CN114963994A - 一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法，通过在传统的反射式光栅上布置多列亚波长结构，使光在亚波长结构位置处产生相位突变，从而对光场进行重构，细化光场周期。在纳米级位移测量时，通过相位检测元件检测到的相位奇点作为周期细分节点，通过增加细分节点的方式提高光栅周期的拟合曲线精度。同时在位移解调算法上，将修正后的光场周期反馈给解调系统，进行高精度细分。在现有的光栅制造精度下，通过对光栅结构的优化，调控结构光场，实现纳米/亚纳米级精度位移测量。
Description
技术领域
本发明属于超精密位移测量技术领域，具体涉及一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法。
背景技术
纳米精度位移测量是高档数控系统、精密仪器、光刻机超精密定位平台等领域的关键技术。光栅是实现纳米精度位移测量的主要传感器之一，具有测量精度高、米级测量范围、强抗环境干扰能力、安装空间紧凑等更加综合和全面的优势，在光刻系统、纳米检测系统等高端装备中已经成为位置精度测量的核心部件。
传统光栅测量原理是：通过标尺光栅和指示光栅的相对移动，在光的干涉效应以及衍射效应的共同作用下产生黑白相间的规则条纹(即莫尔条纹)，通过光电器件转换成正弦波信号，并通过放大器和整形电路进行数据处理和分析。在光源的照射下，莫尔条纹靠近交叉点旁的区域遮光面积较小，由于光的累积效应会出现亮带，而远离交叉点的区域由于光的累积效应会出现暗带。通过光电器件检测到一次亮暗亮的变化表示其位移已经走过了一个波长的长度，从而进行位移测量。
在测量过程中，根据光栅的测量原理可知光栅测量精度主要取决于莫尔条纹的周期精度，即结构光场的周期精度。由于制造能力限制，光栅传感器测量精度提升的主要瓶颈在于栅线制造精度，由于光栅栅线结构制造误差所带来的结构光场周期误差，约占位移测量误差的60％。1nm的测量精度要求光栅栅线的周期制造精度小于0.1nm，但由于在纳米制造装备与工艺方面的瓶颈问题，尚不具备纳米精度光栅位移传感器的制造能力。因此，面对光栅测量精度受限于栅线制造精度的理论瓶颈，需要发展新的光栅测量方法，突破当前制造水平对测量精度提升的制约。
发明内容
本发明提供了一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法，提高结构光场周期精度。
为达到上述目的，本发明所述一种用于纳米精度位移测量的系统，包括光源、测量光栅、光学成像面和相位检测元件，其中测量光栅包括反射式光栅和亚波长结构，亚波长结构在反射式光栅上周期性排布；亚波长结构包括介质层和固定在介质层上的金属层；所述测量光栅设置在光源的射出光路上，光学成像面设置在测量光栅的反射光路上，所述相位检测元件设置在光学成像面的反射光路上。
进一步的，亚波长结构的特征尺寸为：λ/10≤a1＝a2≤λ/2，b1＝b2≥2a1＝2a2，0°≤θ≤90°，a1为金属层宽度，a2为介质层的宽度，λ为光源发射出的光波长，b1为金属层长度，b2为介质层的长度，θ为亚波长结构与反射式光栅周期方向之间的夹角。
进一步的，金属层材料为Au、Ag、Pt或Cu，介质层的材料为Al2O3或SiO2。
进一步的，亚波长结构的长度为600nm-1200nm，宽度为200nm-400nm。
进一步的，金属层的高c为50-100nm，介质层的高d为100nm-200nm，d≥c。
进一步的，测量光栅的周期为2μm-10μm，占空比为1:1，栅线相对于狭缝高度为2μm-3μm。
进一步的，光源距测量光栅的光程e≥1.5λ；测量光栅距光学成像面的光程
光学成像面距相位检测元件的光程i≥1.5λ，m为系数，f为光栅周期，λ为光源发射出的光波长。
