CN113607063A - 基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法及系统，属于精密测量技术领域，将涡旋光束与激光干涉相结合，通过利用干涉图样的旋转角度变化，将连续位移转换为连续的旋转角度变化，获得被测位移，相较于普通高斯光干涉条纹计数的方法，无需将小数部分数值单独进行考虑，解决了现有技术中干涉条纹小数部分数值估读对测量精度的影响，无需增加细分元件，具有螺旋相位的圆偏振光束自身实现了更高的细分倍数，同时，将干涉图像电子细分处理方法变为圆周角度细分，具有360°自然基准，从原理上提高了测量精度，此外，采用圆偏振差分光路，消除了参考光路不稳定性对测量结果带来的误差，进一步提高了测量准确性。

Description

基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法及系统
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，具体地说涉及基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法及系统。
背景技术
纳米位移测量技术是解决目前和未来许多高精度、高分辨率问题的先决条件之一，是纳米科技领域的先导和基础。随着精密、超精密及纳米级加工技术的迅猛发展，零件尺寸的下界越来越小，加工精度的要求也越来越高，而测量是精密、超精密加工技术的基础与保障。例如集成电路芯片制造过程中线宽测量与定位、半导体精密模板制造、现代数控机床运动检测与校准、高精度位移传感器标定、精密关键零部件加工等，都需要纳米级甚至亚纳米级的位移测量。
纳米位移测量方法主要分为两大类，一类是非光学测量方法，包括扫描探针显微术(SPM)、电容电感测微法、电子显微术等；另一类是光学测量方法，包括光栅干涉仪法、X射线干涉仪法以及各类激光干涉仪等。其中，激光干涉仪具有测量精度高、测量速度快、非接触性等优点，已被广泛运用于精密测量中。目前，激光干涉测量位移是通过对干涉条纹的移动条数进行计数来获得物体的位移信息，但是，条纹的移动数目存在着取值不为整数的局限性，且小数部分数值较难求出，影响测量精度以及分辨率。对小数部分进行细分，利用人工估读出小数部分的值，导致给最终测量结果带来误差，其不确定度大约为0.07个干涉条纹。相较于人工估读，利用先进的电子设备能够测量探测到0.02个干涉条纹。但是，纳米位移测量精度仍然有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、激光器输出的线偏振光束经光场调控模块变为具有螺旋相位的圆偏振光束；
步骤S2、圆偏振光束经分束器分为参考光和测量光，参考光进入参考光路，测量光经第一偏振分束器分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光进入第一测量光路，垂直偏振光进入第二测量光路，且参考光、垂直偏振光和水平偏振光均返回至分束器并合束，获取第一参考干涉图像和第二参考干涉图像；
步骤S3、改变第二测量光路的光程，重复步骤S1-S2，获取第一测量干涉图像和第二测量干涉图像，对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到旋转角度，计算得到被测位移。
进一步，所述光场调控模块包括空间光调制器和四分之一波片，线偏振光束经空间光调制器进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片变为具有螺旋相位的圆偏振光束。
优选的，涡旋光束是指任何具有螺旋相位的光束，常见的涡旋光束有LG光束(拉盖尔高斯光束)、BG光束(贝塞尔高斯光束)和阵列涡旋光束等。
进一步，所述空间光调制器预设不同涡旋光场对应干涉图案，利用计算全息原理获得涡旋光场，通过调节空间光调制器参数，改变涡旋光场拓扑荷。
进一步，参考光射向第一反射角锥发生折返反射并返回分束器，形成参考光路。
进一步，水平偏振光射向第二偏振分束器并返回分束器，形成第一测量光路。
进一步，垂直偏振光射向第二反射角锥发生折返反射并射向第二偏振分束器，且垂直偏振光和水平偏振光在第二偏振分束器合束并返回分束器，形成第二测量光路。
进一步，改变第二测量光路的光程前，返回分束器的参考光、垂直偏振光和水平偏振光传输至第三偏振分束器，水平偏振的两路光束(水平偏振光和参考光中呈水平偏振态的光束)干涉图像由第一探测器获取并作为第一参考干涉图像，垂直偏振的两路光束(垂直偏振光和参考光中呈垂直偏振态的光束)干涉图像由第二探测器获取并作为第二参考干涉图像。
进一步，所述第二反射角锥位于被测物体上，移动第二反射角锥改变第二测量光路的光程，所述第二反射角锥的移动量即为被测位移。
进一步，改变第二测量光路的光程后，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取并作为第一测量干涉图像，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取并作为第二测量干涉图像。
进一步，对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像得到第一旋转角度，对比第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到第二旋转角度。
进一步，当参考光路处于稳定状态下(即参考光路处于理想状态下)，所述第一测量干涉图像与第一参考干涉图像相同，即两者之间不存在旋转变化，所述第一旋转角度
Figure BDA0003193855220000041
所述第二旋转角度与被测位移的表达式为：
Figure BDA0003193855220000042
其中，
Figure BDA0003193855220000043
表示第二旋转角度，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长，Δd2表示第二反射角锥的移动量(即被测位移)。
进一步，当参考光路处于波动状态下，所述第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像均存在旋转变化。
优选的，空气折射率变化、第一探测器自身震动等因素均可影响参考光路稳定性。
