编程门阵列(fpga)等硬件等价物中。特定数据结构可以用于更有效地实施本文所述的一个或多个方面，并且此类数据结构被设想在本文所述的计算机可执行指令和计算机可用数据的范围内。
[0095]
使用本文所述的技术，纳米颗粒的配置、由纳米颗粒构成的微球、由此类微球构成的基体材料以及其它纳米颗粒阵列阵列可以被配置成产生特定的期望结构颜色性质。
[0096]
以下方面的列表反映了本公开明确设想的各种实施例。本领域的普通技术人员将容易理解，下面的方面既不是对本文公开的实施例的限制，也不是对从上面的公开中可以想到的所有实施例的穷举，而是意图在本质上是示例性的。
[0097]
1.一种方法，其包括：向模拟系统的处理器提供一个或多个输入性质，其中所述一个或多个输入性质中的每个输入性质指示纳米颗粒阵列的性质；向所述处理器提供用于光学模拟的一个或多个输入参数；由所述处理器根据所述输入参数通过应用所述纳米颗粒阵列的随机模型来执行所述光学模拟；以及由所述处理器并且根据所述光学模拟来确定指示
结构颜色的输出光学参数。
[0098]
2.根据方面1所述的方法，其中所述一个或多个输入性质包括所述纳米颗粒阵列的结构性质和所述纳米颗粒阵列的光学性质中的一者或多者。
[0099]
3.根据方面2所述的方法，其中所述纳米颗粒阵列的结构性质包括以下中的一者或多者：纳米颗粒粒径、纳米颗粒形状、纳米颗粒材料、纳米颗粒孔隙率、纳米颗粒的表面特征、多个纳米颗粒的晶格常数、介质中纳米颗粒的浓度、纳米颗粒的空隙大小、正向结构的性质、逆向结构的性质、有序结构的性质、无序结构的性质、所述纳米颗粒阵列的微球的大小、由纳米颗粒阵列构成的微粒的形状、纳米颗粒多分散性、壳厚度以及壳材料。
[0100]
4.根据方面2所述的方法，其中所述纳米颗粒阵列的所述光学参数包括以下中的一者或多者：实折射率、复折射率、吸收值、色散值、双折射率、偏振度、非线性系数。
[0101]
5.根据方面1至4中任一项所述的方法，其中所述纳米颗粒阵列是基体材料的一部分。
[0102]
6.根据方面1至5中任一项所述的方法，其中一个或多个输出光学参数包括以下中的一者或多者：波长、波长范围、反射曲线、透射曲线、吸收曲线、散斑量、散射参数、角度依赖性以及角度独立性。
[0103]
7.根据方面1至6中任一项所述的方法，其中所述随机模型包括蒙特卡罗模型。
[0104]
8.根据方面1至7中任一项所述的方法，其中所述随机模型包括两层随机模型。
[0105]
9.根据方面1至8中任一项所述的方法，其中所述一个或多个输入性质包括一个或多个介质参数。
[0106]
10.根据方面9所述的方法，其中所述一个或多个介质参数包括以下中的一者或多者：材料、所述介质的复折射率、微球浓度、微球混合物、吸收剂的量、吸收剂浓度、所述纳米颗粒阵列的厚度或所述纳米颗粒阵列的有序程度。
[0107]
11.根据方面1至10中任一项所述的方法，其进一步包括产生包括所述纳米颗粒阵列的染料、油漆或涂料中的至少一者。
[0108]
12.一种用于确定结构颜色的模拟系统，所述系统包括处理器，所述处理器被配置成执行机器可读指令，所述机器可读指令使处理器：接收一个或多个输入性质，其中所述一个或多个输入性质中的每个输入性质指示纳米颗粒阵列的性质；接收用于光学模拟的一个或多个输入参数；根据所述输入参数通过应用所述纳米颗粒阵列的随机模型来执行所述光学模拟；并且根据所述光学模拟来确定指示结构颜色的输出光学参数。
[0109]
13.根据方面12所述的系统，其中所述一个或多个输入性质包括所述纳米颗粒阵列的结构性质和所述纳米颗粒阵列的光学性质中的一者或多者。
[0110]