进一步的，光源射出的光斜入射到测量光栅上的入射角度α满足：10°≤α≤80°，测量光栅的反射光入射到光学成像面的入射角度β满足：10°≤β≤80°。
一种用于纳米精度位移测量的传感方法，基于上述的位移测量系统，其特征在于，在进行纳米精度位移测量时，通过反射式光栅上的亚波长结构对光栅周期进行细化，从光源射出的光照射到测量光栅表面的亚波长结构上，在亚波长结构位置处产生相位突变；通过相位检测元件测量亮斑区域边缘的相位突变，增加光栅周期内细分节点，对光场周期进行纳米级高精度重构，根据重构后的光场周期计算位移。
进一步的，包括以下步骤：
S1、光源相对于测量光栅沿光栅周期方向移动，光源发射出的光入射到测量光栅上；在亚波长结构位置处相位产生突变，通过亚波长结构反射形成光场，光场在光学成像面上聚焦形成亮斑，反射光经光学成像面反射后通过相位检测元件，相位检测元件检测到亮斑区域边缘的相位奇点和光栅栅线边界；
S2、利用相位奇点和光栅栅线边界拟合出光场周期拟合曲线，光场周期拟合曲线的一个周期即为光场周期；
S3、根据光场周期计算位移。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明在现有的光栅制造精度下，通过对光栅结构的优化，调控结构光场，实现纳米/亚纳米级精度位移测量。具体的，通过在光栅栅线上布置亚波长结构，使得对应于亚波长结构的位移处产生相位突变，以相位奇点作为周期内的细分节点，对光场周期内的局域相位进行调控，对光场周期进行畸变校正与纳米/亚纳米精度重构，提升光场周期精度，从而提高光栅测量精度。
进一步的，亚波长结构的特征尺寸为：λ/10≤a1＝a2≤λ/2，b1＝b2≥2a1＝2a2，0°≤θ≤90°，a1为金属层宽度，a2为介质层宽度，λ为光源发射出的光波长，b1为金属层长度，b2为介质层长度，θ为亚波长结构与光栅周期方向之间的夹角，以保证亚波长结构接触光时能发生电子谐振，从而产生光相位的突变。
进一步的，亚波长结构的长度为600nm-1200nm，宽度为200nm-400nm，使得亚波长结构改变光相位现象更明显。
进一步的，为了更好的产生光相位突变现象并对光有一定反射作用，避免金属层和光栅之间产生耦合现象，金属层的高为50-100nm，所述介质层的高为100nm-200nm。
进一步的，为了更好的布置反射式超结构的同时保证光栅原有的高测量精度，测量光栅的周期为2μm-10μm，占空比为1:1，栅线相对狭缝高度为2μm-3μm。。
进一步的，光源距测量光栅的光程e≥1.5λ，入射的角度10°≤α≤80°，测量光栅距光学成像面的光程
入射角度10°≤β≤80°；光学成像面距相位检测元件的光程i≥1.5λ。设置光源距测量光栅的光程e和光学成像面距相位检测元件的光程i的参数区间是为了避免近场光对测量精度的影响；而入射角度α和β的参数区间是为了满足纳米精度位移测量系统布置合理性的同时保证相位突变的显著性。
本发明所述的方法，采用上述系统，在纳米级位移测量时，通过相位检测元件检测到的相位奇点作为周期细分节点，通过增加细分节点的方式提高光栅周期的拟合曲线精度。同时在位移解调算法上，将修正后的光场周期反馈给解调系统，进行高精度细分。
附图说明
图1为实施例1亚波长结构反射式光栅测量原理示意图；
图2为实施例1亚波长结构的材料结构图；
图3a为实施例1亚波长结构在反射式光栅上的主视图；
图3b为实施例1亚波长结构在反射式光栅上的俯视图；
图4为实施例1有无亚波长结构光场周期拟合曲线比较图；
图5为实施例1亚波长结构反射式光栅光场重构原理图。
