[发明专利]一种光谱共焦位移传感探头和传感器

说明书

本申请公开了一种光谱共焦位移传感探头，涉及光学测量领域，用于光谱共焦位移传感器，包括超表面复合透镜，用于使进入光谱共焦位移传感探头的光束在光轴方向上发生色散；超表面复合透镜包括衬底，及设于衬底的上表面和/或下表面的多个微结构，超表面复合透镜提供的相位满足：φ(r')为超表面复合透镜提供的相位，φ(0)为超表面复合透镜中心处的相位，r为超表面复合透镜上表面切平面与光线的交点的极坐标长度，r'为超表面复合透镜下表面切平面与光线的交点的极坐标长度，λ为工作波长，d'为超表面复合透镜与待测物的距离，d为超表面复合透镜与光纤端口的距离。本申请探头中的透镜仅包括一片超表面复合透镜，简化探头结构，使得探头更紧凑，且可提高探头精度。

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

位移传感器分为接触式和非接触式两类，非接触式位移传感器可以在不接触工件的情况下，进行分辨率高达亚微米乃至纳米量级的高速测量。光谱共焦位移传感器作为一种非接触式位移传感器，可将光信号转化为电信号，实现测量。

目前，光谱共焦位移传感器的探头中一般采用折射透镜或者折射透镜搭配衍射透镜的方案，其中衍射透镜可以采用菲涅尔波带片。折射透镜方案中，折射透镜的色散来源于玻璃材料折射率随波长的非线性变化，这种效应较弱，同时单个球面折射透镜必然存在大的球差，因此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，多片透镜一方面导致探头结构复杂、体积大，另一方面还会导致成本较高。折射透镜搭配衍射透镜的方案中，需要设置两片透镜，同样使得探头结构复杂、体积大，并且测量精度不高。

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，以使探头结构紧凑，并提升测量精度。

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：

超表面复合透镜，用于使进入所述光谱共焦位移传感探头的光束在光轴方向上发生色散；

所述超表面复合透镜包括衬底，及设于所述衬底的上表面和/或下表面的多个微结构，所述超表面复合透镜提供的相位满足：

其中，φ(r')为超表面复合透镜提供的相位，φ(0)为超表面复合透镜中心处的相位，r为超表面复合透镜上表面切平面与光线的交点的极坐标长度，r'为超表面复合透镜下表面切平面与光线的交点的极坐标长度，λ为工作波长，d'为超表面复合透镜与待测物的距离，d为超表面复合透镜与光纤端口的距离。

可选的，当多个所述微结构设于所述衬底的上表面和下表面中的任一表面时，另一个表面为平面或者曲面。

可选的，多个所述微结构的高度相等。

可选的，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。

可选的，所述微结构为亚波长微结构。

可选的，所述微结构的侧壁与所述衬底的上表面和/或下表面之间的夹角在90°±5°范围内。

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，所述超表面复合透镜还包括：

与所述超表面复合透镜上表面或下表面键合的透镜片，所述透镜片的上表面和/或下表面为曲面。

可选的，还包括：

设于所述透镜片的上表面和/或下表面的增透膜。

可选的，相邻所述微结构之间的间距相等。