[发明专利]一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件

权利要求书

1.一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，该结构光投影衍射光学器件由衬底和以周期形式布设于所述衬底表面的若干个亚波长光学天线阵列组成；

所述亚波长光学天线阵列为一维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴；所述亚波长光学天线阵列至少含有3个光学天线，各光学天线为沿y轴布设且具有矩形或梯形横截面的线栅，各光学天线的宽度分别为工作波长的1/20至1/2，各光学天线的高度均相等、均在亚波长范围内，相邻两光学天线的中心距均相等、且不超过工作波长的一半；

各亚波长光学天线阵列内各光学天线的分布按照以下方式确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距和宽度的情况下，对入射光的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距d₀和各光学天线的高度均保持不变，筛选出满足：透过率接近于1、入射光相位调制范围为[0,2π]条件的光学天线的宽度范围；

2)利用光栅方程并根据结构光点数和衍射角度要求，确定单个亚波长光学天线阵列内包含的光学天线个数N，光栅方程的表达式为：

dsinθ_m＝mλ

其中，

d表示单个亚波长光学天线阵列的周期，d＝Nd₀；

m为整数，代表衍射级次，m＝0,±1,±2,…,±M；M为大于或者等于1的正整数；

θ_m表示第m级的衍射角度；

3)利用机器学习算法优化各周期内各光学天线的宽度及其分布，其中以步骤2)中所选衍射级次的衍射效率和各衍射级次光强的均方根误差作为所述机器学习算法的目标函数。

2.一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，该结构光投影衍射光学器件由衬底和以周期形式布设于所述衬底表面的若干个亚波长光学天线阵列组成；

所述亚波长光学天线阵列为二维阵列，分别以平行于亚波长光学天线阵列行和列的方向作为x轴和y轴；该阵列中各行各列均至少含有3个光学天线，各光学天线沿xy平面的横截面形状为圆形或任意正多边形，各光学天线的直径为工作波长的1/20至1/2，各光学天线的高度均相等、均在亚波长范围内，相邻两光学天线的中心距均相等、且不超过工作波长的一半；

各亚波长光学天线阵列内各光学天线的分布按照以下方式确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析方法，计算单个光学天线在不同高度、中心距和宽度的情况下，对入射光的相位和透过率的调制情况；令相邻两光学天线的中心距d₀和各光学天线的高度均保持不变，筛选出满足：透过率接近于1、入射光相位调制范围为[0,2π]条件的光学天线的宽度范围；

2)利用光栅方程并根据x、y方向上结构光点数和衍射角度要求，分别确定单个亚波长光学天线阵列内相应方向包含的光学天线个数N_x、N_y，光栅方程的表达式为：

其中，

d_x,d_y分别表示单个亚波长光学天线阵列的在x、y方向的周期，d_x＝N_xd₀，d_y＝N_yd₀；

m_x,m_y均为整数，分别代表x、y方向的衍射级次，m_x＝0,±1,±2,…,±M_x，m_y＝0,±1,±2,…,±M_y；M_x,M_y均为大于或者等于1的正整数；

分别表示x、y方向上第m级的衍射角度；

3)利用机器学习算法优化各周期内各光学天线的宽度及其分布，其中以步骤2)中所选衍射级次的衍射效率和各衍射级次光强的均方根误差作为所述机器学习算法的目标函数。

3.根据权利要求1或2所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，步骤3)中所述机器学习算法选用粒子群算法、基因算法或模拟退火算法。