[发明专利]一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件

说明书

本发明提出的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件，属于深度感知和光学成像技术领域。本发明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或二维阵列；为一维阵列时，各光学天线为沿列所在方向布设且具有矩形或梯形横截面的线栅；为二维阵列时，各光学天线为沿以行和列所在方向构成平面的横截面为圆形或任意正多边形的柱体；各亚波长光学天线阵列中，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。本发明可实现大衍射角度、高衍射效率、高均一性、对入射光偏振不敏感的结构光投影。

技术领域

本发明可被应用于深度感知和光学成像等领域，特别涉及一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件。

背景技术

结构光指的是经过特定编码的激光点阵或者激光散斑。将结构光投影于被测物体，用相机捕捉被测物体反射的图案，通过接收光点的形状、大小与投影光点之间的比对，可以获取被测物体各点的深度信息，进而复原物体的三维形貌。结构光所能实现的三维立体视觉可以被广泛应用于工业检测、生活安防、无人驾驶等诸多领域，受到越来越广泛的重视。目前基于结构光的产品有苹果手机的人脸识别模块、微软公司的体感游戏机等。

结构光投影仪主要由激光器、衍射光学元件等部件构成，其中衍射光学元件的性能很大程度上决定了结构光的视场角、光点数量、光斑均一性等关键指标。传统实现结构光点阵投影的衍射光学元件是达曼光栅，达曼光栅最初在20世纪70年代由Dammann等人提出，是一种具有特殊孔径函数的相位型光栅，具有周期性结构，且每个周期内的相位都是二值的(0和π)。通过对周期内相位分布的设计，达曼光栅已可以实现64×64的点阵投影。但是由于达曼光栅的相位只能有两种取值，因此在大衍射角度(±45°)的情况下，达曼光栅的效率无法超过60％。

近年来，超构表面(Metasurface)的提出引起了广泛关注。通过表面上亚波长尺度的结构设计，可以实现0至2π相位范围内任意取值，从而有望克服达曼光栅相位取值的限制，使得大衍射角度、高效率的结构光投影成为可能。已有的利用超构表面投射结构光的工作，多基于几何相位(Pancharatnam-Berry相位)，但缺点在于入射光必须为圆偏振光。

发明内容

针对现有技术中结构光衍射角度小，效率不高的问题，本发明提供了一种通过设计亚波长纳米圆柱天线的几何尺寸和排布周期，实现大衍射角、高效率、高均一性的结构光投影的装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的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。

进一步地，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天线个数N，光栅方程的表达式为：

dsinθ_m＝mλ