【技术文章】基于几何相位超表面的光谱共焦位移传感器

近日，来自韩国的朝鲜大学Hyo Mi Park等人在杂志“Applied Optics”上发文“Vision chromatic confocal sensor based on a geometrical phase lens”，提出一种基于几何相位超表面的光谱共焦位移传感器。

图1. 几何相位超透镜的工作原理

几何相位透镜是一种通过操控入射光的偏振状态来实现光束聚焦的超透镜。如图1所示，当入射的是右手圆偏振光时，光束被聚焦，并且出射光的偏振状态变为左手圆偏振光；当入射光是左手圆偏振光时，光束被发散，并且出射光的偏振状态变为右手圆偏振光。并且，几何相位透镜的双折射液晶阵列能够产生一定的色差。以上这两个特性都能够使得几何相位透镜应用在光谱共焦位移传感器中。

图2. 光谱共焦位移传感器光路原理图

图2显示了本文中提出的光谱共焦位移传感器光路原理图。系统主要由两个子功能系统组成:一个CCS和一个视觉系统(VS)。来自白光LED的宽带光入射到光纤耦合光循环器(OC)上并传送到准直透镜(CL)。这种随机偏振光通过几何相位透镜后形成两个光束，聚焦光束和发散光束，并具备对应的偏振态。然后，两束光束通过四分之一波片(QWP1)后指向样品，并在样品表面反射。反射光束然后返回到分束器(BS)，进入两个子系统。

图3. 光谱共焦位移传感器中光束的偏振状态的变化

在CCS部分，由于GPL的偏振定向特性，光束再次经过qwp1，只有聚焦的光束可以被CL收集，如图3所示。同时，由于GPL的衍射特性，其焦距位移与波长位移有一定的关系。因此，当试件的高度(垂直距离)发生变化时，精确聚焦光束的波长就会发生位移，通过事先准备好的GPL的焦距与波长位移之间的转换因子可以计算出高度。

同时，视觉子系统可以对CCS测量的兴趣点进行监控。与CCS不同，VS使用发散光束照亮试件，如图2所示。

图4. (a)测量光谱与(红色)和(蓝色)反射光束，(b)校准的光谱，(c)波长峰值移动的阶段和(d)测量距离和(e)残余误差。

图4(a)是距离接近6mm时，有无回光情况下光谱仪接收到的光谱信号,我们将背景光谱用于测量信号的校准，可以清晰地检测出波长峰，如图4(b)所示。当镜子移动时，光谱波长的峰值也会移动，如图4(c)所示。文章作者选择九次多项式进行线性拟合，如图4(d)所示。拟合的残差标准差为1.97µm，如图4(e)所示。

为评价CCS的精度，在一个固定的位置连续测量获得20个测量结果，得到的标准差为0.40µm。系统中采用的白光LED的光谱带宽为530 nm -610nm(FWHM)，对应到系统的测量范围约为10mm。

论文标题：Vision chromatic confocal sensor based on ageometrical phase lens