附图中：1、光源，2、反射式光栅，21、栅线，22、狭缝，4、光学成像面，5、相位检测元件，6、亚波长结构，61、金属层，62、介质层。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1，一种用于纳米精度位移测量的系统，包括光源1、测量光栅、光学成像面4和相位检测元件5，其中测量光栅包括反射式光栅2和布置在反射式光栅2上的亚波长结构6。亚波长结构6为金属-介质层双层结构，包括介质层62和固定在介质层上的金属层61。
光源1射出的圆偏振光斜入射到测量光栅上，入射角α满足：10°≤α≤80°。光源1打出去的光到测量光栅表面的光程e≥1.5λ，而测量光栅表面反射的光距光学成像面4的光程
以整数倍泰伯成像距离在光学成像面4上形成亮斑，在亮斑区域边缘即存在相位奇点。反射光斜入射到光学成像面4上，入射角度10°≤β≤80°，通过光学成像面4表面反射的反射光通过光程i≥1.5λ，照射到相位耦合元件5，进行细分节点读取和光场周期拟合。
测量光栅的周期f为2μm-10μm，例如2μm、4μm、8μm或10μm等，占空比为1:1，其中栅尺栅线相对狭缝高度g为2μm-3μm。
亚波长结构6在狭缝22和栅线21上呈对称平行排布，每个光栅周期的栅线21和狭缝22上布置n列亚波长结构6，n≥2。在结构布局容许的情况下，在保证亚波长结构6之间不接触的前提下尽可能地布置多列亚波长结构6，同时具体列数需受制于亚波长结构6的具体形状尺寸，形状尺寸包括宽度a、长度b和倾角θ。
亚波长结构6特征尺寸：λ/10≤a1＝a2≤λ/2，b1＝b2≥2a1＝2a2，a1为金属层宽度，a2为介质层宽度，λ为光源发射出的光波长，b1为金属层长度，b2为介质层长度，0°≤θ≤90°，θ为亚波长结构与光栅周期方向之间的夹角，例如θ可以为10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°或90°。亚波长结构6沿光栅宽度方向呈周期性排布，亚波长结构6的几何尺寸(a、b、θ)及布局方式，需经过光学优化设计，提高相位突变幅度。
金属层61材料为Au、Ag、Pt或Cu等易于在光的照射下发生电子谐振的材料，长度b1为600nm-1200nm，宽度a1为200nm-400nm，高c为50nm-100nm。介质层62选用材料为Al2O3或SiO2等不易与光电子产生耦合的稳定性较好、至少能吸收穿透金属层61光的95％的光吸收率较高的氧化物。长度b2为600nm-1200nm，宽度a2为200nm-400nm，高d为100nm-200nm，且a1＝a2，b1＝b2，d≥c，设置金属层61和介质层62尺寸范围是为了更好地提高相位突变幅度。
实施例1
光源1射出的左旋圆偏振光斜入射到测量光栅上，测量光栅为亚波长结构反射式光栅，入射角α＝45°。光源1打出去的光到测量光栅表面的光程e＝2λ，而测量光栅表面反射的偏振态为右旋椭圆偏振的光距光学成像面4的光程
即一倍泰伯成像的距离，以一倍泰伯成像距离在光学成像面4上形成亮斑，在亮斑区域边缘即存在相位奇点。反射光呈β＝45°的角度斜入射到光学成像面4上，通过光学成像面4表面反射的反射偏振光通过光程i＝2λ，照射到相位耦合元件5，进行细分节点读取和光场周期拟合。
参照图2，为增强对左旋圆偏振光的调控作用，亚波长结构6采用介质-金属的双层结构，金属层61和介质层62在垂直方向上的投影重叠。在本例中，其下层的介质层62材料采用三氧化二铝(Al2O3)，其主要作用是吸收部分透射光，并对上层的金属层61提供一定的支撑作用。上层的金属层61材料采用金(Au)，主要作用是使光在亚波长结构上产生相位突变，通过光场重构的方式使相位突变时光场的位移与光栅上布置的亚波长结构的位置能一一对应。
参照图3a和图3b，亚波长结构6尺寸、形状、布局、材料组成等参数，可根据光场进行优化设计。在本例中，以亚波长结构6在光栅2一个周期上呈4列排布(n＝4)为例进行设计，在栅线21的两侧的边缘内侧各设置一列亚波长结构6，在狭缝22边缘内侧各设置一列亚波长结构6，每列包括5个亚波长结构6。
