[發(fā)明專利]一種基于空間光調(diào)制器的高精度微位移測量方法和系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810714522.6
• 申請日: 2018-07-03
• 公開（公告）號: CN109029265A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳平;王云飛;李小凱;肖東;周曉迪;韓建;葉慧琪
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 深圳市科進知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛(wèi)良

本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間光調(diào)制器的高精度微位移測量方法和系統(tǒng)，通過引入空間光調(diào)制器，通過空間光調(diào)制器將位移引起的條紋變化返回到零，由干涉條紋變化值推知物體的位移量，實現(xiàn)高精度測量位移；本發(fā)明相比于在位移測量中采用PZT等機械器件驅(qū)動反射鏡調(diào)制相位方式，在位移測量過程中，相位調(diào)制無機械操作，避免了傳統(tǒng)方案中機械運動引入的誤差；利用空間光調(diào)制器可精確的調(diào)制相位的特性，將物體位移量轉(zhuǎn)化為空間光調(diào)制器對光束的相位改變量，由干涉條紋移動的數(shù)目和空間光調(diào)制器對光束的相位調(diào)制信息即可精確得到物體整體的位移，該方法對光束的相位調(diào)制更精細，可以達到更高的分辨率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間光調(diào)制器的高精度微位移測量方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著納米科技的迅速發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)等的迅速發(fā)展，對位移的精密測量提出了更高要求。微位移的準確測量對促進我國先進制造、超精密加工、國防軍事等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。目前，高分辨力微位移測量技術(shù)主要分為包含電學(xué)、顯微鏡等測量方法的非光學(xué)測量技術(shù)和以激光干涉測量為代表的光學(xué)測量技術(shù)兩大類。雖然以電容傳感器、掃描隧道顯微鏡(SPM)為代表的非光學(xué)測量方法的測量分辨力很高，能夠?qū)崿F(xiàn)納米甚至亞納米的測量分辨率，但是這些方法在溯源到國際標準長度單位“米”定義的時候，必須借助激光干涉儀等光學(xué)方法進行標定和校準。因此，光學(xué)測量方法尤其受到科學(xué)家們的重視，并且光學(xué)測量方法還具有非接觸的特點。

按光學(xué)原理不同，光學(xué)測量技術(shù)可分為激光干涉法、光杠桿法、光柵尺測量技術(shù)等。其中，激光干涉法由于其具有可溯源、分辨力高、測量速度快等獨特優(yōu)勢，應(yīng)用極為廣泛，是目前和近期納米級以上分辨力位移測量的主流技術(shù)。激光干涉位移測量技術(shù)主要有雙光束干涉和多光束干涉兩種類型。邁克爾遜干涉儀或類似結(jié)構(gòu)是雙光束激光干涉儀主要結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于各種測量場合。雖然光學(xué)倍程、電子倍頻、干涉條紋細分等技術(shù)發(fā)展的使邁克爾遜干涉儀的測量精度大為提高，但因受各種誤差因素限制，傳統(tǒng)干涉測量分辨力只能達到λ/10～λ/20。多光束干涉儀主要指法布里－珀羅干涉儀，該方法理論分辨率為1pm，主要用于高分辨力微位移測量，不過其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)較為繁瑣，受多種因素的限制，實際分辨率和理論上尚有一定差距。為提高干涉儀的測量分辨力，國內(nèi)外很多研究人員都致力于在已有干涉儀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上綜合運用多種干涉技術(shù)進行改進。

微位移測量發(fā)展的趨勢是大范圍、高分辨力。在激光干涉位移測量技術(shù)中，很多高分辨力的測量系統(tǒng)引入高精密的機械器件，對已有干涉儀結(jié)構(gòu)改進，而機械部分裝配和運動精度對位移測量精度有著重要影響。例如：中國計量科學(xué)研究院研制了差拍法-珀干涉儀，可用于約λ/4范圍內(nèi)分辨率為0.3nm的高精度位移測量。在該系統(tǒng)中，測量位移過程中需要給壓電陶瓷(PZT)加一個電壓改變工作激光器的腔長，將工作激光器腔鎖定在法-珀干涉儀輸出的最大光強上，從而通過測量工作激光器對標準激光器的頻差來確定法-珀干涉儀的腔長變化量；移相干涉測量中，一般采用PZT驅(qū)動參考鏡的方法改變相位，達到移相的目的。PZT可以實現(xiàn)納米量級位移定位，而影響移相干涉術(shù)精度的主要誤差源是PZT相位位移誤差；基于激光共路偏振干涉原理構(gòu)建的位移測量與校準實驗系統(tǒng)，其偏振相移的相移量是通過步進電機控制偏振片旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，實驗系統(tǒng)的精度與電機運動精度密切相關(guān)；一種基于邁克爾遜干涉技術(shù)的位移測量系統(tǒng)，將PZT作為相位調(diào)制器，把調(diào)制波的電信號轉(zhuǎn)化為一個干涉臂中光波的相位變化，以實現(xiàn)對相位的補償作用。

大范圍高分辨力位移測量是位移測量的發(fā)展趨勢，其中提高測量系統(tǒng)中機械部分的裝配和運動精度是重要的努力方向。在一些激光干涉測量技術(shù)中，測量系統(tǒng)中的高精密的機械運動器件，如PZT、步進電機等，在位移測量中的一般用來改變光束的相位、偏振態(tài)等，其在運動引入的誤差對高精度位移測量是非常不利的。