[发明专利]用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅及其设计方法

权利要求书

1.用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选择衍射图样、系统焦距以及探测器靶面以确定超表面全息光栅的初始结构参数；

S2：根据所述初始结构参数、传输相位原理以及相位全息图优化算法获得相位补偿分布；

S3：根据初始结构参数使用仿真软件对超表面全息光栅的小周期单元仿真，获得相位补偿与表面单元结构直径的关系式；

S4：根据相位补偿与表面单元结构直径的关系式，将相位分布转化为超表面全息光栅阵列结构。

2.根据权利要求1所述的用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅的设计方法，其特征在于，基于内点法与矢量电磁法对所述超表面全息光栅阵列结构进行优化，包括步骤：

S1：将所述超表面全息光栅阵列结构的远场图案与实际需求的衍射图案对比，进行迭代优化直至远场图案与衍射图案分布一致，获得优化后的超表面全息光栅阵列排布，以及该超表面全息光栅阵列对应相位分布；

S2：将相位分布导入光学设计软件，输入真实三维数据立方体并仿真超表面全息光栅的完整光路，在焦平面阵列上获得衍射图案；

S3：利用数据处理软件对不同波长的衍射图案进行叠加，并通过期望最大化算法获得复原三维数据立方体，将复原三维数据立方体和真实三维数据立方体进行参数比对，如差异较小，则超表面全息光栅整体成像过程正确，否则重新选择衍射图样、系统焦距和靶面。

3.根据权利要求2所述的用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅的设计方法，其特征在于，所述的S1中运用矢量电磁法结合内点法，优化所述的超表面全息光栅的每个纳米柱直径，使得每个级次的能量分布尽量均匀，通过将夫琅禾费衍射公式作为传播函数，所述的矢量电磁法能够考虑所述超表面全息光栅的纳米柱之间的耦合，模拟超表面连续相位分布的远场响应。

4.根据权利要求3所述的用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅的设计方法，其特征在于，所述的内点法定义品质因数f(x₁,x₂,…,x_M)＝FOM＝RMSE+(1-Eff)作为优化函数，对超表面进行设计和优化，其中x_j为所述的纳米柱直径，且x_j∈R,j＝1,2,…,M，20nm≤x_j≤250nm；为均方误差，体现衍射点的均匀性；为衍射效率，体现光衍射到靶面的整体效率，其中I_i是归一化到入射光强度的第i级衍射强度，N是目标衍射级次的总数。

5.根据权利要求4所述的用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅的设计方法，其特征在于，所述的内点法中第n+1次迭代的纳米柱直径其中纳米柱直径Hessian矩阵H_f(X)＝A^TDA，目标函数梯度Δx_j是对目标函数求导数的步长，j＝1,2,…,M。

6.用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅，其特征在于，根据权利要求1至5任一项所述的设计方法所得到，由基底和表面单元结构组成，其中，所述基底具有第一方向和与所述第一方向垂直的第二方向上延伸的表面，所述表面单元结构为圆柱，与所述基底垂直。

7.根据权利要求6所述用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅，其特征在于，所述表面单元结构高度相等，呈矩阵排列，由1个或多个大周期组成。

8.根据权利要求7所述用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅，其特征在于，所述大周期在所述基底的第一方向和第二方向上呈矩阵排列，所述大周期为由15*15的小周期组成。

9.根据权利要求6至8所述用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅，其特征在于，所述基底为二氧化硅，所述表面单元结构为亚波长金属或高折射率介质。

10.根据权利要求9所述用于计算层析成像光谱仪的超表面全息光栅，其特征在于，所述表面单元结构为二氧化钛。