[发明专利]一种基于微透镜莫尔成像的精密微位移检测装置及方法

说明书

一种基于微透镜莫尔成像的精密微位移检测方法和装置，其特征在于，包括检测台以及微位移记录装置；所述微位移记录装置包括莫尔图像形成机构、图像记录机构以及上位机；其中，所述莫尔图像形成机构包括位于所述检测台上的微图文阵列以及与所述微图文阵列相对设置的微透镜阵列；所述微透镜阵列设于所述图像记录机构朝向微图文阵列一侧，所述图像记录机构连接所述上位机，所述图像记录机构将记录的图像传输于所述上位机，所述上位机对于图像提取移动的微位移。利用莫尔放大图像作为检测标志，能够同时探测(x,y,θ,z)四个维度的微小位移。

技术领域

本发明涉及一种基于微透镜莫尔成像的精密微位移检测装置及方法，基于微透镜莫尔成像原理，由图像传感元件、微透镜阵列和微图像阵列构成，同时实现多维(x,y,θ,z)精密检测，在工作平面的三个维度上的精度可达到亚微米级。该方法和装置可用于微纳米器件加工、技术领域。

背景技术

科技的进步以及精密制造业的迅速发展对位移测量的分辨力和准确度提出了更高要求。微小位移的检测手段越来越多，测量准确度也不断提高。目前，高分辨率微位移测量技术主要分为光学和非光学两类测量技术。其中，光学测量技术可分为激光三角测量、光杠杆法、光栅尺测量法、光纤位移测量法和激光干涉法等，测量分辨率在几十皮米到几纳米之间。非光学测量技术包含电学、显微镜法等，如电阻法、电容和电感法以及电涡流法。电容和电感法发展迅速，较为常用。三端电容传感器可测出5×10^－5μm的微位移。显微镜测量技术主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜和扫描探针显微镜(包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜)等。

激光干涉位移测量技术以其独特优势已成为高分辨率位移测量的最实用工具之一。激光干涉位移测量技术的主要发展方向：①亚纳米量级以上高分辨率。当前激光干涉位移测量技术遇到的一个普遍问题是，作为溯源手段，扫描探针显微镜等测量手技术比现有最好干涉仪的准确性至少高一个数量级，即现有的计量设备无法满足实际的标定和校准需求，因此具有亚纳米甚至更高分辨力新型位移测量技术的发展是大势所趋。②改进已有测量技术的同时，进一步改进和完善已有干涉仪的结构和性能。③解决高分辨力与大测量范围之间的矛盾。未来的位移测量要求在数十毫米以上的范围内达到亚纳米级以上分辨率，依靠单一的测量方法难以实现。结合多种测量方法以弥补各自的不足是解决矛盾的突破口。

1972年，M.C.King和D.H.Berry首先提出莫尔条纹技术应用于光刻平台微位移对准。利用周期稍有不同的圆光栅或菲涅尔线波带片作为掩模和基片的对准标记。其对准原理是：入射光经掩模、基片再到掩模发生三次衍射后方可观察到清晰衍射莫尔条纹，通过光电位置探测器采集图像信号，送往主控制机进行识别，移动高精度的工件台确定对准点。后来，又发展出光栅尺测量。它的基本原理是：标尺与扫描掩模之间的相对移动，在光源照射下形成莫尔条纹，莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号，就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法，得到不同测量步距的计数脉冲信号。计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。光栅尺测量的最大允许移动速度是由光栅尺的输出频率及光栅扫描信号的信号周期决定。Shien Ri等人又提出利用数字相机和重复排列的图案实现全场的1/1000周期的光学精密位移测量(S.Ri,S.Hayashi,S.Ogihara,andH.Tsuda,Accurate full-field optical displacement measurement technique usinga digital camera and repeat patterns,Optics Express,22(8),9693-9706,2014.),测量精度已达0.1um，已成为微位移测量领域各工业化国家竞争的关键技术。它的应用非常广泛，几乎渗透到社会科学中的各个领域，如机床行业、计量测试部门、航空航天航海、科研教育以及国防等各个行业部门。