具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本申请的保护范围内。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例的一方面，提供一种超表面光学元件，如图1所示，包括基底110和设置于基底110上的多个纳米天线120，多个纳米天线120通过传输相位调制入射纳米天线120的光束的相位，其中，传输相位指超表面通过电磁波在传输过程中产生的光程差来实现相位调控，其具体原理基于介质等效折射率理论，通过调节纳米天线120结构的长度、宽度、高度等参数，利用不同占空比排列纳米天线120改变对应等效折射率，实现不同的传输相位，达到调控出射光的相位的目的。

基于这种传输相位的原理，可以通过精心设计超表面光学元件100中纳米天线120的形状、几何尺寸等参数，挑选出具有透过率最高且相等，相位分布在0～2π的不同结构，将其以相同的中心间距排列，能够实现同时具有准直和分束功能的超表面光学元件100。在一些实施方式中，设置于超表面光学元件100的基底110表面的多个纳米天线120中，至少两个纳米天线120的尺寸不同，如此，能够使得纳米天线120具有不同的传输相位，进而能够对入射纳米天线120的光束进行相位调制。当然，随着尺寸不同的纳米天线的数量增多，其同时实现准直和衍射功能的效果越好。

如图1和图4所示，多个纳米天线120以阵列的形式分布于基底110的上表面，多个纳米天线120在基底110的上表面进行布设时，可以根据每一个纳米天线120的传输相位进行布设，每一个纳米天线120的传输相位可以是准直相位和衍射相位的叠加，以一个纳米天线120为例进行说明：准直相位可以是该纳米天线120在单独实现准直功能时的准直相位，同理，衍射相位也同样可以是该纳米天线120单独实现衍射功能时的衍射相位，那么，该纳米天线120的传输相位就可以是准直相位和衍射相位的叠加，从而得出该纳米天线120的传输相位，同理，便可以得出剩余纳米天线120各自的传输相位，如此，便可以按照每个纳米天线120各自所对应的传输相位在基底110表面进行布设，且多个纳米天线120的传输相位分布在0～2π之间，相邻两个纳米天线120的中心间距相同，如此，便可以使得形成的超表面光学元件100能够同时具有准直和衍射功能，即将准直元件和衍射元件进行集成，有效降低了现有准直和衍射独立为两个光学元件所占用的空间，同时，由于取消了准直元件和衍射元件的对位装配，因此，能够有效降低其所导致的对位误差。

需要说明的是，考虑到设计以及工艺制造难度，在通过叠加准直相位和衍射相位后得到的多个纳米天线120的叠加相位(即后续方法实施例中的模拟相位)后，可以根据超表面光学元件100所需的纳米天线120个数，对模拟相位进行离散，得到离散相位，离散相位与超表面光学元件100所需的纳米天线120的个数相同，每个纳米天线120则被对应匹配具有一个离散相位，该离散相位即为该纳米天线120的传输相位，对具有传输相位的纳米天线120进行排布，即可得到具有准直和衍射功能的超表面光学元件100。

在上述叠加得到模拟相位后，为了进一步的提高超表面光学元件同时实现准直和衍射功能时的效果，还可以对多个得到模拟相位的纳米天线120进行小幅微调以优化模拟结果，从而优化叠加相位。具体的优化方式可以是通过算法等进行，本申请对其不做限制。

此外，由于本申请超表面光学元件100在实现准直和衍射功能时，是基于超表面结构，因此，还可以有效提高衍射效率和均一性。同时，从制造工艺来讲，该超表面光学元件100可以通过半导体芯片工艺批量制造，例如可以通过电子束或者深紫外曝光等光刻方式制作模板，然后通过干法刻蚀等工艺制造样品。

实际使用中，基底110可以起到保护超表面光学元件100以及隔离灰尘等作用，不需要再额外增加盖板，因此不会降低模组整体的衍射效率。此外，透明基底110的另一侧表面为没有设置光学元件的平面，因此可以在其上设置其他光学元件或者膜层来扩展超表面光学元件100的性能，比如可以在玻璃基底110另一侧镀上抗反膜或者耐磨层等。也可以在透明基底110表面镀上ITO层，起到保护作用。

可选的，可以将纳米天线120在基底110上的正投影设置为C4旋转对称图形，即正投影绕中心点旋转90度可以与原图形重合。

在一些实施方式中，如图2和图5所示，纳米天线120可以是长方体结构，其在基底110上的正投影为正方形，如此，利用正方形边长L相等，使得正方形在相邻两边长方向上所呈现的各向同性，正方形的边长L可以为50nm至500nm。

在一些实施方式中，如图3和图4所示，纳米天线120可以是圆柱结构，其在基底110上的正投影为圆形，如此，利用圆形直径相等的特性，使得圆形在各个直径方向上所呈现出各向同性，圆形的直径可以为50nm至500nm。

