2024年6月5日发(作者：孔同)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.2

(22)申请日 2019.05.22

(71)申请人 清华大学

地址 100084 北京市海淀区清华园1号

(72)发明人 杨原牧 倪一博

(74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)

代理人 廖元秋

(51)

(10)申请公布号 CN 110221447 A

(43)申请公布日 2019.09.10

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

一种基于超构表面的结构光投影衍

射光学器件

(57)摘要

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。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

专利实施许可合同备案的生效

IPC(主分类):G02B27/42专利申

请号:2专利

号:ZL2合同备案

号:X2让与人:清华

2023-07-21

大学受让人:维悟光子(北京)科技

有限公司发明名称:一种基于超构

表面的结构光投影衍射光学器件

申请日:20190522申请公布

日:20190910授权公告

日:20200616许可种类:普通许可

备案日期:20230704

法律状态

专利实施许可合同备

案的生效、变更及注

销

权 利 要 求 说 明 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。

2.根据权利要求1所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，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

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。

3.一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。

4.根据权利要求3所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，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。

5.根据权利要求2或4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。

6.根据权利要求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，所述目标函数中步骤2)中所选衍射级次的衍射效率η

和各衍射级次光强的均方根误差RMSE的表达式分别如下：

i为步骤2)所选定的各衍射级次；

I_i为第i个衍射次级所对应的光强；I₀为入射光强；

为各衍射级次的平均光强，n为结构光点数。

7.根据权利要求4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，所述目标函数中步骤2)中所选衍射级次的衍射效率η

和各衍射级次光强的均方根误差RMSE的表达式分别如下：

式中：

i,j分别为步骤2)所选定的x和y方向上的衍射级次；

I_i，j为x方向的第i个衍射级次和y方向的第j个衍射级次对应的光强；

I₀为入射光强；

为各级次的平均光强，n_x和n_y分别为x和y方

向上的结构光点数。

8.根据权利要求1或3所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，所

述衬底选用透明基底或高反射率材料制成，或者所述衬底为分布式布拉格反射镜。

9.根据权利要求1或3所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，各

所述光学天线选用折射率大于2的介质材料制成，包括硅、氮化硅、二氧化钛、磷

化镓、氮化镓、砷化镓。

10.根据权利要求1或3所述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的工作波长为紫外波段到太赫兹波段。

说 明 书

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

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。

本发明提出的另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。

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。

本发明的特点及有益效果如下：

该装置利用高折射率的电介质材料设计了一种相位调制的光学天线，利用时域有限

差分算法等仿真算法，选取天线几何参数的设计范围，以保证在紫外到太赫兹波段

的光实现0到2π范围内任意的相位调制，并且保持较高的透射率或反射率。将天

线以固定间距排布，并以固定数量的天线为周期扩展为周期性阵列。利用机器学习

算法，设计和优化周期内每个天线的尺寸和排布，即设计周期内的相位分布。由此

得到的结构光投影衍射光学器件可以实现大衍射角度、高衍射效率、高均一性、对

入射光偏振不敏感的结构光投影。

附图说明

图1是本实施例1的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的侧视图；

图2是本实施例1的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的俯视图；

图3是本实施例2的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的侧视图；

图4是本实施例2的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的俯视图；

图5是实施例2中，一维光学天线对入射光相位的调制量随光学天线宽度的变化关

系；

图6是实施例2中，一维结构光投影的仿真结果；

图7是由实施例1或2构成的透射式结构光投影装置及其光路示意图；

图8是由实施例1或2构成的反射式结构光投影装置及其光路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对

本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释

本发明，并不用于限定本发明。

本实施例的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的主视图和俯视图。该结

构光投影衍射光学器件由衬底(102，202)和以周期形式布设于衬底(102，202)表面

的若干个亚波长光学天线阵列(101，201)组成。亚波长光学天线阵列中各光学天线

的高度均在亚波长范围内，且均采用高折射率(折射率>2)的介质材料制成，包含

硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓、砷化镓等。

所述亚波长光学天线阵列可以为二维阵列或一维阵列，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，并以右手定则建立坐标系xyz。参见图1、

