CN113405471B - 一种光学位移传感器及光学位移检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学位移传感器，包括按照同一中心线依次设置的：光源模块，用于产生非均匀光场；可移动定位标尺，其上设有周期性微纳结构，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；成像模块，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；成像探测器，用于将所述远场成像图的光场强度转化成电信号，以实现位移测量。本发明提供的光学位移传感器同时实现了大量程、高精度的位移测量要求，且具有非接触、稳定度高等优点，能够广泛应用于超精密位移测量和超精密加工制造等领域。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种光学位移传感器及光学位移检测系统。
背景技术
位移传感器是一种感知相对位移量大小的传感器件，已广泛应用于机械加工、精密制造和工业自动化等领域。传统的位移传感器根据其工作原理，可大致分为应变式位移传感器、磁致伸缩位移传感器和光栅位移传感器。其中，应变式位移传感器主要利用金属的电阻应变效应，根据电阻值的变化计算相应的形变量和位移量，由于其有较大的非线性，因此重复定位精度只能做到数十微米。磁致伸缩位移传感器主要利用磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置，其重复定位精度通常可达到微米级别。而光栅位移传感器是利用测量光栅与参考光栅形成的莫尔条纹的变化来检测位移的大小，其最高重复定位精度可达到亚微米级别。
随着对精密加工和精细测量需求的大幅提升，人们对位移测量的精度和范围要求也越来越高。例如，在微纳光学器件的加工过程中，设计的微纳结构尺寸通常为工作波长的十分之一甚至更小，因此其加工精度就需要达到甚至优于纳米尺度。再比如在超分辨光刻的套刻工艺中，重复定位精度需要远小于光刻中的最小特征尺寸，因此纳米级的重复定位精度也是最基本的要求。近年来，基于压电陶瓷的位移传感器和位移控制系统受到了广泛关注，其利用陶瓷材料的电致伸缩特性，可实现纳米级以下的定位精度。然而压电陶瓷材料的位移测量范围通常仅在百微米量级，测量范围非常有限。
综上，现有的位移传感器受限于灵敏度、重复定位精度或者测量范围等因素，已无法满足对实际需求。因此，设计一种测量范围广且精度高的位移传感器对超精密加工和超精密测量具有极其重要的作用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光学位移传感器及光学位移检测系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种光学位移传感器，包括按照同一中心线依次设置的：
光源模块，用于产生非均匀光场；
可移动定位标尺，其上设有周期性微纳结构，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；
成像模块，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；
成像探测器，用于将所述远场成像图的光场强度转化成电信号，以实现位移测量。
在本发明的一个实施例中，所述光源模块包括激光光源和聚焦物镜，所述激光光源用于产生非均匀入射光；所述聚焦物镜用于对所述非均匀入射光进行聚焦处理以形成会聚的非均匀光场。
在本发明的一个实施例中，所述聚焦物镜的结构可变，以便于形成光斑大小不同的非均匀光场。
在本发明的一个实施例中，所述可移动定位标尺包括透光基底和位于所述透光基底上的金属薄膜，所述周期性微纳结构位于所述金属薄膜上；所述金属薄膜与所述透光基底的接触面在所述可移动定位标尺移动过程中始终位于所述聚焦物镜的焦平面，且同时位于所述成像模块的焦平面处。
在本发明的一个实施例中，所述透光基底的材料为石英或者玻璃。
在本发明的一个实施例中，所述微纳结构包括若干纳米刻线对，所述纳米刻线对以微米量级的周期依次排列在所述金属薄膜上。
在本发明的一个实施例中，所述金属薄膜的材料为金或者银。
本发明的另一个实施例还提供了一种光学位移检测系统，包括：
光源模块，用于产生非均匀光场；
可移动定位标尺，与待测物体连接，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；
成像模块，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；
成像探测器，用于将所述远场成像图的光场强度转化成用于位移测量的电信号；
计算机模块，用于根据所述电信号对光场强度的变化情况进行分析，以得到待测物体的位移量；
其中，所述光源模块、所述可移动定位标尺、所述成像模块以及所述成像探测器按照同一中心线设置。
本发明的有益效果：
本发明提供的光学位移传感器利用非均匀光场照射下的表面等离子波的干涉条纹强度容易受到光场中心变化影响的特性和可移动定位标尺中设置的周期性微纳结构，同时实现了大量程、高精度的位移测量要求，且具有非接触、稳定度高等优点，能够广泛应用于超精密位移测量和超精密加工制造等领域。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光学位移传感器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的定位标尺的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的不同位置下的等离子波的近场干涉图；