在一些实施方式中，如图6所示，纳米天线120可以包括两部分，一部分为第一天线121，另一部分为第二天线122，第一天线121在基底上的正投影为圆形，第二天线122在基底上的正投影为正方形，其中，第一天线121和第二天线122可以是以随机分布的形式设置在基底110上。圆形的直径可以为50nm至500nm，正方形的边长L可以为50nm至500nm。

在上述实施例中，由于纳米天线120均具有一定程度的各项同性，因此可以使得本申请的超表面光学元件100对入射光的偏振不敏感，能够解决传统衍射光学元件因为光源10偏振不同引入的分束不均匀的问题。

在一些实施方式中，相邻两个纳米天线120的高度相同，至少两个纳米天线120在平行基底110的平面上的图形尺寸不同，如此，能够在多个纳米柱高度相同的前提下，通过至少两纳米柱的尺寸不同形成差异化，从而具备不同的传输相位，以此实现对入射光束的调制。

在一些实施方式中，纳米天线的高(垂直基底110的方向)大于300nm，例如在300nm至1000nm之间。

在一些实施方式中，相邻两个纳米天线120的中心间距小于600nm。如此，能够有效提高超表面光学元件100的性能。

在一些实施方式中，设置于基底110上的相邻两个纳米天线120的形状可以均不相同。

在一些实施方式中，设置于基底110上的尺寸不同的纳米天线120的个数大于或等于4，如此，得到的超表面光学元件100至少相当于4阶的衍射光学元件，具有较高的衍射效率。当然，在其它实施方式中，还可以是设置于基底110上的尺寸不同的纳米天线120的个数大于或等于8，如此，得到的超表面光学元件100至少相当于8阶的衍射光学元件，具有更高的衍射效率。

在一些实施方式中，基底110可以为透明基底110，如此，能够使得形成的超表面光学元件100具备良好的透光性。在一些实施方式中，透明基底110的材质可以是石英、玻璃或氧化硅薄膜。

在一些实施方式中，纳米天线120的材质可以是硅、氧化钛、氧化铝或氮化硅。在一些实施方式中，纳米天线120的是硅时，可以是单晶硅、非晶硅或多晶硅等。

在一些实施方式中，纳米天线120的可以是亚波长光学天线。

在一些实施方式中，首先对不同尺寸和高度的纳米天线柱进行模拟仿真，得到它们的透过率和传输相位分布图。在选取纳米天线120时，主要根据相同偏振透过率最高且相等，传输相位均匀分布在0～2π之中两个要求进行选取。

本申请的另一方面，提供一种超表面光学元件100设计方法，如图8所示，方法包括：

S010：获取模拟准直元件基底上设置的多个第一模拟纳米天线各自对应的准直相位。

在对超表面光学元件100进行设计时，可以先获取通过超表面光学元件100在模拟单独实现准直功能(为便于区分以下称为模拟准直元件)时，多个第一模拟纳米天线在模拟准直元件的基底上的相位分布，也即每一个第一模拟纳米天线各自能够实现准直功能的准直相位。

S020：获取模拟衍射元件基底上设置的多个第二模拟纳米天线各自对应的衍射相位，其中，多个第一模拟纳米天线与多个第二模拟纳米天线的数量一一对应。

在对超表面光学元件100进行设计时，还可以获取通过超表面光学元件100在模拟单独实现衍射功能(为便于区分，以下称为模拟衍射元件)时，多个第二模拟天线在模拟准直元件的基底上的相位分布，也即每一个第二模拟纳米天线各自能够实现衍射功能的衍射相位。执行S010和S020时，在不同实施方式中，可以以不同的顺序进行。

由于模拟准直元件和模拟衍射元件均是由超表面光学元件100模拟实现单一准直或衍射功能时所呈现的结构，因此，模拟准直元件的多个第一模拟纳米天线在基底上的布设和模拟衍射元件的多个第二模拟纳米天线在基底上的布设呈一一对应的状态，即每一个第一模拟纳米天线都和其所对应的一个第二模拟纳米天线的基底上的所处位置相同，且第一模拟纳米天线和第二模拟纳米天线的数量也相同。

S030：将多个第一模拟纳米天线的准直相位与各自对应的第二模拟纳米天线的衍射相位叠加得到多个模拟相位。

通过S010和S020获取到模拟准直元件上的多个第一模拟纳米天线各自的准直相位和模拟衍射元件上的多个第二模拟纳米天线各自的衍射相位后，便可以将多个第一模拟纳米天线的准直相位和各自所对应的第二模拟纳米天线的衍射相位按照对应关系进行叠加，从而得到多个模拟相位。