图2，分别为二维阵列的主视图和俯视图，图中虚线框103内为一个周期的亚波长

光学天线阵列，该阵列中各行各列均含有至少大于等于3个光学天线，各光学天线

沿xy平面的横截面形状可以为圆形或任意正多边形(本实施例采用圆形)，各光学

天线的直径为工作波长的1/20至1/2；由于光学天线的对称性，其对入射光的偏振

态不敏感。参见图3、图4，分别为一维阵列的主视图和俯视图，图中虚线框203

内为一个周期的亚波长光学天线阵列，该阵列中各光学天线201为沿y轴布设且

(沿xz平面)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；一维天线阵列可对偏振方向在入射面内的光实现结构光投影。

根据衬底(102，202)材料的不同，本结构光投影衍射光学器件可分为透射式和反射

式两种。对于透射式的结构光投影衍射光学器件，衬底(102，202)可以选择熔融玻

璃、石英等透明基底；对于反射式的结构光投影衍射光学器件，衬底(102，202)可

以选择金、银等反射率高于90％的材料，也可以选择分布式布拉格反射镜。分布

式布拉格反射镜由两种不同折射率的电介质层交替堆栈构成，电介质层的厚度通常

采用四分之一工作波长与电介质折射率的倒数的乘积。常用于构成分布式布拉格反

射镜的电介质材料有二氧化硅、二氧化钛、氮化硅等。

进一步地，对于如图3、图4所示，透射式一维结构光投影衍射光学器件(由一维

亚波长非晶硅天线阵列203和熔融玻璃基底202组成，亚波长天线201均为栅条

形)，各亚波长光学天线阵列内各光学天线的分布按照以下步骤确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析等方法，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，其中，各光

学天线的高度相等，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，

(得出单个天线对入射光相位的调制量与该天线的宽度W之间的定量关系，

以及该天线宽度W对天线透过率的影响)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。本实施例中，确定工作波长为