图4是本发明实施例提供的不同位置下的等离子波干涉条纹的远场成像图；
图5是本发明实施例提供的定位标尺横向位移量与远场干涉图中光强对比度的关系图；
图6是本发明实施例提供的一种光学位移传感检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种光学位移传感器结构示意图，其包括按照同一中心线依次设置的：
光源模块1，用于产生非均匀光场；
可移动定位标尺2，其上设有周期性微纳结构，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；
成像模块3，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；
成像探测器4，用于将所述远场成像图的光场强度转化成电信号，以实现位移测量。
在本实施例中，光源模块1包括激光光源11和聚焦物镜12，所述激光光源11用于产生非均匀入射光；所述聚焦物镜12用于对所述非均匀入射光进行聚焦处理以形成会聚的非均匀光场。
进一步地，本实施例中的非均匀光场可以是任意一种强度非均匀的光束。优选的，本实施例采用激光器发射的高斯光束作为入射光，并经过聚焦物镜会聚后，形成束腰半径更小的高斯光束。
需要说明的是，本实施例中的聚焦物镜12的结构可变，以便于形成光斑大小不同的非均匀光场，从而满足各种场景下的检测要求。
进一步地，可移动定位标尺2包括透光基底21和位于透光基底21上的金属薄膜22，所述周期性微纳结构位于所述金属薄膜22上。
其中，透光基底21的材料为石英或者玻璃，其主要起到支撑的作用。金属薄膜22的材料为金或者银。
优选的，本实施例采用石英衬底和Au金属薄膜形成定位标尺。
具体地，可移动定位标尺2垂直设置于聚焦物镜12的正下方，以使经过会聚的非均匀入射光场能够垂直照射到金属薄膜22上。其中，可移动定位标尺2根据检测要求可设置成沿X或者Y方向移动，本实施例以沿X方向横向移动为例进行说明。在定位标尺移动过程中，金属薄膜22与透光基底21的接触面在始终位于聚焦物镜12的焦平面，且同时位于成像模块3的焦平面处，也即图1中虚线所示位置。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的定位标尺的结构示意图，其中，微纳结构包括若干纳米刻线对，所述纳米刻线对以微米量级的周期依次排列在金属薄膜上，以起到精确定位的作用。
具体地，当纳米刻线对处于入射光场中时，金属表面的等离子波会在刻线对两侧形成干涉条纹。干涉条纹的强度和位置对入射光束的相位具有很强的敏感性，若刻线对中心与入射光场中心不重合，则两刻线产生的表面波强度也不相同，即刻线对两侧的表面波干涉条纹强度也不一样。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的不同位置下的等离子波的近场干涉图，其中，(a)图为刻线对中心与高斯光束中心重合时的表面等离子波干涉图，(b)图为刻线对向右移动50nm后的表面等离子波干涉图。由(a)图可见，刻线对中心与高斯光束中心重合时，其左右两个条纹的强度一样；由(b)图可见，刻线对向右移动后，其左边的条纹强度要明显大于右边的条纹强度，由此可见，干涉条纹的强度受刻线对位置的精确调制。
需要说明的是，对于纳米刻线对的数量，可以根据实际的测量范围适应性的增加，当一组刻线对移出入射光斑时，相邻的另一组刻线对将进入入射光场，因此可以进行连续的精密定位，从而实现大量程的、高精度的位移传感功能。
进一步地，由于近场干涉条纹无法直接测量和显示，因此，本实施例利用成像模块3将其放大并成像于成像探测器4上，得到远场成像图。
具体地，本实施例中成像模块3主要采用显微物镜实现。请参见图4，图4是本发明实施例提供的不同位置下的等离子波干涉条纹的远场成像图。
其中，(a)图为刻线对于入射光场中心对齐时的远场成像图，可以看到其左右两个条纹的强度是一样的；而当刻线对向右移动50nm后，其远场成像如(b)图所示，可以看到其左右两个条纹的强度明显不同，且靠近光场中心的左侧条纹光强更大。
然后，通过对光场强度的变化情况进行分析，以便得到位移信息。
具体地，请参见图5，图5是本发明实施例提供的定位标尺横向位移量与远场干涉图中光强对比度的关系图，其中，横坐标代表位移量，纵坐标代表左侧干涉条纹强度与右侧干涉条纹强度的比值。本实施例主要以刻线对中心与入射光场中心对齐时横向位移量为0，刻度线向右移动时位移值为正，刻线对向左移动时位移值为负，以10纳米为步长，逐步仿真位移量和条纹强度比的对应关系，如图5所示。由曲线可以看出，在±50nm的范围内，刻线对的横向位移与左右条纹强度的比值呈现出很严格的线性变化关系。因此，通过对光场强度的变化情况进行分析，即可得到刻线对在横向上偏离光场中心的距离。
本实施例利用金属表面等离子波的干涉特性和入射光场的非均匀特性，将定位标尺相对于入射光场中心点的位移量转换成远场成像器件中接收到的干涉条纹的强度变化，根据左右两边条纹强度的变化值与位移量之间的线性关系来计算定位标尺相对光场中心的位移量。
此外，本实施例还可通过选取合适的激光光源功率的强度、较优的成像探测器的功率灵敏度以及入射光束的模式进一步提高位移测量精度。例如，若选用的成像探测器的功率灵敏度优于千分之一，则本实施例提供的位移传感器的位移灵敏度将优于纳米量级，实现亚纳米级的位移灵敏度和定位精度。
