CN114353668A - 一种光谱共焦位移传感探头和传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光谱共焦位移传感探头和传感器，包括准直透镜，用于消除进入光谱共焦位移传感探头的光束的色差并准直光束；与准直透镜相对设置的超表面透镜，用于聚焦准直后光束并使聚焦后光束在光轴方向上发生色散；超表面透镜包括衬底，及设于衬底的第一表面和/或第二表面的多个微结构，多个微结构的高度相等，且衬底和微结构中至少微结构采用半导体工艺制备；第一表面为衬底与准直透镜相对的表面，第二表面与第一表面相背。探头只需设置一个超表面透镜和一个准直透镜即可，结构简单，且表面透镜中所有微结构的高度相等，进一步简化探头结构；衬底和微结构均采用半导体工艺制备，所以可以采用半导体工艺大规模生产，降低成本。

Description

一种光谱共焦位移传感探头和传感器

技术领域

本申请涉及光学测量领域，特别是涉及一种光谱共焦位移传感探头和传感器。

背景技术

位移传感器是把物体的运动位移转换成可测量的电学信号一种装置，广泛应用于精密测量领域。

目前，光谱共焦位移传感器中的探头可以采用折射透镜，由于折射透镜的色散较弱，且单个球面折射透镜存在大的球差，因此探头中需要多片球面透镜甚至非球面透镜来扩大色散范围和抑制球差，使得探头的结构比较复杂，并且成本高。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种光谱共焦位移传感探头和传感器，以简化光谱共焦位移传感探头的结构，并降低制作成本。

为解决上述技术问题，本申请提供一种光谱共焦位移传感探头，包括：

准直透镜，用于消除进入所述光谱共焦位移传感探头的光束的色差并准直所述光束；

与所述准直透镜相对设置的超表面透镜，用于聚焦准直后光束并使聚焦后光束在光轴方向上发生色散；

所述超表面透镜包括衬底，及设于所述衬底的第一表面和/或第二表面的多个微结构，多个所述微结构的高度相等，且所述衬底和所述微结构中至少所述微结构采用半导体工艺制备；其中，所述第一表面为所述衬底与所述准直透镜相对的表面，所述第二表面与所述第一表面相背。

可选的，所述微结构为亚波长微结构。

可选的，所述微结构的相位分布为双曲面分布。

可选的，所述微结构的形状为四重旋转对称的形状。

可选的，所述微结构的侧壁与所述第一表面和/或所述第二表面之间的夹角在90°±5°范围内。

可选的，所述准直透镜为下述任一种：

双胶合透镜、三胶合透镜、双合透镜对、空气间隔双合透镜、消色差准直超表面透镜。

可选的，所述微结构的排布方式为四方晶格排布、六方晶格排布、边到边排布中的任一种。

可选的，还包括：

设于所述衬底的所述第二表面一侧的反射镜，用于调整所述光轴上的光束焦点与所述光谱共焦位移传感探头的相对位置。

本申请还提供一种光谱共焦位移传感器，所述光谱共焦位移传感器包括上述任一种所述的光谱共焦位移传感探头。

可选的，还包括：

用于接收光源发出的光并解析光谱的光谱仪，所述光谱仪为光栅光谱仪、色散棱镜光谱仪、光谱重构光谱仪中的任一种。

本申请所提供的一种光谱共焦位移传感探头，包括：准直透镜，用于消除进入所述光谱共焦位移传感探头的光束的色差并准直所述光束；与所述准直透镜相对设置的超表面透镜，用于聚焦准直后光束并使聚焦后光束在光轴方向上发生色散；所述超表面透镜包括衬底，及设于所述衬底的第一表面和/或第二表面的多个微结构，多个所述微结构的高度相等，且所述衬底和所述微结构中至少所述微结构采用半导体工艺制备；其中，所述第一表面为所述衬底与所述准直透镜相对的表面，所述第二表面与所述第一表面相背。

可见，本申请中的光谱共焦位移传感探头包括准直透镜和超表面透镜，准直透镜具有消色差和准直的作用，超表面透镜包括衬底和微结构，超表面透镜具有聚焦和色散的作用，在光谱共焦位移传感探头中只需设置一个超表面透镜和一个准直透镜即可，结构简单，并且所有微结构的高度相等，微结构的结构简单，进一步简化光谱共焦位移传感探头的结构；衬底和微结构中至少微结构可以采用半导体工艺制备，半导体制备工艺具有大规模生产的优势，可以降低超表面透镜的成本，进而降低光谱共焦位移传感探头的成本。

