本實用新型涉及微位移檢測技術領域，具體涉及一種高精度大量程雙層納米光柵微位移檢測裝置。

背景技術：

矢量衍射理論是分析光柵衍射特性的方法之一，它給出光柵衍射特性的精確解，經(jīng)過二十年的發(fā)展較為成熟，分為兩類：積分方法和微分方法。積分方法適用具有連續(xù)面型的光柵衍射特性分析，求解過程復雜，而微分方法更適用具有不連續(xù)的、離散的面型特征的光柵衍射特性分析，求解過程較為簡單。微分方法主要包括嚴格耦合波理論(Rigorous Coupled-Wave Analysis，RCWA)和模態(tài)法(Modal Method)這兩種。嚴格耦合波理論(RCWA)使用數(shù)值和初等數(shù)學計算，不需要復雜的數(shù)值技術，以簡單和通用的優(yōu)點獲得了廣泛的應用。

高精度微位移測量技術已成為現(xiàn)代工業(yè)測量技術的重要發(fā)展方向和測量領域內的研究熱點。光柵位移測量技術以其低成本、高穩(wěn)定性、高分辨力的特點廣泛地應用于各種高精度微位移測量領域。1995年，M.G.Moharam首次運用嚴格耦合波理論，以TE波和TM波為例討論了衍射光柵在激光陣列照射下的反射和透射特性，證明了利用嚴格耦合波理論分析光柵的可行性，為光柵傳感器的研制奠定了理論基礎。

目前的光柵位移傳感器以莫爾條紋位移傳感器為主，但是莫爾位移傳感器采用柵距較大的光柵，分辨率難以提高，體積較大，難以應用在微納結構中測量面內運動的微位移。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本實用新型設計了一種高精度大量程雙層納米光柵微位移檢測裝置，對雙層光柵結構的關鍵尺寸進行了改良，設計的光柵周期為納米級別，與現(xiàn)有微米級的光柵周期相比，其光柵周期更小，提高了光柵檢測微位移的精度，將多個納米光柵拼接，增大了微位移檢測裝置的量程，固定納米光柵面積是可動納米光柵單個區(qū)域面積的兩倍，可動納米光柵單個區(qū)域間的面積為單個納米光柵的面積；設計細分電路，提高微位移檢測裝置的分辨率。本實用新型中，電源、激光陣列、光電探測器陣列、可動納米光柵陣列、固定納米光柵、導軌的整體安放結構緊湊，微型化程度高，實用性更強，可應用在MEMS相關領域。

本實用新型提供一種高精度大量程雙層納米光柵微位移檢測裝置。

本實用新型使用嚴格耦合波理論(RCWA)作為光柵衍射特性的分析理論，主要包括以下三個步驟：

1)根據(jù)麥克斯韋方程組，分別給出入射區(qū)、透射區(qū)和光柵區(qū)電磁場的表達式，對光柵區(qū)的介電常數(shù)以及各區(qū)電磁場進行展開；

2)利用麥克斯韋方程組求解光柵區(qū)內電場和磁場的耦合關系，建立耦合波方程組；

3)在入射區(qū)和光柵區(qū)的邊界以及光柵區(qū)和透射區(qū)的邊界，利用電磁場邊值條件，求解各衍射級次的衍射光的振幅和衍射效率。

雙層納米光柵微位移檢測裝置的分析理論也是基于嚴格耦合波理論的。

具體技術方案如下：一種高精度大量程雙層納米光柵微位移檢測裝置，所述微位移檢測裝置包括：能將位移物理信號轉化為初級電信號的位移傳感模塊、能將初級電信號轉化為可讀信號的處理單元、能將可讀信號顯示的顯示單元，所述位移傳感模塊通過所述處理單元連接所述顯示單元；

所述位移傳感模塊包括一能相對移動的雙層納米光柵，所述雙層納米光柵包括可動納米光柵陣列、固定納米光柵,所述固定納米光柵相對所述顯示單元固定。

所述可動納米光柵陣列固定設置在被測量物體的位移敏感端，并能相對所述固定納米光柵在一導軌上移動；

所述可動納米光柵陣列由多個納米光柵區(qū)域拼接而成；

所述處理單元包括一細分電路，所述細分電路可提高該光電探測器陣列輸出信號的分辨率。

所述固定納米光柵的光柵面積為所述光柵區(qū)域的兩倍，并所述光柵區(qū)域間的間距面積與所述光柵區(qū)域相等。

所述可動納米光柵陣列和所述固定納米光柵的柵面相互平行設置，并所述可動納米光柵陣列的柵線平行排列。

進一步地，所述位移傳感模塊還包括光電探測器陣列、激光陣列，所述光電探測器陣列、所述激光陣列均設置在所述固定納米光柵的中心軸線上，所述中心軸線為垂直于所述可動納米光柵陣列運動方向的中心軸線，并所述激光陣列發(fā)射出的光線可穿過所述雙層納米光柵到所述光電探測器陣列。

進一步地，所述可動納米光柵陣列和所述固定納米光柵的光柵周期Λ取值區(qū)間為750nm-850nm，占空比r取值范圍為0.48-0.52，光柵厚度d取值范圍為350nm-450nm。

