[实用新型]一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及微位移检测技术领域，具体涉及一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置。

背景技术

矢量衍射理论是分析光栅衍射特性的方法之一，它给出光栅衍射特性的精确解，经过二十年的发展较为成熟，分为两类：积分方法和微分方法。积分方法适用具有连续面型的光栅衍射特性分析，求解过程复杂，而微分方法更适用具有不连续的、离散的面型特征的光栅衍射特性分析，求解过程较为简单。微分方法主要包括严格耦合波理论(Rigorous Coupled-Wave Analysis，RCWA)和模态法(Modal Method)这两种。严格耦合波理论(RCWA)使用数值和初等数学计算，不需要复杂的数值技术，以简单和通用的优点获得了广泛的应用。

高精度微位移测量技术已成为现代工业测量技术的重要发展方向和测量领域内的研究热点。光栅位移测量技术以其低成本、高稳定性、高分辨力的特点广泛地应用于各种高精度微位移测量领域。1995年，M.G.Moharam首次运用严格耦合波理论，以TE波和TM波为例讨论了衍射光栅在激光阵列照射下的反射和透射特性，证明了利用严格耦合波理论分析光栅的可行性，为光栅传感器的研制奠定了理论基础。

目前的光栅位移传感器以莫尔条纹位移传感器为主，但是莫尔位移传感器采用栅距较大的光栅，分辨率难以提高，体积较大，难以应用在微纳结构中测量面内运动的微位移。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型设计了一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，对双层光栅结构的关键尺寸进行了改良，设计的光栅周期为纳米级别，与现有微米级的光栅周期相比，其光栅周期更小，提高了光栅检测微位移的精度，将多个纳米光栅拼接，增大了微位移检测装置的量程，固定纳米光栅面积是可动纳米光栅单个区域面积的两倍，可动纳米光栅单个区域间的面积为单个纳米光栅的面积；设计细分电路，提高微位移检测装置的分辨率。本实用新型中，电源、激光阵列、光电探测器阵列、可动纳米光栅阵列、固定纳米光栅、导轨的整体安放结构紧凑，微型化程度高，实用性更强，可应用在MEMS相关领域。

本实用新型提供一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置。

本实用新型使用严格耦合波理论(RCWA)作为光栅衍射特性的分析理论，主要包括以下三个步骤：

1)根据麦克斯韦方程组，分别给出入射区、透射区和光栅区电磁场的表达式，对光栅区的介电常数以及各区电磁场进行展开；

2)利用麦克斯韦方程组求解光栅区内电场和磁场的耦合关系，建立耦合波方程组；

3)在入射区和光栅区的边界以及光栅区和透射区的边界，利用电磁场边值条件，求解各衍射级次的衍射光的振幅和衍射效率。

双层纳米光栅微位移检测装置的分析理论也是基于严格耦合波理论的。

具体技术方案如下：一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，所述微位移检测装置包括：能将位移物理信号转化为初级电信号的位移传感模块、能将初级电信号转化为可读信号的处理单元、能将可读信号显示的显示单元，所述位移传感模块通过所述处理单元连接所述显示单元；

所述位移传感模块包括一能相对移动的双层纳米光栅，所述双层纳米光栅包括可动纳米光栅阵列、固定纳米光栅,所述固定纳米光栅相对所述显示单元固定。

所述可动纳米光栅阵列固定设置在被测量物体的位移敏感端，并能相对所述固定纳米光栅在一导轨上移动；

所述可动纳米光栅阵列由多个纳米光栅区域拼接而成；

所述处理单元包括一细分电路，所述细分电路可提高该光电探测器阵列输出信号的分辨率。

所述固定纳米光栅的光栅面积为所述光栅区域的两倍，并所述光栅区域间的间距面积与所述光栅区域相等。

所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的栅面相互平行设置，并所述可动纳米光栅阵列的栅线平行排列。

进一步地，所述位移传感模块还包括光电探测器阵列、激光阵列，所述光电探测器阵列、所述激光阵列均设置在所述固定纳米光栅的中心轴线上，所述中心轴线为垂直于所述可动纳米光栅阵列运动方向的中心轴线，并所述激光阵列发射出的光线可穿过所述双层纳米光栅到所述光电探测器阵列。

进一步地，所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的光栅周期Λ取值区间为750nm-850nm，占空比r取值范围为0.48-0.52，光栅厚度d取值范围为350nm-450nm。

进一步地，所述激光阵列的入射光波长λ为800nm-900nm。