此外，本申请还提供一种具有上述优点的光谱共焦位移传感器。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种光谱共焦位移传感探头的结构示意图；

图2至图4为本申请实施例所提供的微结构的不同排布方式示意图；

图5和图6为本申请实施例所提供的不同形状的微结构的示意图；

图7为本申请中微结构的形状为圆柱时，超表面透镜截面相位分布示意图；

图8为本申请中微结构的形状为圆柱时，微结构的相位与圆柱半径关系图；

图9为本申请实施例所提供的另一种光谱共焦位移传感探头的结构示意图；

图10为本申请中准直透镜为双胶合透镜时，光谱共焦位移传感探头的结构示意图；

图11为本申请中微结构的形状为圆柱，超表面透镜相位分布与微结构排列示意图；

图12为本申请中准直透镜为三胶合透镜时，光谱共焦位移传感探头的结构示意图；

图13为本申请中准直透镜为消色差准直超表面透镜时，光谱共焦位移传感探头的结构示意图；

图14为本申请实施例所提供的一种光谱共焦位移传感器的结构示意图；

图15为本申请实施例中光谱仪为光栅光谱仪时，光谱共焦位移传感器的结构示意图；

图16为本申请实施例中光谱重构光谱仪的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，光谱共焦位移传感器中的探头可以采用折射透镜，由于折射透镜的色散较弱，且单个球面折射透镜存在大的球差，因此探头中需要多片球面透镜甚至非球面透镜来扩大色散范围和抑制球差，使得探头的结构比较复杂，并且成本高。

有鉴于此，本申请提供了一种光谱共焦位移传感探头10，请参考图1，包括：

准直透镜1，用于消除进入所述光谱共焦位移传感探头10的光束的色差并准直所述光束；

与所述准直透镜1相对设置的超表面透镜2，用于聚焦准直后光束并使聚焦后光束在光轴6方向上发生色散；

所述超表面透镜2包括衬底，及设于所述衬底的第一表面和/或第二表面的多个微结构，多个所述微结构的高度相等，且所述衬底和所述微结构中至少所述微结构采用半导体工艺制备；其中，所述第一表面为所述衬底与所述准直透镜1相对的表面，所述第二表面与所述第一表面相背。

进入光谱共焦位移传感探头10的光束包括连续的多个波长的光，光谱共焦位移传感探头10还可以包括第一光纤接头3和外壳4，进入光谱共焦位移传感探头10的光束经过第一光纤接头3出射，然后沿着光轴6进入准直透镜1和超表面透镜2，外壳4用于包裹第一光纤接头3、超表面透镜2和准直透镜1。

第一光纤接头3和超表面透镜2分别位于准直透镜1的两侧，第一光纤接头3位于准直透镜1的焦点上，以使准直透镜1对进入光谱共焦位移传感探头10的光束进行准直。光谱共焦位移传感探头10中准直透镜1和超表面透镜2的数量最低可为一片。

超表面透镜2是一种强色散光学元件，具有更大的色差，因此本申请的光谱共焦位移传感探头10量程更大。光束经过准直和色散后沿光轴6会聚至测量区域，光束焦点5按照波长大小依次连续地沿光轴6分布在测量区域。待测物放置在测量区域，待测物将焦点正好位于其表面的光束沿光轴6反射回光谱共焦位移传感探头10，依次经过超表面透镜2、准直透镜1和第一光纤接头3，而其他波长的光束由于离焦，被待测物的表面反射后，无法返回第一光纤接头3。测量区域的范围可以是50um～200mm。对于光谱共聚焦位移传感器而言，量程指色散范围。

超表面透镜2包括三种，第一种为衬底和设于衬底第一表面的多个微结构，第二种为衬底和设于衬底第二表面的多个微结构，第三种为衬底和设于衬底第一表面和第二表面的多个微结构。

本申请中对衬底和微结构的材料不做限定，只要满足可以由半导体工艺加工即可。例如，衬底的材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、单晶硅、多晶硅，微结构的材料包括但不限于为二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、磷化镓、单晶硅、多晶硅。微结构经过半导体工艺得到。