优选的，第一旋转角度与参考光路波动量的表达式为：
Figure BDA0003193855220000044
第二旋转角度与被测位移的表达式为：
Figure BDA0003193855220000045
其中，
Figure BDA0003193855220000046
表示第一旋转角度，
Figure BDA0003193855220000047
表示第二旋转角度，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长，Δd1表示参考光路出现的波动量，Δd2表示第二反射角锥的移动量(即被测位移)。
另，本发明还提供基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，包括：
激光器，用于输出线偏振光束；
光场调控模块，用于将线偏振光束调控为具有螺旋相位的圆偏振光束；
传输干涉模块，圆偏振光束在传输干涉模块分为参考光和测量光，且测量光分为垂直偏振光和水平偏振光，参考光、垂直偏振光和水平偏振光进入不同光路并合束形成干涉光；
和图像采集处理模块，用于采集干涉图像。
进一步，所述光场调控模块包括同光轴的空间光调制器和四分之一波片，线偏振光束经空间光调制器进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片变为具有螺旋相位的圆偏振光束。
进一步，所述传输干涉模块包括分束器、第一反射角锥、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第二反射角锥，圆偏振光束经分束器分为参考光和测量光，参考光射向第一反射角锥发生折返反射并返回分束器，形成参考光路，测量光经第一偏振分束器分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光射向第二偏振分束器并返回分束器，形成第一测量光路，垂直偏振光射向第二反射角锥发生折返反射并射向第二偏振分束器，且垂直偏振光和水平偏振光在第二偏振分束器合束并返回分束器，形成第二测量光路。
进一步，所述图像采集处理模块包括第一探测器和第二探测器，返回分束器的参考光、垂直偏振光和水平偏振光传输至第三偏振分束器，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取。
本发明的有益效果是：
1、将涡旋光束与激光干涉相结合，通过利用干涉图样的旋转角度变化，将连续位移转换为连续的旋转角度变化，获得被测位移。
2、基于涡旋光束干涉原理，测量获得的图像是瓣状且旋转的干涉图像，能够清楚地观察整个旋转过程。
3、相较于普通高斯光干涉条纹计数的方法，无需将小数部分数值单独进行考虑，解决了现有技术中干涉条纹小数部分数值估读对测量精度的影响。
4、无需增加细分元件，具有螺旋相位的圆偏振光束自身实现了更高的细分倍数，同时，将干涉图像电子细分处理方法变为圆周角度细分，具有360°自然基准，从原理上提高了测量精度。
5、采用圆偏振差分光路，通过对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像，消除了参考光路不稳定性对测量结果带来的误差，进一步提高了测量准确性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2为不同拓扑荷在Δd＝0时对应的干涉场强度分布示意图；
图3为光程差改变对应的干涉场强度分布示意图。
附图中：1-激光器、2-空间光调制器、3-分束器、4-第一反射角锥、5-第一偏振分束器、6-第二反射角锥、7-第二偏振分束器、8-第三偏振分束器、9-第一探测器、10-第二探测器、11-四分之一波片；
图1中虚线表示线偏振光束的路径，图2和图3中横坐标表示X轴，单位为mm，纵坐标表示Y轴，单位为mm。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，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的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，包括激光器1、光场调控模块、传输干涉模块和图像采集处理模块。具体的，激光器1用于输出线偏振光束，光场调控模块用于将线偏振光束调控为具有螺旋相位的圆偏振光束，圆偏振光束在传输干涉模块分为参考光和测量光，且测量光分为垂直偏振光和水平偏振光，参考光、垂直偏振光和水平偏振光进入不同光路并合束形成干涉光，图像采集处理模块用于采集干涉图像并分析得到旋转角度，进而计算得到被测位移。
所述光场调控模块包括同光轴的空间光调制器2和四分之一波片11，所述空间光调制器2预设不同涡旋光场对应干涉图案，利用计算全息原理获得涡旋光场，通过调节空间光调制器2参数，改变涡旋光场拓扑荷。线偏振光束经空间光调制器2进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片11变为具有螺旋相位的圆偏振光束。
所述传输干涉模块包括分束器3、第一反射角锥4、第一偏振分束器5、第二偏振分束器7和第二反射角锥6，圆偏振光束经分束器3分为参考光和测量光，参考光射向第一反射角锥4发生折返反射并返回分束器3，形成参考光路，测量光经第一偏振分束器5分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光射向第二偏振分束器7并返回分束器3，形成第一测量光路，垂直偏振光射向第二反射角锥6发生折返反射并射向第二偏振分束器7，且垂直偏振光和水平偏振光在第二偏振分束器7合束并返回分束器3，形成第二测量光路。
所述图像采集处理模块包括第一探测器9和第二探测器10，返回分束器3的参考光、垂直偏振光和水平偏振光传输至第三偏振分束器8，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器9获取，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器10获取。
同时，本发明还提供一种基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，包括以下步骤:
