[发明专利]一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法

权利要求书

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。