衬底和微结构中至少微结构采用半导体工艺制备，包括两种情况：一种情况是只有微结构采用半导体工艺制备；另一种情况是衬底和微结构均采用半导体工艺制备，此时超表面透镜2采用半导体工艺制备。衬底的制备工艺可以根据衬底的材料选择，例如，当衬底为玻璃(二氧化硅)衬底时，可以用传统的制备玻璃的工艺制作。

微结构的高度可以在200nm～2000nm之间，例如，200nm，500nm，700nm，900nm，1200nm，1500nm，1700nm，1900nm，2000nm，等等。

需要说明的是，本申请中对相邻微结构之间的间距不做限定，视情况而定。例如，相邻微结构之间的间距既可以相等，或者不等；或者，相邻微结构之间的间距大于工作波长。

优选地，所述微结构为亚波长微结构，即相邻微结构之间的间距小于工作波长，从而使微结构无高阶衍射，进而提高超表面透镜2的聚焦效率，提高位移测量精度。相邻微结构之间的间距可以在50nm～800nm之间，例如50nm，100nm，150nm，250nm，400nm，500nm，600nm，700nm，800nm，等等。

非亚波长结构导致衍射透镜聚焦效率低下，受限于工艺，传统衍射透镜难以做到大数值孔径(NA)。亚波长微结构和具有连续的相位调控能力，光斑大小可接近衍射极限，无高阶衍射带来的效率降低。

进一步的，本申请中对微结构的尺寸也不做限定，能够通过尺寸的变化产生至少覆盖0～2π的局部相位。

需要说明的是，本申请中对微结构在衬底第一表面、第二表面上的排布方式不做限定，可自行设置。例如，所述微结构的排布方式包括但不限于四方晶格排布、六方晶格排布、边到边排布中的任一种。其中，四方晶格排布为微结构沿正交方向呈周期性排布，具有平移对称性，二重对称性和镜面对称性，如图2所示；六方晶格排布为微结构沿非正交方向呈周期性排布，具有平移对称性，六重对称性和镜面对称性，如图3所示；边到边排布为微结构沿着超表面透镜2半径排布，每两个相邻微结构的边缘之间的最小间距均相等，如图4所示。沿着超表面透镜2某条半径排布的每个微结构以超表面透镜2中心为圆点，以微结构与超表面透镜2中心距离为半径，旋转复制出若干个相同尺寸的微结构，从而形成若干个微结构环带。在每条微结构环带中，每两个相邻微结构的边缘之间的最小间距均相等。

微结构排布在晶格的格点上，每个微结构会提供一定的相位，优选地，为了使超表面透镜2可以消除球差从而实现接近衍射极限的光斑大小，在本申请的一个实施例中，所述微结构的相位分布为双曲面分布，即微结构提供的相位满足下式：

其中，r为每个格点上微结构距离超表面透镜2中心的距离，φ(r)为微结构应当提供的相位，φ(0)为超表面透镜2中心处的相位，可为任意值，λ为设计的工作波长，f为工作波长下对应的焦距。

微结构的相位分布为双曲面分布时，可消除球差，此时一片超表面透镜可以同时解决色差和球差问题。传统光谱共焦位移传感探头采用折射透镜和衍射透镜混合的方案中，衍射透镜一般采用菲涅尔波带片等，实际相位与理想相位的偏差难以避免地会给折射透镜和衍射透镜的组合引入球差。

为了使得微结构对偏振不敏感，衬底21上的微结构22的形状为四重旋转对称的形状，例如圆柱，如图5所示，或者正方柱，如图6所示，或者圆柱和正方柱的组合，或者圆台，或者截头棱锥等等，其中，四重旋转对称形状是指微结构以垂直于衬底方向的中心轴旋转90°，与微结构自身重合的结构形状。但是本申请对此并不做具体限定，微结构的形状还可以为非四重旋转对称形状，例如椭圆柱、三角柱等等。超表面透镜2中微结构的形状既可以相同，也可以不同。

当微结构的形状为圆柱时，超表面透镜2截面相位分布示意图如图7所示，其中，横坐标为微结构距离超表面透镜2中心的距离，纵坐标为微结构的相位，当微结构距离超表面透镜2中心的距离大于零且逐渐增大时，相位逐渐增大，当微结构距离超表面透镜2中心的距离小于零且逐渐减小时，相位逐渐增大，当微结构距离超表面透镜2中心的距离为零时，相位为零；当圆柱形的微结构的半径在100nm～160nm之间时，微结构提供的相位与圆柱半径关系如图8所示，横坐标为圆柱半径，纵坐标为相位，相位覆盖约为0.2rad～5.4rad。