步骤S1、激光器1输出线偏振光束，线偏振光束经空间光调制器2进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片11变为具有螺旋相位的圆偏振光束。优选的，涡旋光束是指任何具有螺旋相位的光束，常见的涡旋光束有LG光束(拉盖尔高斯光束)、BG光束(贝塞尔高斯光束)和阵列涡旋光束等。
步骤S2、圆偏振光束经分束器3分为参考光和测量光，参考光射向第一反射角锥4发生折返反射并返回分束器3，形成参考光路，测量光经第一偏振分束器5分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光射向第二偏振分束器7并返回分束器3，形成第一测量光路，垂直偏振光射向第二反射角锥6发生折返反射并射向第二偏振分束器7，所述第二反射角锥6位于被测物体上，且垂直偏振光和水平偏振光在第二偏振分束器7合束并返回分束器3，形成第二测量光路，返回分束器3的参考光、垂直偏振光和水平偏振光合束传输至第三偏振分束器8，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器9获取并作为第一参考干涉图像，表征第一测量光路和参考光路之间的光程差Δz1，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器10获取并作为第二参考干涉图像，表征第二测量光路和参考光路之间的光程差Δz2。
步骤S3、移动第二反射角锥6改变第二测量光路的光程，所述第二反射角锥6的移动量即为被测位移，重复步骤S1-S2，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器9获取并作为第一测量干涉图像，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器10获取并作为第二测量干涉图像，对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像分别得到第一旋转角度、第二旋转角度，计算得到被测位移。其中，第一旋转角度、第二旋转角度可通过测量或计算得到，如利用质心算法和尺度不变特征转(SIFT,Scale-Invariant Feature Transform)算法对干涉图样的旋转角度进行了求取(基于轨道角动量的新型光学高精度测量研究，东南大学，顾丹华)。
具体的，当参考光路处于稳定状态下(即参考光路处于理想状态下)，此时，Δz1＝0，所述第一测量干涉图像与第一参考干涉图像相同，即两者之间不存在旋转变化，所述第一旋转角度
Figure BDA0003193855220000101
第二反射角锥6移动Δd2(待测位移量)后，Δz2＝2*Δd2，所述第二测量干涉图像与第二参考干涉图像存在旋转变化，对比第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到第二旋转角度
Figure BDA0003193855220000102
所述第二旋转角度与被测位移的表达式为：
Figure BDA0003193855220000103
得到待测位移量Δd2，其中，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长。
考虑到空气折射率变化、第一探测器9自身震动等因素对参考光路稳定性的影响，当参考光路处于波动状态下，Δz1＝Δd1，所述第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像均存在旋转变化。对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像得到第一旋转角度
Figure BDA0003193855220000104
第一旋转角度与参考光路波动量的表达式为：
Figure BDA0003193855220000105
得到Δd1。第二反射角锥6移动Δd2(待测位移量)后，Δz2＝2*Δd2，对比第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到第二旋转角度，第二旋转角度与被测位移的表达式为：
Figure BDA0003193855220000111
得到待测位移量Δd2，其中，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长。采用圆偏振差分光路，通过对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像，消除了参考光路不稳定性对测量结果带来的误差，进一步提高了测量准确性。
实施例二：
以LG光束为例，其电场表达式可以表示为：
Figure BDA0003193855220000112
其中，m为涡旋拓扑荷，p表示光束径向指数，(r,θ,z)为柱坐标下的空间坐标，w为z位置半径，w0为光束束腰半径，k为光束波矢量，zr为光束瑞利长度，
Figure BDA0003193855220000113
为拉盖尔函数。
假设参考光E1拓扑荷为m1，对应光路的光程为l1，测量光E2拓扑荷为m2，对应光路的光程为l2，待测位移量为Δd，则
Figure BDA0003193855220000114
两光束干涉可以表示为：E＝E1+E2，相应干涉光强度分布为：I＝E×E*。
由图2可以看出：两束涡旋光束之间的干涉图样是类似瓣状的，且瓣的个数等于|m1-m2|。改变测量光和参考光之间的光程差Δz得到干涉强度分布的变化，如图3所示，其中，Δz＝2*Δd。
由图3可以看出：基于涡旋光场的激光干涉位移测量与传统方法的干涉图样随测量位移改变的变化形式不同，传统方法是明暗相间条纹的移动，而基于涡旋光束干涉的测量获得的信息是瓣状干涉图案的旋转。为了更清楚地观察整个旋转过程，图3中引入虚线作为参考线。随着光程差的改变，干涉场会发生旋转，相同光程差对应旋转角度与参考光和测量光拓扑荷差有关，且旋转角度与待测位移量的表达式为：
Figure BDA0003193855220000121
其中，
Figure BDA0003193855220000122
表示旋转角度，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长。