14.根据方面13所述的系统，其中所述纳米颗粒阵列的所述结构性质包括以下中的一者或多者：纳米颗粒粒径、纳米颗粒形状、纳米颗粒材料、纳米颗粒孔隙率、纳米颗粒的表面特征、纳米颗粒阵列的晶格常数、介质中纳米颗粒的浓度、纳米颗粒的空隙大小、正向结构的性质、逆向结构的性质、有序结构的性质、无序结构的性质、纳米颗粒多分散性、壳厚度以及壳材料。
[0111]
15.根据方面13所述的系统，其中所述纳米颗粒阵列的所述光学参数包括以下中的一者或多者：实折射率、复折射率、吸收值、色散值、双折射率、偏振度以及非线性系数。
[0112]
16.根据方面12至15中任一项所述的系统，其中一个或多个输出光学参数包括以
下中的一者或多者：波长、波长范围、反射曲线、透射曲线、吸收曲线、散斑量、散射参数、角度依赖性以及角度独立性。
[0113]
17.根据方面12至16中任一项所述的系统，其中所述随机模型包括蒙特卡罗模型。
[0114]
18.根据方面12至17中任一项所述的系统，其中所述一个或多个输入性质包括一个或多个介质参数。
[0115]
19.根据方面18所述的系统，其中所述一个或多个介质参数包括以下中的一者或多者：材料、所述介质的复折射率、微球浓度、微球混合物、吸收剂的量、吸收剂浓度、所述纳米颗粒阵列的厚度或所述纳米颗粒阵列的有序程度。
[0116]
20.根据方面12至19中任一项所述的系统，其进一步包括制造装置，所述制造装置被配置成产生包含所述纳米颗粒阵列的染料、油漆或涂料。
[0117]
21.一种方法，其包括：向处理器提供一个或多个目标性质，其中所述一个或多个目标性质中的每个目标性质指示纳米颗粒阵列的期望光学性质；向所述处理器提供用于光学模拟的一个或多个输入参数；由所述处理器根据输入性质和输入参数执行进化算法，并且其中所述进化算法采用所述纳米颗粒阵列的光学模拟；以及由所述处理器并且根据所述进化算法来确定指示所述纳米颗粒阵列的一个或多个性质的输出设计参数。
[0118]
22.根据方面21所述的方法，其中所述纳米颗粒阵列的所述一个或多个性质包括以下中的一者或多者：纳米颗粒粒径、纳米颗粒形状、纳米颗粒材料、纳米颗粒孔隙率、纳米颗粒的表面特征、纳米颗粒阵列的晶格常数、介质中纳米颗粒的浓度、纳米颗粒多分散性、壳厚度以及壳材料。
[0119]
23.根据方面21或方面22中任一项所述的方法，其中指示期望光学性质的所述一个或多个目标性质包括以下中的一者或多者：波长、波长范围、反射曲线、透射曲线、吸收曲线、散斑量、散射参数、目标传输长度、结构颜色、角度依赖性以及角度独立性。
[0120]
24.根据方面21至23中任一项所述的方法，其进一步包括产生包括具有所述输出结构设计参数的所述纳米颗粒阵列的染料、油漆或涂料中的至少一者。
[0121]
25.根据方面21至24中任一项所述的方法，其中所述进化算法包括以下中的一种：最大似然优化、差分进化算法、贝叶斯优化、遗传算法、协方差矩阵自适应进化策略、粒子群优化和模拟退火。
[0122]
26.根据方面21至25中任一项所述的方法，其中所述一个或多个输入参数包括介质参数，所述介质参数包含以下中的一者或多者：介质的类型、所述介质的复折射率、微球浓度、微球混合物、吸收剂的量、吸收剂浓度、所述吸收剂的性质、所述纳米颗粒阵列的厚度、纳米颗粒阵列、由微球构成的基体材料的厚度或所述纳米颗粒阵列的有序程度。
[0123]
27.根据方面21至26中任一项所述的方法，其中所述一个或多个输入参数包括制造参数或介质参数，所述制造参数包含对所述纳米颗粒阵列的包含一个或多个性质、所述纳米颗粒阵列的结构性质、所述纳米颗粒阵列的光学性质中的一者或多者的至少一个参数的限制。