优选地，所述微结构的侧壁与所述第一表面和/或所述第二表面之间的夹角在90°±5°范围内，一方面便于设计和加工，另一方面使得微结构的相位与设计比较吻合。

本申请中对准直透镜1的类型不做限定，视情况而定。例如，所述准直透镜1为下述任一种：

双胶合透镜、三胶合透镜、双合透镜对、空气间隔双合透镜、消色差准直超表面透镜。

当准直透镜1为消色差准直超表面透镜时，消色差准直超表面透镜同样包括衬底和微结构，由于需要具有消色差的作用，消色差准直超表面透镜中的微结构提供的相位在工作波段内均要满足公式(1)，此时，消色差准直超表面透镜将不同波长的光汇聚在光轴6的同一位置。为了实现上述效果，消色差准直超表面透镜需要具有多种不同色散特性的微结构来消除色差，微结构的形状可以为圆柱、环形柱、同心环形柱、正方柱、空心正方柱、同心正方柱、十字柱、田字柱等。

对于光谱共焦位移传感探头10而言，通常准直透镜的数值孔径(NA)比超表面透镜NA低，准直透镜的NA需要与第一光纤接头3的NA适配。在小NA的前提下，消色差准直超表面透镜可在一定波长范围内实现色差矫正。此时采用半导体工艺以可以同时制备消色差准直超表面透镜和超表面透镜2，简化制备手段，无需传统光学制造工艺。

本申请中的光谱共焦位移传感探头10包括准直透镜1和超表面透镜2，准直透镜1具有消色差和准直的作用，超表面透镜2包括衬底和微结构，超表面透镜2具有聚焦和色散的作用，在光谱共焦位移传感探头10中只需设置一个超表面透镜2和一个准直透镜1即可，结构简单，并且所有微结构的高度相等，微结构的结构简单，进一步简化光谱共焦位移传感探头10的结构；衬底和微结构中至少微结构采用半导体工艺制备，半导体制备工艺具有大规模生产的优势，可以降低超表面透镜2的成本，进而降低光谱共焦位移传感探头10的成本。另外，光谱共焦位移传感探头10轻薄且质量小。

在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参考图9，光谱共焦位移传感探头10还包括：

设于所述衬底的所述第二表面一侧的反射镜7，用于调整所述光轴6上的光束焦点5与所述光谱共焦位移传感探头10的相对位置。

反射镜7的与光轴6呈一定的夹角，可以使得光轴6发生弯折，以及使得聚焦后光束的方向发生变化。当不设置反射镜7时，光束焦点5和测量区域位于光谱共焦位移传感探头10的下方，当设置反射镜7后，光束焦点5和测量区域变为光谱共焦位移传感探头10的一侧，使得光谱共焦位移传感探头10可在空间受限的环境下工作，例如高度受限的组装区域，以及内径狭小的螺孔内部等。

反射镜7的与光轴6的夹角可以根据需要自行设置，本申请不做限定。图9所示中反射镜7的与光轴6的夹角为45°，此时，光轴6发生90°弯折。

下面以具体情况对本申请中的光谱共焦位移传感探头进行阐述。

例1

请参考图10，光谱共焦位移传感探头中的准直透镜为双胶合透镜，第一光纤接头出射连续的多个波长的光，连续的多个波长的光沿光轴依次进入到双胶合透镜和和超表面透镜，光的波长范围可以是400～800nm。

超表面透镜使准直后的光束产生色散，微结构为亚波长微结构，微结构的高度一致，微结构的形状为圆柱，微结构的侧壁与第一表面之间的夹角在90°，且微结构的相位分布为双曲面分布，超表面透镜相位分布与微结构排列示意图如图11所示。

例2

请参考图12，例2与例1中的区别在于准直透镜为三胶合透镜。

例3

请参考图13，例2与例1中的区别在准直透镜为消色差准直超表面透镜。

本申请还提供一种光谱共焦位移传感器，如图14所示，所述光谱共焦位移传感器包括上述任一实施例所述的光谱共焦位移传感探头10。

光谱共焦位移传感器还可以包括光源20、耦合器30、光谱仪50、数据处理器40。

光源20出射连续的多个波长的光，多个波长的光进入耦合器30。耦合器30包含至少三端口，第一端口与光源20连接，用于将光源20出射的光引入至第二端口；第二端口与光谱共焦位移传感探头中的第一光纤接头连接；第三端口与光谱仪50连接。

