[发明专利]一种光学位移传感器及光学位移检测系统

说明书

本发明公开了一种光学位移传感器，包括按照同一中心线依次设置的：光源模块，用于产生非均匀光场；可移动定位标尺，其上设有周期性微纳结构，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；成像模块，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；成像探测器，用于将所述远场成像图的光场强度转化成电信号，以实现位移测量。本发明提供的光学位移传感器同时实现了大量程、高精度的位移测量要求，且具有非接触、稳定度高等优点，能够广泛应用于超精密位移测量和超精密加工制造等领域。

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种光学位移传感器及光学位移检测系统。

背景技术

位移传感器是一种感知相对位移量大小的传感器件，已广泛应用于机械加工、精密制造和工业自动化等领域。传统的位移传感器根据其工作原理，可大致分为应变式位移传感器、磁致伸缩位移传感器和光栅位移传感器。其中，应变式位移传感器主要利用金属的电阻应变效应，根据电阻值的变化计算相应的形变量和位移量，由于其有较大的非线性，因此重复定位精度只能做到数十微米。磁致伸缩位移传感器主要利用磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置，其重复定位精度通常可达到微米级别。而光栅位移传感器是利用测量光栅与参考光栅形成的莫尔条纹的变化来检测位移的大小，其最高重复定位精度可达到亚微米级别。

随着对精密加工和精细测量需求的大幅提升，人们对位移测量的精度和范围要求也越来越高。例如，在微纳光学器件的加工过程中，设计的微纳结构尺寸通常为工作波长的十分之一甚至更小，因此其加工精度就需要达到甚至优于纳米尺度。再比如在超分辨光刻的套刻工艺中，重复定位精度需要远小于光刻中的最小特征尺寸，因此纳米级的重复定位精度也是最基本的要求。近年来，基于压电陶瓷的位移传感器和位移控制系统受到了广泛关注，其利用陶瓷材料的电致伸缩特性，可实现纳米级以下的定位精度。然而压电陶瓷材料的位移测量范围通常仅在百微米量级，测量范围非常有限。

综上，现有的位移传感器受限于灵敏度、重复定位精度或者测量范围等因素，已无法满足对实际需求。因此，设计一种测量范围广且精度高的位移传感器对超精密加工和超精密测量具有极其重要的作用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光学位移传感器及光学位移检测系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种光学位移传感器，包括按照同一中心线依次设置的：

光源模块，用于产生非均匀光场；

可移动定位标尺，其上设有周期性微纳结构，用于在所述非均匀光场的照射下产生表面等离子波，并相互干涉形成近场干涉图像；

成像模块，用于将所述近场干涉图像转化成远场成像图；

成像探测器，用于将所述远场成像图的光场强度转化成电信号，以实现位移测量。

在本发明的一个实施例中，所述光源模块包括激光光源和聚焦物镜，所述激光光源用于产生非均匀入射光；所述聚焦物镜用于对所述非均匀入射光进行聚焦处理以形成会聚的非均匀光场。

在本发明的一个实施例中，所述聚焦物镜的结构可变，以便于形成光斑大小不同的非均匀光场。

在本发明的一个实施例中，所述可移动定位标尺包括透光基底和位于所述透光基底上的金属薄膜，所述周期性微纳结构位于所述金属薄膜上；所述金属薄膜与所述透光基底的接触面在所述可移动定位标尺移动过程中始终位于所述聚焦物镜的焦平面，且同时位于所述成像模块的焦平面处。

在本发明的一个实施例中，所述透光基底的材料为石英或者玻璃。

在本发明的一个实施例中，所述微纳结构包括若干纳米刻线对，所述纳米刻线对以微米量级的周期依次排列在所述金属薄膜上。

在本发明的一个实施例中，所述金属薄膜的材料为金或者银。