也就是说，基于涡旋光束干涉原理，测量获得的图像是瓣状且旋转的干涉图像，能够清楚地观察整个旋转过程。相较于普通高斯光干涉条纹计数的方法，无需将小数部分数值单独进行考虑，解决了现有技术中干涉条纹小数部分数值估读对测量精度的影响。无需增加细分元件，具有螺旋相位的圆偏振光束自身实现了更高的细分倍数，同时，将干涉图像电子细分处理方法变为圆周角度细分，具有360°自然基准，从原理上提高了测量精度。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、激光器输出的线偏振光束经光场调控模块变为具有螺旋相位的圆偏振光束；
步骤S2、圆偏振光束经分束器分为参考光和测量光，参考光进入参考光路，测量光经第一偏振分束器分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光进入第一测量光路，垂直偏振光进入第二测量光路，且参考光、垂直偏振光和水平偏振光均返回至分束器并合束，获取第一参考干涉图像和第二参考干涉图像；
步骤S3、改变第二测量光路的光程，重复步骤S1-S2，获取第一测量干涉图像和第二测量干涉图像，对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像、第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到旋转角度，计算得到被测位移。
2.根据权利要求1所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，所述光场调控模块包括空间光调制器和四分之一波片，线偏振光束经空间光调制器进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片变为具有螺旋相位的圆偏振光束。
3.根据权利要求2所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，改变第二测量光路的光程前，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取并作为第一参考干涉图像，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取并作为第二参考干涉图像。
4.根据权利要求3所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，改变第二测量光路的光程后，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取并作为第一测量干涉图像，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取并作为第二测量干涉图像，对比第一测量干涉图像与第一参考干涉图像得到第一旋转角度，对比第二测量干涉图像与第二参考干涉图像得到第二旋转角度。
5.根据权利要求4所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，当参考光路处于稳定状态下，所述第一旋转角度
Figure FDA0003193855210000021
所述第二旋转角度与被测位移的表达式为：
Figure FDA0003193855210000022
其中，
Figure FDA0003193855210000023
表示第二旋转角度，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长，Δd2表示被测位移。
6.根据权利要求4所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量方法，其特征在于，当参考光路处于波动状态下，第一旋转角度与参考光路波动量的表达式为：
Figure FDA0003193855210000024
第二旋转角度与被测位移的表达式为：
Figure FDA0003193855210000025
其中，
Figure FDA0003193855210000026
表示第一旋转角度，
Figure FDA0003193855210000027
表示第二旋转角度，|Δm|表示参考光和测量光拓扑荷差的绝对值，λ表示线偏振光束的波长，Δd1表示参考光路出现的波动量，Δd2表示被测位移。
7.基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，包括：
激光器，用于输出线偏振光束；
光场调控模块，用于将线偏振光束调控为具有螺旋相位的圆偏振光束；
传输干涉模块，圆偏振光束在传输干涉模块分为参考光和测量光，且测量光分为垂直偏振光和水平偏振光，参考光、垂直偏振光和水平偏振光进入不同光路并合束形成干涉光；
和图像采集处理模块，用于采集干涉图像。
8.根据权利要求7所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，所述光场调控模块包括同光轴的空间光调制器和四分之一波片，线偏振光束经空间光调制器进行相位调制得到涡旋光束，涡旋光束经四分之一波片变为具有螺旋相位的圆偏振光束。
9.根据权利要求8所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，所述传输干涉模块包括分束器、第一反射角锥、第一偏振分束器、第二偏振分束器和第二反射角锥，圆偏振光束经分束器分为参考光和测量光，参考光射向第一反射角锥发生折返反射并返回分束器，形成参考光路，测量光经第一偏振分束器分为垂直偏振光和水平偏振光，水平偏振光射向第二偏振分束器并返回分束器，形成第一测量光路，垂直偏振光射向第二反射角锥发生折返反射并射向第二偏振分束器，且垂直偏振光和水平偏振光在第二偏振分束器合束并返回分束器，形成第二测量光路。
10.根据权利要求9所述的基于涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，其特征在于，所述图像采集处理模块包括第一探测器和第二探测器，返回分束器的参考光、垂直偏振光和水平偏振光传输至第三偏振分束器，水平偏振的两路光束干涉图像由第一探测器获取，垂直偏振的两路光束干涉图像由第二探测器获取。
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