[发明专利]基于光学成像传感的纳米位移测量装置及方法

说明书

一种基于光学成像传感的纳米位移测量方法，其装置包括条纹光学元件、同轴照明光源、分光光学元件、光学放大成像单元和光学图形/图像传感器。测量方法包括以下步骤1)将条纹光学元件固定于待测物体上，条纹光学元件上的刻划有微米量级条纹；2)条纹图像光学放大100～1000倍，然后成像到线阵或面阵传感器上；3)传感器识别条纹光场分布的相对位置变化量，从而测得待测物体位移量。其位移量分辨率不再受限于光学衍射极限，能够实现纳米量级分辨率的位移量检测。其中微米量级的条纹制作简便，成本低，测量范围几乎不受限制。本发明的目的在于提供一种使用更简便的、成本更低的、测量范围几乎不受限制的纳米位移测量技术。

技术领域

本发明涉及高精度位移测量方法和装置，尤其是涉及光学成像传感的纳米位移检测方法及其装置，属于超高精度精密位移测量技术领域。

背景技术

高精度的纳米位移测量在超高精密加工、微电子制造以及其他超高精密测试计量等技术领域有着重要的应用。纳米级位移测量一般采用电容传感器技术，双频激光测量技术等。电容传感器的量程比较小,容易受外界干扰和分布参数的影响；而双频激光测量技术由于需要激光频率调制等技术，系统复杂、体积庞大而且成本过高。而用一般光学测量技术，如激光相干测量技术，由于光学衍射极限的限制和受系统误差的限制，也将只能达到亚微米量级的分辨率。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提出了一种基于光学成像传感的纳米位移测量装置及方法。将约微米量级的预先制作的条纹图像光学放大百倍以上，然后成像到线阵或面阵传感器上，虽然传感器上显示的条纹的边界已不再清晰，但条纹在传感器上的光场分布的相对位置变化量能准确的分辨，其分辨率主要不再取决于条纹边界的清晰度，而主要取决于光学放大倍率、传感器空间分辨率、条纹光场强度的稳定性以及系统的其他稳定性。能够稳定地实现纳米量级分辨率的位移量检测，而且测量的范围取决于微米量级条纹的制作，可以说几乎不受限制。虽然这也是一种光学测量技术，但已不再受限于光学衍射极限。本发明的目的在于提供一种使用更简便的、成本更低的、测量范围几乎不受限制的纳米位移测量技术。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光学成像传感的纳米位移测量装置，其特点在于：包括条纹光学元件、同轴照明光源、分光光学元件、光学放大成像单元和光学图形/图像传感器；

所述的条纹光学元件放置在上待测物体上，且刻有间距D的条纹，刻的条纹总宽度大于待测位移量；

所述的同轴照明光源的光经分光光学元件分光后，照射在条纹光学元件的条纹上，使条纹经所述的光学放大成像单元成像在所述的光学图形/图像传感器上，且该光学图形/图像传感器每次采集数据至少包含二根条纹的数据。

所述的光学放大成像单元至少由同光轴的两级光学放大成像单元组成，光学放大倍率β为一级光学放大成像单元放大倍率和二级光学放大成像单元放大倍率之积。

所述的条纹光学元件移动位移ΔL，所述的光学图形/图像传感器识别某一根条纹轮廓中心位置变化量ΔP，即ΔL＝ΔP/β。

所述的分光光学元件置于所述的一级光学放大成像单元和二级光学放大成像单元之间，同轴照明光源经分光光学元件分光后，通过一级光学放大成像单元对所述的条纹光学元件照明，形成柯拉照明方式。

所述的分光光学元件置于所述的二级光学放大成像单元和光学图形/图像传感器之间，同轴照明光源经分光光学元件分光后，依次经所述的二级光学放大成像单元和一级光学放大成像单元对所述的条纹光学元件照明，形成临界照明方式。

所述的条纹光学元件的条纹间距D为0.5微米～10微米。

所述的光学放大成像单元的总放大倍率为100～1000倍。

另一方面，本发明还提供一种基于光学成像传感的纳米位移测量方法，该方法包括如下步骤：