亚波长结构6宽a1＝a2＝300nm，长b1＝b2＝900nm，与光栅周期方向的夹角θ＝45°，上层金属层厚度c＝50nm，下层介质层厚度d＝100nm。在本例中，测量光栅周期为f＝8μm，占空比为1:1，其中栅线21相对狭缝22的高度为g＝2μm，光源发射出的光波长λ＝633nm。
通过在光栅表面添加亚波长结构的方式，使得其光栅相位产生突变，通过检测到相位奇点作为细分节点来细化光场周期，使光栅达到纳米/亚纳米级测量精度。光照射到亚波长结构6表面之后，其位移-相位曲线在原有的正弦基础上发生相位突变，以相位奇点作为细分节点来提高光场周期拟合精度，使其满足光栅测量纳米/亚纳米级测量精度要求。
在本例中，一个光栅周期长度内插入4列亚波长结构，其中2列亚波长结构在反射式光栅的栅线处，2列亚波长结构在反射式光栅的狭缝中，可以看到无亚波长结构的光栅拟合曲线的栅线边缘点为K0、Km、Ke，通过这三个栅线边缘点拟合曲线记为ΔP＝f(ΔK0，ΔKmΔKe)。增加亚波长结构的之后，光栅拟合曲线的细分节点和栅线边缘点为K0、K1、K2、Km、K3、K4、Ke，通过这七个点得到的光场周期拟合曲线记为ΔP＝f(ΔK0，ΔK1，ΔK2，ΔKm，ΔK3，ΔK4，ΔKe)，通过增加细分节点的方式提高了光场周期的拟合基准点，避免在没有亚波长结构的时候因一个周期内拟合基准点过少而产生的拟合误差过大的现象，提高了光场周期的拟合曲线精度。
实施例2
参考图4，基于上述测量系统的纳米精度的位移测量方法，包括以下步骤：
S1、光源1相对于测量光栅沿光栅周期方向移动，光源1发射出的波长λ为633nm的左旋圆偏振光呈α＝45°斜入射到测量光栅上；
S2、当光源1发出的左旋圆偏振光照射到亚波长结构6表面上时，在亚波长结构6位置处相位产生突变，并伴有光学超振荡现象发生。通过亚波长结构6反射后形成右旋椭圆偏振光，右旋椭圆偏振光在光学成像面4上聚焦有明显的亮斑，反射光经光学成像面4反射后通过相位检测元件5，相位检测元件5检测到亮斑区域边缘的相位奇点K1、K2、...Kn和光栅栅线边界ΔK0，ΔKm，ΔKe，...；
S3、利用K1、K2、...Kn、ΔK0，ΔKm，ΔKe，拟合光场周期拟合曲线，取相位奇点作为光场周期的中间细分节点，在进行光场周期拟合时加入中间细分节点，提高光场周期拟合曲线的精度，细化光场周期，达到纳米精度测量要求。
参考图5，在光栅结构的基础上，在确定栅线区域上构建亚波长结构，对光栅栅尺周期内的局域相位进行精确调控。针对光栅栅线的基本误差，即栅线边缘精度误差所拟合的光场周期进行调控，通过栅线上布置的亚波长结构来构建相位奇点K1、K2、...Kn，作为周期细分节点，对微纳光场的周期进行重构，即光场周期拟合曲线ΔP1＝f(ΔK0，ΔK1，ΔK2，...ΔKn，ΔKe)，从而减小ΔP1对微纳结构制造精度(ΔK0，ΔKm，ΔKe)的依赖，提高了光场周期的重构精度。
S4、光场周期拟合曲线近似为正弦曲线，拟合曲线的一个周期即为光场重构后测量的光场周期。
S5、根据光相位变化的周期次数等于光场位移走过的光场周期数计算位移，位移计算公式为：X＝T×p+ΔX，其中X为走过的位移，T为光场周期，p为光场位移走过的光场周期数，ΔX为不到一个周期走过的位移，ΔX可根据终点相位与起始点相位之差在对应于光场周期拟合曲线上的位移取得。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，包括光源(1)、测量光栅、光学成像面(4)和相位检测元件(5)，其中测量光栅包括反射式光栅(2)和亚波长结构(6)，所述亚波长结构(6)在反射式光栅(2)上周期性排布；所述亚波长结构(6)包括介质层(62)和固定在介质层(62)上的金属层(61)；
