[發明專利]一種基于偏振編碼超表面的納米位移測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202210022572.4
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114383515B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 臧昊峰;魯擁華;張植宇;席錚;王沛
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明公開了一種基于偏振編碼超表面的納米位移測量裝置及測量方法，所述裝置包括照明模塊、偏振編碼超表面、反射模塊和探測模塊；所述的偏振編碼超表面作用是將線偏振光轉換為局域偏振態為方向角在空間變化的線偏振的結構光；通過反射模塊使得入射光兩次經過偏振編碼超表面調控，獲得空間均勻的線偏振出射光，其偏振方向角與超表面相對于光軸的橫向位移呈線性關系，進而由馬呂斯定律測量光強得到位移量。該裝置和方法利用超表面測量橫向位移，結構簡單、量程大、靈敏度高。

技術領域

本發明涉及光學精密位移測量技術領域，尤其涉及一種基于偏振編碼超表面的納米位移測量裝置及方法。

背景技術

精密位移測量是半導體制造、精密測量和計量領域的關鍵技術，是現代工業發展的基礎，精密測量能力也標志著國家制造業水平。隨著半導體工業、集成電路制造工藝的發展，對于位移測量精度要求也越來越高，達到納米甚至亞納米的精度需求。

傳統光學位移測量方案有激光干涉儀和光柵編碼器等。激光干涉儀需要高相干光源，需對激光器穩頻，系統受測量環境中輕微的空氣擾動及儀器機械振動影響大，對環境穩定性要求很高，系統結構復雜、體積大。光柵編碼器則利用光柵的衍射光在橫向移動時產生的莫爾效應或位相變化獲得位置信息。為獲取多路相移信號，需在不同衍射級次光路中獨立調控偏振并需要復雜的偏振檢測光路，光學元件多，結構復雜。另一方面，近年來有許多利用光學天線和結構光耦合的定向散射測量橫向位移的方案，光學天線尺寸較小，測量裝置較簡單；但測量量程一般只在百納米，且需要成像后處理過程，信號讀取復雜、信噪比低等問題。因此，亟需發展一套高測量精度、大量程、信號讀取簡單的測量方案。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于偏振編碼超表面的、大量程、非接觸、納米精度的精密位移測量裝置和方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于偏振編碼超表面的納米位移測量裝置，所述裝置包括照明模塊、偏振編碼超表面、反射模塊和探測模塊；

所述的照明模塊包括激光器、起偏器、第一分光棱鏡、監測功率計；所述激光器出射的光束經過起偏器得到線偏振光，該線偏振光通過所述第一分光棱鏡分為兩路光，其中，一路光經第一分光棱鏡反射照明到監測功率計，另一路光經第一分光棱鏡透射光照明到所述的偏振編碼超表面；所述線偏振光為線偏振基模高斯光；

所述偏振編碼超表面將空間均勻分布的線偏振光編碼為偏振態空間變化的結構光，所述結構光輸入所述反射模塊；

經所述反射模塊反射的光經所述偏振編碼超表面調制成空間均勻分布的線偏振待測信號光出射至第一分光棱鏡后反射至所述探測模塊。

進一步的，所述的反射模塊包括依次排列的透鏡、四分之一波片、空間濾波片、反射鏡。

進一步的，所述的探測模塊包括第二分光棱鏡、第一檢偏器、第一測量功率計、第二檢偏器、第二測量功率計。

進一步的，所述探測模塊中的第二分光棱鏡將所述待測信號光分成兩路，其中一路經第二分光棱鏡透射并經過第一檢偏器后由第一測量功率計接收，另一路經第二分光棱鏡反射并經過第二檢偏器后由第二測量功率計接收。

進一步的，所述的偏振編碼超表面包括在透光基底上加工出納米精度的、長軸方向沿X軸正向旋轉排列的橢圓柱狀顆粒陣列，且該長軸方向與X軸夾角為θ＝πx/a，其中a是結構周期，x是橢圓柱狀顆粒坐標；所述的偏振編碼超表面在橫向移動過程中始終位于所述的透鏡的焦平面上。

進一步的，所述柱狀顆粒的材料可以為金屬或者高折射率介質，包括金、銀或硅。

本發明還提出以下技術方案：

一種根據上述的基于偏振編碼超表面的納米位移測量裝置的測量方法，該測量方法包括以下步驟：