本发明提供的光学位移传感器利用非均匀光场照射下的表面等离子波的干涉条纹强度容易受到光场中心变化影响的特性和光接收模块中设置的周期性微纳结构，同时实现了大量程、高精度的位移测量要求，且具有非接触、稳定度高等优点，能够广泛应用于超精密位移测量和超精密加工制造等领域。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种光学位移检测系统。请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种光学位移传感检测系统的结构示意图，其包括：
光源模块1，用于产生非均匀光场；
可移动定位标尺2，与所述待测物体连接，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；
成像模块3，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；
成像探测器4，用于将所述远场成像图的光场强度转化成用于位移测量的电信号；
计算机模块5，用于根据所述电信号对光场强度的变化情况进行分析，以得到待测物体的位移量；
其中，所述光源模块1、所述可移动定位标尺2、所述成像模块3以及所述成像探测器4按照同一中心线设置。
具体地，本实施例提供的光学位移检测系统可采用上述实施例一提供的光学位移传感器实现，其工作过程如下：
激光器产生的非均匀高斯光束经过聚焦物镜会聚后，形成束腰半径更小的高斯光束，垂直入射到带有微纳结构的定位标尺，在金属薄膜的上下表面形成表面等离子波的近场干涉条纹，经过标尺下方的显微物镜，成像于像面上的成像探测器，计算机模块根据远场成像中干涉条纹强度的对比度来计算刻线对在横向上偏离光场中心的距离。
当待测物体带动定位标尺在光源模块下方横向移动时，成像模块的远场成像图也呈周期性变化，计算机通过光学位移传感器的输出电信号，分析干涉条纹强度的变化情况，再根据图5所示的定位标尺横向位移量与远场干涉图中光强对比度的关系得到定位标尺相对光场中心的位移情况，从而得到待测物体的位移情况。
由于干涉条纹的强度对入射光束与定位标尺的相对位置具有很强的敏感性，加之定位标尺上的周期性微纳结构足够多，因而能够实现高精度、大量程的位移测量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种光学位移传感器，其特征在于，包括按照同一中心线依次设置的：
光源模块(1)，包括激光光源(11)和聚焦物镜(12)，所述激光光源(11)用于产生非均匀入射光；所述聚焦物镜(12)用于对所述非均匀入射光进行聚焦处理以形成会聚的非均匀光场；
可移动定位标尺(2)，包括透光基底(21)和位于所述透光基底(21)上的金属薄膜(22)，所述金属薄膜(22)上设有周期性微纳结构，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；其中，所述微纳结构包括若干纳米刻线对，所述纳米刻线对以微米量级的周期依次排列在所述金属薄膜上，周期间隔为高斯光斑的直径；
成像模块(3)，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；
成像探测器(4)，用于将所述远场成像图的光场强度转化成电信号，以实现位移测量；
在所述可移动定位标尺(2)移动过程中，所述金属薄膜(22)与所述透光基底(21)的接触面始终位于所述聚焦物镜(12)的焦平面，且同时位于所述成像模块(3)的焦平面处。
2.根据权利要求1所述的光学位移传感器，其特征在于，所述聚焦物镜(12)的结构可变，以便于形成光斑大小不同的非均匀光场。
3.根据权利要求1所述的光学位移传感器，其特征在于，所述透光基底(21)的材料为石英或者玻璃。
4.根据权利要求1所述的光学位移传感器，其特征在于，所述金属薄膜(22)的材料为金或者银。
5.一种光学位移检测系统，其特征在于，包括：
光源模块(1)，包括激光光源(11)和聚焦物镜(12)，所述激光光源(11)用于产生非均匀入射光；所述聚焦物镜(12)用于对所述非均匀入射光进行聚焦处理以形成会聚的非均匀光场；
可移动定位标尺(2)，与待测物体连接，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；其中，所述可移动定位标尺(2)包括透光基底(21)和位于所述透光基底(21)上的金属薄膜(22)，所述金属薄膜(22)上设有周期性微纳结构，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；其中，所述微纳结构包括若干纳米刻线对，所述纳米刻线对以微米量级的周期依次排列在所述金属薄膜上，周期间隔为高斯光斑的直径；
在所述可移动定位标尺(2)移动过程中，所述金属薄膜(22)与所述透光基底(21)的接触面始终位于所述聚焦物镜(12)的焦平面，且同时位于成像模块(3)的焦平面处；
成像模块(3)，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；
成像探测器(4)，用于将所述远场成像图的光场强度转化成用于位移测量的电信号；
计算机模块(5)，用于根据所述电信号对光场强度的变化情况进行分析，以得到待测物体的位移量；
其中，所述光源模块(1)、所述可移动定位标尺(2)、所述成像模块(3)以及所述成像探测器(4)按照同一中心线设置。
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