在上述叠加得到模拟相位后，为了进一步的提高超表面光学元件100同时实现准直和衍射功能时的效果，还可以对多个得到模拟相位的纳米天线120进行小幅微调以优化模拟结果，从而优化叠加相位。具体的优化方式可以是通过算法等进行，本申请对其不做限制。

S040：对多个模拟相位进行离散得到多个离散相位，其中，超表面光学元件基底上的多个纳米天线的数量与多个离散相位的数量一一对应，多个纳米天线的传输相位与各自对应的离散相位相同。

根据超表面光学元件100所需的纳米天线120个数，对模拟相位进行离散，得到离散相位，离散相位与超表面光学元件100所需的纳米天线120的个数相同，每个纳米天线120则被对应匹配具有一个离散相位，该离散相位即为该纳米天线120的传输相位，对具有传输相位的纳米天线120进行排布，即可得到具有准直和衍射功能的超构表面光学元件。如此，便可以使得布设后的超表面光学元件100同时实现准直和衍射的功能，即将准直和衍射进行集成。需要说明的是，在实现准直和衍射功能的集成时，可以通过光学传递函数，若干成像系统串联时，合成系统的光学传递函数是子系统光学传递函数的乘积，即振幅相乘，相位叠加即可。

此外，由于本申请超表面光学元件100在实现准直和衍射功能时，是基于超表面结构，因此，还可以有效提高衍射效率和均一性。同时，从制造工艺来讲，该超表面光学元件100可以通过半导体芯片工艺批量制造，例如可以通过电子束或者深紫外曝光等光刻方式制作模板，然后通过干法刻蚀等工艺制造样品。其中超表面光学元件100、模拟准直元件和模拟衍射元件均基于超表面工艺制造，因此，三者各自的制程相同，制造成本相同，即本申请的超表面光学元件100在集成有准直和衍射功能的同时，还能够避免增加成本。

在一些实施方式中，通过S010获取模拟准直元件基底上设置的多个第一模拟纳米天线各自对应的准直相位时，可以先获取模拟准直元件的模拟焦距和相邻两个第一模拟纳米天线的中心间距，其中，模拟焦距可以预设，相邻两个第一模拟纳米天线的中心间距相同，且相邻两个第一模拟纳米天线的中心间距可以根据第一模拟纳米天线的预设工作波长和所要实现的视场角确定。然后根据模拟焦距、透镜聚焦方程和相邻两个第一模拟纳米天线的中心间距得出多个第一模拟纳米天线各自对应的准直相位。需要说明的是，超表面光学元件的相邻两个纳米天线的中心间距与相邻两个第一模拟纳米天线的中心间距相等。

在一些实施方式中，通过S020获取模拟衍射元件基底上设置的多个第二模拟纳米天线各自对应的衍射相位时，可以先获取模拟衍射元件的模拟视场角，该模拟视场角可以根据需求合理预设。然后根据模拟视场角和预设算法得出多个第二模拟纳米天线各自对应的衍射相位。在一些实施方式中，预设算法可以是傅里叶迭代算法或遗传算法等。

在一些实施方式中，在S010之前，可以先根据所需工作的工作波长来确定超表面光学元件100的材质，包括基底110的材质和纳米天线120的材质，纳米天线120可以选取高折射率的材质。还可以根据工作波长和视场角确定超表面光学元件100基底110上的相邻两个纳米天线120的中心间距，例如设置为小于600nm。在确定好纳米天线120的中心间距后，使用电磁仿真软件对正投影的形状为圆形、正方形或带圆角的正方形等具有一定程度的各项同性的C4旋转对称图形的纳米天线120进行仿真，通过对纳米结构的尺寸和高度进行优化，选出多个高度相同，形状和/或尺寸不同的纳米柱。数量可以是2个、4个、8个等。在一些实施方式中，首先对不同尺寸和高度的纳米天线柱进行模拟仿真，得到它们的透过率和传输相位分布图。在选取纳米天线120时，主要根据相同偏振透过率最高且相等，传输相位均匀分布在0～2π之中两个要求进行选取。

本申请实施例的再一方面，提供一种结构光投影模组，如图7所示，包括光源10以及上述任一种的超表面光学元件100，光源10位于超表面光学元件100的入光侧，光源10出射的光束经超表面光学元件100的纳米天线120入射，通过纳米天线120的相位调制，对入射的光束进行准直和衍射后出射在目标区域。当光源10为垂直腔面发射激光器时，能够对应在目标区域投射散斑点图像20。由于通过超表面光学元件100集成了准直和衍射，因此，该结构光投影模组的整体体积较。在一些实施方式中，光源10还可以是产生点源的LD激光器，光源10为任意偏振光，波长为紫外波段到太赫兹波段。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。