光源20出射的光经由耦合器30的第一端口进入耦合器30，通过耦合器30耦合至第二端口输入至光谱共焦位移传感探头。光谱共焦位移传感探头用于对耦合器30第二端口输入的光束进行准直和色散，光束焦点按照波长的不同依次连续地沿光轴分布在靠近测量物体侧。光谱共焦位移传感探头将测量物体沿光轴反射的光传输至耦合器30的第二端口，并经由耦合器30从第三端口输出至光谱仪50。光谱仪50用于接收第三端口出射的光，并解析光谱。数据处理器40与光谱仪50连接，用于将光谱仪50的光谱数据进行处理，得到峰值信息，最终输出测量物体的位移、厚度等信息。

耦合器30可以为光纤耦合器。

光源20可以为白光LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)、卤素灯、SLED(superluminescent light-emitting diode：超辐射发光二极管)光源、多个单色LED的组合、超连续谱激光、黑体光源或者氙灯等。

光谱仪50用于接收光源20发出的光并解析光谱，所述光谱仪50为光栅光谱仪、色散棱镜光谱仪、光谱重构光谱仪中的任一种。

当光谱仪50为光栅光谱仪时，光谱共焦位移传感器的结构示意图如图15所示，包括第二光纤接头501、第一球面反射镜502、分光光栅503、第二球面反射镜504和线阵相机505，线阵相机505可以为线阵CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)，或者线阵CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)。第二光纤接头501将光束传输至第一球面反射镜502，光束经过第一球面反射镜502准直后传输至分光光栅503进行分光，分光后各波长的光传输至第二球面反射镜504后，重新汇聚到线阵CCD505上，从而生成光谱信息。

当光谱仪50为光谱重构光谱仪时，光谱重构光谱仪的结构示意图如图16所示，包括光谱调制结构506和光敏感单元507，光谱调制结构506与下方的光敏感单元507一一对应。光谱调制结构506的透射谱各不相同，光谱敏感单元可以为CCD探测器、CMOS探测器等，每个光谱调制结构506的透射谱和光谱敏感单元的响应谱被预先标定并储存在数据处理部中。测量物体反射的光经由耦合器30的第三端口进入光谱重构光谱仪通过光谱调制结构506的调制后被光敏感单元507接收。其中数据处理方法包括但不限于最小二乘法、凸优化、贪婪算法、贝叶斯算法。采用光谱重构光谱仪时，光谱共焦位移传感器光路更加紧凑、成本低廉。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的光谱共焦位移传感探头和传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光谱共焦位移传感探头，其特征在于，包括：

准直透镜，用于消除进入所述光谱共焦位移传感探头的光束的色差并准直所述光束；

与所述准直透镜相对设置的超表面透镜，用于聚焦准直后光束并使聚焦后光束在光轴方向上发生色散；

所述超表面透镜包括衬底，及设于所述衬底的第一表面和/或第二表面的多个微结构，多个所述微结构的高度相等，且所述衬底和所述微结构中至少所述微结构采用半导体工艺制备；其中，所述第一表面为所述衬底与所述准直透镜相对的表面，所述第二表面与所述第一表面相背。

2.如权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述微结构为亚波长微结构。

3.如权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述微结构的相位分布为双曲面分布。

4.如权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述微结构的形状为四重旋转对称的形状。

5.如权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述微结构的侧壁与所述第一表面和/或所述第二表面之间的夹角在90°±5°范围内。

6.如权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述准直透镜为下述任一种：

双胶合透镜、三胶合透镜、双合透镜对、空气间隔双合透镜、消色差准直超表面透镜。

7.如权利要求1所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，所述微结构的排布方式为四方晶格排布、六方晶格排布、边到边排布中的任一种。

8.如权利要求1至7任一项所述的光谱共焦位移传感探头，其特征在于，还包括：

设于所述衬底的所述第二表面一侧的反射镜，用于调整所述光轴上的光束焦点与所述光谱共焦位移传感探头的相对位置。

9.一种光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述光谱共焦位移传感器包括如权利要求1至8任一项所述的光谱共焦位移传感探头。

10.如权利要求9所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，还包括：

用于接收光源发出的光并解析光谱的光谱仪，所述光谱仪为光栅光谱仪、色散棱镜光谱仪、光谱重构光谱仪中的任一种。

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