1550纳米，固定硅柱天线的高度为850纳米，中心距为750纳米，确定天线的宽

度为150～500纳米。如图5所示，在此宽度范围内，相位调制范围可以包含0～

2π内的所有取值，且透过率接近于1。

2)利用光栅方程并根据结构光点数和最大衍射角度要求，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

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可取1至1000的正整数；

θ_m表示第m级的衍射角度。

在正入射情况下，光栅周期d随周期内天线个数N的改变而改变，从而改变衍射

级次的数量。因此，在结构光点数较多的情况下，应选择更大的周期，即单周期内

更多的天线个数。利用光栅方程并根据所采用的结构光点数n选择略大于该结构光

点数的N’个光学天线作为一个周期，再次根据光栅方程筛选出符合最大衍射角度

要求的N个光学天线作为一个周期。本实施例中，所采用的结构光点数n为9，衍

射角大于±45°。根据光栅方程确定以11个硅柱为一个周期，因此共有11个衍射级

次(0，±1，±2，±3，±4，±5)，选择其中9个衍射级次(0，±1，±2，±3，±4)，最外

衍射角(相对应于±4衍射级次)约为±48.7°，满足衍射角要求。

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。可以使用的优化算

法包括模拟退火算法、基因算法、粒子群算法等。

本实施例中使用的优化算法为粒子群算法。粒子群算法是一种基于迭代的优化算法，

在算法中，每一个解称为一个“粒子”，初始需要规定每一次迭代中粒子的个数、迭

代的次数，以及目标函数。具体步骤如下：

31)设定每次迭代中粒子的个数、迭代的总次数、以及目标函数，并初始化一组随

机解作为初代粒子；本实施例中，以步骤2)所选衍射级次的衍射效率η和各衍射

级次光强的均方根误差RMSE作为目标函数，表达式分别如下：

式中：

i为步骤2)所选定的各衍射级次，即需要被优化的衍射级次；本实施例中，i＝0，

±1，±2，±3，±4；

I_i为第i个衍射次级所对应的光强；I₀为入射光强；

为各衍射级次的平均光强，n为结构光点数；

32)根据步骤31)设定的目标函数计算当前迭代次数中每一个粒子的目标函数值，找

到局部最优和全局最优；

33)依据步骤32)得到的当前迭代次数中的局部最优和全局最优，计算每个粒子下一

代的移动方向和速度；

34)根据步骤33)计算的移动方向和速度更新下一迭代过程中粒子的位置；

35)重复步骤32)到34)，直到所有粒子收敛至同一位置。

本实施例根据优化结果，确定硅柱的宽度依次为242.5纳米、293.0纳米、226.9纳

米、214.4纳米、456.1纳米、282.6纳米、456.1纳米、214.4纳米、226.9纳米、

293.0纳米和242.5纳米。这一设计的仿真结果如图6所示，衍射效率为90.12％，

各衍射级次光强的均方根误差为9.84％。

二维结构光投影光学器件的各亚波长光学天线阵列内各光学天线分布的确定方式与

一维结构光投影光学器件类似。具体差别体现在：

步骤2)中，根据光栅方程，二维阵列中x和y方向上光学天线的个数由对应方向上

的结构光点数和衍射角度分别确定。

步骤3)中，优化算法所采用的目标函数，步骤2)所选衍射级次的衍射效率η和各

衍射级次光强的均方根误差RMSE的表达式分别为：

式中：

i，j分别为步骤2)所选定的x和y方向上的衍射级次；

I_i，j为x方向的第i个衍射级次和y方向的第j个衍射级次对应的光强；

I₀为入射光强；

为各级次的平均光强，n_x和n_y分别为x和y方

向上的结构光点数。

需要说明的是，根据优化算法可以得出各亚波长光学天线阵列内各光学天线的多种

分布形式，均能达到本发明目的，即实现大衍射角度、高衍射效率、高均一性、对

入射光偏振不敏感的结构光投影。

由本发明的结构光投影衍射光学器件构成的结构光投影装置，对应的分为透射式和

反射式两种，分别如图7、8所示，包含共光轴设置的激光器(501、601)、准直透

镜(502、602)和.基于超构表面的结构光投影衍射光学器件(503、603)。其中，激光

器可选择半导体激光器，包括垂直表面腔激光器(VCSEL)及其阵列、边发射激光器

(EEL)及其阵列等。激光器的工作波长可从紫外波段到太赫兹波段(200纳米至300

微米)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理

解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、

替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

2024年6月5日发(作者：孔同)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.2

(22)申请日 2019.05.22

(71)申请人 清华大学

地址 100084 北京市海淀区清华园1号

(72)发明人 杨原牧 倪一博

(74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)

代理人 廖元秋

(51)

(10)申请公布号 CN 110221447 A

(43)申请公布日 2019.09.10

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

一种基于超构表面的结构光投影衍

射光学器件

(57)摘要

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。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

专利实施许可合同备案的生效

IPC(主分类):G02B27/42专利申

请号:2专利

号:ZL2合同备案

号:X2让与人:清华

2023-07-21

大学受让人:维悟光子(北京)科技

有限公司发明名称:一种基于超构

表面的结构光投影衍射光学器件

申请日:20190522申请公布

日:20190910授权公告

日:20200616许可种类:普通许可

备案日期:20230704

法律状态

专利实施许可合同备

案的生效、变更及注

销

权 利 要 求 说 明 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。

2.根据权利要求1所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，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

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。

3.一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。

4.根据权利要求3所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，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。

5.根据权利要求2或4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。

6.根据权利要求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，所述目标函数中步骤2)中所选衍射级次的衍射效率η

和各衍射级次光强的均方根误差RMSE的表达式分别如下：

i为步骤2)所选定的各衍射级次；

I_i为第i个衍射次级所对应的光强；I₀为入射光强；

为各衍射级次的平均光强，n为结构光点数。

7.根据权利要求4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，所述目标函数中步骤2)中所选衍射级次的衍射效率η

和各衍射级次光强的均方根误差RMSE的表达式分别如下：

式中：

i,j分别为步骤2)所选定的x和y方向上的衍射级次；

I_i，j为x方向的第i个衍射级次和y方向的第j个衍射级次对应的光强；

I₀为入射光强；

为各级次的平均光强，n_x和n_y分别为x和y方

向上的结构光点数。

8.根据权利要求1或3所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，所

述衬底选用透明基底或高反射率材料制成，或者所述衬底为分布式布拉格反射镜。

9.根据权利要求1或3所述的结构光投影衍射光学器件，其特征在于，各

所述光学天线选用折射率大于2的介质材料制成，包括硅、氮化硅、二氧化钛、磷

化镓、氮化镓、砷化镓。

10.根据权利要求1或3所述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的工作波长为紫外波段到太赫兹波段。