所述测量光栅设置在光源(1)的射出光路上，光学成像面(4)设置在测量光栅的反射光路上，所述相位检测元件(5)设置在光学成像面(4)的反射光路上。
2.根据权利要求1所述的一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，所述亚波长结构(6)的特征尺寸为：λ/10≤a1＝a2≤λ/2，b1＝b2≥2a1＝2a2，0°≤θ≤90°，a1为金属层(61)宽度，a2为介质层(62)的宽度，λ为光源(1)发射出的光波长，b1为金属层(61)长度，b2为介质层(62)的长度，θ为亚波长结构(6)与反射式光栅(2)周期方向之间的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，所述金属层(61)材料为Au、Ag、Pt或Cu，介质层(62)的材料为Al2O3或SiO2。
4.根据权利要求1所述的一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，所述亚波长结构(6)的长度为600nm-1200nm，宽度为200nm-400nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，所述金属层(61)的高c为50-100nm，所述介质层(62)的高d为100nm-200nm，d≥c。
6.根据权利要求1所述的一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，所述的测量光栅的周期为2μm-10μm，占空比为1:1，栅线(21)相对于狭缝(22)高度为2μm-3μm。
7.根据权利要求1所述的一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，所述光源(1)距测量光栅的光程e≥1.5λ；测量光栅距光学成像面(4)的光程
光学成像面(4)距相位检测元件(5)的光程i≥1.5λ，m为系数，f为光栅周期，λ为光源发射出的光波长。
8.根据权利要求1或7所述的一种用于纳米精度位移测量的系统，其特征在于，所述光源(1)射出的光斜入射到测量光栅上的入射角度α满足：10°≤α≤80°，测量光栅的反射光入射到光学成像面(4)的入射角度β满足：10°≤β≤80°。
9.一种用于纳米精度位移测量的传感方法，基于权利要求1-8任意一项所述的位移测量系统，其特征在于，在进行纳米精度位移测量时，通过反射式光栅(2)上的亚波长结构(6)对光栅周期进行细化，从光源(1)射出的光照射到测量光栅表面的亚波长结构(6)上，在亚波长结构(6)位置处产生相位突变；通过相位检测元件(5)测量亮斑区域边缘的相位突变，增加光栅周期内细分节点，对光场周期进行纳米级高精度重构，根据重构后的光场周期计算位移。
10.根据权利要求9所述的一种用于纳米精度位移测量的传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、光源(1)相对于测量光栅沿光栅周期方向移动，光源(1)发射出的光入射到测量光栅上；在亚波长结构(6)位置处相位产生突变，通过亚波长结构(6)反射形成光场，光场在光学成像面(4)上聚焦形成亮斑，反射光经光学成像面(4)反射后通过相位检测元件(5)，相位检测元件(5)检测到亮斑区域边缘的相位奇点和光栅栅线边界；
S2、利用相位奇点和光栅栅线边界拟合出光场周期拟合曲线，光场周期拟合曲线的一个周期即为光场周期；
S3、根据光场周期计算位移。
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