一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法转让专利
申请号 : CN202210391782.0
文献号 : CN114963994B
文献日 : 2023-05-02
发明人 : 蒋维涛 , 刘红忠 , 王训韩 , 尹磊 , 史永胜 , 陈邦道
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
权利要求 :
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;
所述亚波长结构(6)的长度为600 nm ‑1200nm,宽度为200 nm ‑400nm;
所述的测量光栅的周期为2μm ‑10μm,栅线(21)相对于狭缝(22)高度为2μm‑3μm。
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,所述金属层(61)的高c为50‑100nm,所述介质层(62)的高d为100 nm ‑200nm,d≥c。
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,所述的测量光栅的占空比为1:1。
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。
7.根据权利要求1或6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°。
8.一种用于纳米精度位移测量的传感方法,基于权利要求1‑7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。
9.根据权利要求8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。
说明书 :
一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法
技术领域
背景技术
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。
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
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。
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。
周期,λ为光源发射出的光波长。
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。
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;
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。
能发生电子谐振,从而产生光相位的突变。
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。
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
具体实施方式
限定本发明。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
m,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。
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。
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。
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,...;
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,Δ
K2,...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。
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。
的保护范围之内。