[0124]
28.根据方面21至27中任一项所述的方法，其中所述进化算法进一步将框约束和软约束中的一者或多者应用于所述输入性质或所述输入参数之一。
[0125]
29.根据方面21至28中任一项所述的方法，其中确定所述输出设计参数进一步包括：在满足停止条件时，由所述处理器停止所述进化算法；以及由所述处理器将所述输出设
计参数存储在非暂时性存储器中。
[0126]
30.根据方面29所述的方法，其中所述停止条件包括以下之一：执行预定次数的迭代、经过预定量的时间、目标函数的变化率的预定义阈值、确定所述目标函数在预定义次数的迭代内的停滞以及所述目标函数的阈值。
[0127]
31.一种优化系统，其包括处理器，所述处理器被配置成执行机器可读指令，所述机器可读指令使所述处理器：接收一个或多个目标性质，其中所述一个或多个目标性质中的每个目标性质指示纳米颗粒阵列的期望光学性质；接收用于光学模拟的一个或多个输入参数；根据输入性质和输入参数执行进化算法，并且其中所述进化算法采用所述纳米颗粒阵列的光学模拟；并且根据所述进化算法确定输出设计参数，所述输出设计参数指示所述纳米颗粒阵列的一个或多个性质。
[0128]
32.根据方面31所述的优化系统，其中所述纳米颗粒阵列的所述一个或多个性质包括以下中的一者或多者：纳米颗粒粒径、纳米颗粒形状、纳米颗粒材料、纳米颗粒孔隙率、纳米颗粒的表面特征、所述纳米颗粒阵列的晶格常数、介质中纳米颗粒的浓度、纳米颗粒多分散性、壳厚度以及壳材料。
[0129]
33.根据方面31或方面32中任一项所述的优化系统，其中指示期望光学性质的所述一个或多个目标性质包括以下中的一者或多者：波长、波长范围、反射曲线、透射曲线、吸收曲线、散斑量、散射参数、目标传输长度、结构颜色、角度依赖性以及角度独立性。
[0130]
34.根据方面31至33中任一项所述的优化系统，其进一步包括制造装置，所述制造装置被配置成产生包含所述纳米颗粒阵列的染料、油漆或涂料。
[0131]
35.根据方面31至34中任一项所述的优化系统，其中所述进化算法包括以下中的一种：最大似然优化、差分进化算法、贝叶斯优化、遗传算法、协方差矩阵自适应进化策略、粒子群优化和模拟退火。
[0132]
36.根据方面31至35中任一项所述的优化系统，其中所述一个或多个输入参数包括介质参数，所述介质参数包含以下中的一者或多者：介质的类型、所述介质的复折射率、微球浓度、微球混合物、吸收剂的量、吸收剂浓度、所述吸收剂的性质、所述纳米颗粒阵列的厚度、纳米颗粒阵列、由微球构成的基体材料的厚度或所述纳米颗粒阵列的有序程度。
[0133]
37.根据方面31至36中任一项所述的优化系统，其中所述一个或多个输入参数包括制造参数或介质参数，所述制造参数包含对所述纳米颗粒阵列的至少一个性质的限制，所述至少一个性质包含所述纳米颗粒阵列的结构性质、所述纳米颗粒阵列的光学性质。
[0134]
38.根据方面31至37中任一项所述的优化系统，其中所述进化算法进一步将框约束和软约束中的一者或多者应用于所述输入性质或所述输入参数之一。
[0135]
39.根据方面31至38中任一项所述的优化系统，其中为了确定所述输出设计参数，所述机器可读指令进一步使所述处理器：在满足停止条件时停止所述进化算法；并且将所述输出设计参数存储在非暂时性存储器中。
[0136]
40.根据方面39所述的优化系统，其中所述停止条件包括以下之一：执行预定次数的迭代、经过预定量的时间、目标函数的变化率的预定义阈值、确定所述目标函数在预定义次数的迭代内的停滞以及所述目标函数的阈值。