说 明 书

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

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。

本发明提出的另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。

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。

本发明的特点及有益效果如下：

该装置利用高折射率的电介质材料设计了一种相位调制的光学天线，利用时域有限

差分算法等仿真算法，选取天线几何参数的设计范围，以保证在紫外到太赫兹波段

的光实现0到2π范围内任意的相位调制，并且保持较高的透射率或反射率。将天

线以固定间距排布，并以固定数量的天线为周期扩展为周期性阵列。利用机器学习

算法，设计和优化周期内每个天线的尺寸和排布，即设计周期内的相位分布。由此

得到的结构光投影衍射光学器件可以实现大衍射角度、高衍射效率、高均一性、对

入射光偏振不敏感的结构光投影。

附图说明

图1是本实施例1的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的侧视图；

图2是本实施例1的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的俯视图；

图3是本实施例2的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的侧视图；

图4是本实施例2的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的俯视图；

图5是实施例2中，一维光学天线对入射光相位的调制量随光学天线宽度的变化关

系；

图6是实施例2中，一维结构光投影的仿真结果；

图7是由实施例1或2构成的透射式结构光投影装置及其光路示意图；

图8是由实施例1或2构成的反射式结构光投影装置及其光路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对

本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释

本发明，并不用于限定本发明。

本实施例的一种基于超构表面的结构光投影衍射光学器件的主视图和俯视图。该结

构光投影衍射光学器件由衬底(102，202)和以周期形式布设于衬底(102，202)表面

的若干个亚波长光学天线阵列(101，201)组成。亚波长光学天线阵列中各光学天线

的高度均在亚波长范围内，且均采用高折射率(折射率>2)的介质材料制成，包含

硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、氮化镓、砷化镓等。

所述亚波长光学天线阵列可以为二维阵列或一维阵列，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，并以右手定则建立坐标系xyz。参见图1、

图2，分别为二维阵列的主视图和俯视图，图中虚线框103内为一个周期的亚波长

光学天线阵列，该阵列中各行各列均含有至少大于等于3个光学天线，各光学天线

沿xy平面的横截面形状可以为圆形或任意正多边形(本实施例采用圆形)，各光学

天线的直径为工作波长的1/20至1/2；由于光学天线的对称性，其对入射光的偏振

态不敏感。参见图3、图4，分别为一维阵列的主视图和俯视图，图中虚线框203

内为一个周期的亚波长光学天线阵列，该阵列中各光学天线201为沿y轴布设且

(沿xz平面)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；一维天线阵列可对偏振方向在入射面内的光实现结构光投影。

根据衬底(102，202)材料的不同，本结构光投影衍射光学器件可分为透射式和反射

式两种。对于透射式的结构光投影衍射光学器件，衬底(102，202)可以选择熔融玻

璃、石英等透明基底；对于反射式的结构光投影衍射光学器件，衬底(102，202)可

以选择金、银等反射率高于90％的材料，也可以选择分布式布拉格反射镜。分布

式布拉格反射镜由两种不同折射率的电介质层交替堆栈构成，电介质层的厚度通常

采用四分之一工作波长与电介质折射率的倒数的乘积。常用于构成分布式布拉格反

射镜的电介质材料有二氧化硅、二氧化钛、氮化硅等。

进一步地，对于如图3、图4所示，透射式一维结构光投影衍射光学器件(由一维

亚波长非晶硅天线阵列203和熔融玻璃基底202组成，亚波长天线201均为栅条

形)，各亚波长光学天线阵列内各光学天线的分布按照以下步骤确定：

1)根据工作波长λ，利用时域有限差分或严格耦合波分析等方法，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，其中，各光

学天线的高度相等，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，

(得出单个天线对入射光相位的调制量与该天线的宽度W之间的定量关系，

以及该天线宽度W对天线透过率的影响)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。本实施例中，确定工作波长为

1550纳米，固定硅柱天线的高度为850纳米，中心距为750纳米，确定天线的宽

度为150～500纳米。如图5所示，在此宽度范围内，相位调制范围可以包含0～

2π内的所有取值，且透过率接近于1。

2)利用光栅方程并根据结构光点数和最大衍射角度要求，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

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可取1至1000的正整数；

θ_m表示第m级的衍射角度。

在正入射情况下，光栅周期d随周期内天线个数N的改变而改变，从而改变衍射

级次的数量。因此，在结构光点数较多的情况下，应选择更大的周期，即单周期内

更多的天线个数。利用光栅方程并根据所采用的结构光点数n选择略大于该结构光

点数的N’个光学天线作为一个周期，再次根据光栅方程筛选出符合最大衍射角度

要求的N个光学天线作为一个周期。本实施例中，所采用的结构光点数n为9，衍

射角大于±45°。根据光栅方程确定以11个硅柱为一个周期，因此共有11个衍射级

次(0，±1，±2，±3，±4，±5)，选择其中9个衍射级次(0，±1，±2，±3，±4)，最外

衍射角(相对应于±4衍射级次)约为±48.7°，满足衍射角要求。

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。可以使用的优化算

法包括模拟退火算法、基因算法、粒子群算法等。

本实施例中使用的优化算法为粒子群算法。粒子群算法是一种基于迭代的优化算法，

在算法中，每一个解称为一个“粒子”，初始需要规定每一次迭代中粒子的个数、迭

代的次数，以及目标函数。具体步骤如下：

31)设定每次迭代中粒子的个数、迭代的总次数、以及目标函数，并初始化一组随

机解作为初代粒子；本实施例中，以步骤2)所选衍射级次的衍射效率η和各衍射

级次光强的均方根误差RMSE作为目标函数，表达式分别如下：

式中：

i为步骤2)所选定的各衍射级次，即需要被优化的衍射级次；本实施例中，i＝0，

±1，±2，±3，±4；

I_i为第i个衍射次级所对应的光强；I₀为入射光强；

为各衍射级次的平均光强，n为结构光点数；

32)根据步骤31)设定的目标函数计算当前迭代次数中每一个粒子的目标函数值，找

到局部最优和全局最优；

33)依据步骤32)得到的当前迭代次数中的局部最优和全局最优，计算每个粒子下一

代的移动方向和速度；

34)根据步骤33)计算的移动方向和速度更新下一迭代过程中粒子的位置；

35)重复步骤32)到34)，直到所有粒子收敛至同一位置。

本实施例根据优化结果，确定硅柱的宽度依次为242.5纳米、293.0纳米、226.9纳

米、214.4纳米、456.1纳米、282.6纳米、456.1纳米、214.4纳米、226.9纳米、

293.0纳米和242.5纳米。这一设计的仿真结果如图6所示，衍射效率为90.12％，

各衍射级次光强的均方根误差为9.84％。

二维结构光投影光学器件的各亚波长光学天线阵列内各光学天线分布的确定方式与

一维结构光投影光学器件类似。具体差别体现在：

步骤2)中，根据光栅方程，二维阵列中x和y方向上光学天线的个数由对应方向上

的结构光点数和衍射角度分别确定。

步骤3)中，优化算法所采用的目标函数，步骤2)所选衍射级次的衍射效率η和各

衍射级次光强的均方根误差RMSE的表达式分别为：

式中：

i，j分别为步骤2)所选定的x和y方向上的衍射级次；

I_i，j为x方向的第i个衍射级次和y方向的第j个衍射级次对应的光强；

I₀为入射光强；

为各级次的平均光强，n_x和n_y分别为x和y方

向上的结构光点数。

需要说明的是，根据优化算法可以得出各亚波长光学天线阵列内各光学天线的多种

分布形式，均能达到本发明目的，即实现大衍射角度、高衍射效率、高均一性、对

入射光偏振不敏感的结构光投影。

由本发明的结构光投影衍射光学器件构成的结构光投影装置，对应的分为透射式和

反射式两种，分别如图7、8所示，包含共光轴设置的激光器(501、601)、准直透

镜(502、602)和.基于超构表面的结构光投影衍射光学器件(503、603)。其中，激光

器可选择半导体激光器，包括垂直表面腔激光器(VCSEL)及其阵列、边发射激光器

(EEL)及其阵列等。激光器的工作波长可从紫外波段到太赫兹波段(200纳米至300

微米)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理

解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、

替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。