進一步地，所述激光陣列的入射光波長λ為800nm-900nm。

進一步地，所述可動納米光柵陣列和所述固定納米光柵的間距g取值區(qū)間為150nm-170nm。

進一步地，所述處理單元還包括光學信號、放大電路、整形電路、A/D轉換電路、單片機處理電路、數(shù)顯電路。

進一步地，所述激光陣列與一電源連接。

本實用新型的有益效果為：本實用新型對雙層光柵結構的關鍵尺寸進行了改良，設計的光柵周期為納米級別，與現(xiàn)有微米級的光柵周期相比，其光柵周期更小，提高了光柵檢測微位移的精度，將多個納米納米光柵拼接，大大增加了微位移檢測裝置的量程；設計細分電路，提高微位移檢測裝置的分辨率，整體結構緊湊，微型化程度高，實現(xiàn)了對面內運動的測量，實用性更強，可應用在MEMS相關領域。

附圖說明：

附圖標號：1-光電探測器陣列；2-可動納米光柵陣列；201-區(qū)域光柵；3-固定納米光柵；4-激光陣列；5-外框；6-鍵合基板；7-基板；8-光學信號；9-放大電路；10-整形電路；11-細分電路；12-A/D轉換電路；13-單片機處理電路；14-數(shù)顯電路；15-顯示單元；16-導軌；

圖1為本實用新型雙層納米光柵微位移測量裝置的整體結構示意圖；

圖2為本實用新型雙層納米光柵微位移檢測裝置面內運動微位移檢測原理圖；

圖3為本實用新型雙層納米光柵微位移檢測裝置納米光柵陣列光柵參數(shù)標注圖；

圖4為本實用新型雙層納米光柵微位移檢測裝置電路連接圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

相反，本實用新型涵蓋任何由權利要求定義的在本實用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本實用新型有更好的了解，在下文對本實用新型的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本實用新型。

如圖1所示為本實用新型光柵微位移檢測裝置的整體連接圖，一種高精度大量程雙層納米光柵微位移檢測裝置，所述檢測裝置包括位移傳感模塊，所述位移傳感模塊包括光電探測器陣列1、可動納米光柵陣列2、固定納米光柵3、激光陣列4，所述光電探測器陣列1、所述可動納米光柵陣列2、所述固定納米光柵3、所述光源4均設置在所述檢測裝置中軸線上，該中軸線為垂直于所述可動納米光柵陣列運動方向的中軸線，也可以理解為，所述光電探測器陣列1、所述可動納米光柵陣列2、所述固定納米光柵3、激光陣列4均設置在一條直線上，該直線與所述可動光柵陣列的運動方向垂直。如附圖1中示出中軸線的上下對應設置，使光源4發(fā)出的射線可穿過該圖中的所述可動納米光柵陣列2和所述固定納米光柵3，并射向該光電探測器陣列，附圖1中示出的該可動納米光柵陣列2固定在待測裝置的位移敏感端，可以在一導軌16上運動，并與所述固定納米光柵3平行設置；

應當指出的是，所述可動納米光柵陣列2由多個納米光柵區(qū)域201拼接而成，以增大該檢測裝置的量程，并多個所述光柵區(qū)域201間留有間距面積，此處的間距面積指以相鄰光柵區(qū)域201的平行兩邊長及間距所界定的面積。

所述固定納米光柵3的光柵面積為所述光柵區(qū)域201的兩倍，并所述光柵區(qū)域201間的間距面積與所述光柵區(qū)域201相等，在此對該光柵區(qū)域201的面積大小不做具體限定。

如圖2所示為本實用新型光柵微位移檢測裝置的總體結構示意圖，所述可動納米光柵陣列2固定在被測量物體位移敏感端，并可隨被測量物體發(fā)生微小位移移動，所述固定納米光柵3設置在所述可動納米光柵陣列2的一側，并固定在一基板7上，所述可動納米光柵陣列2另一側設置所述光電探測器陣列1，并所述光電探測器陣列1設置多個，所述激光陣列4設置在所述固定納米光柵3的一側，并相反于設置所述可動納米光柵陣列2的一側；

需要補充說明的是，所述基板7上，相反于朝向所述激光陣列4一側面上，還設置外框5、鍵合基板6，所述外框5通過所述鍵合基板6固定連接所述基板7；

所述光電探測器陣列1、所述固定納米光柵3、所述激光陣列4均相對固定設置，所述可動納米光柵陣列2相對所述固定納米光柵3可移動，并可隨被測量物體敏感端發(fā)生微小位移；

所述激光陣列4的輸出端與所述光電探測器陣列1的接收端對應設置，使所述激光陣列4的輸出端發(fā)射出的光線能穿過所述固定納米光柵3、所述可動納米光柵陣列2到達所述光電探測器陣列1的接收端；

需要具體說明的是，所述可動納米光柵陣列2和所述固定納米光柵3的柵面相互平行設置，根據(jù)需要可拼接N(N≥1)個相同的納米光柵，并所述可動納米光柵陣列2的柵線平行排列。

以下結合附圖2對本實用新型做進一步說明：

如附圖2所示的為本實用新型微位移檢測裝置面內運動時微位移檢測原理圖，所示激光陣列4、所述固定納米光柵3、所述可動納米光柵陣列2及所述光電探測器陣列1均如上述位置關系排列，當上述位移敏感端帶動所述可動納米光柵陣列2做面內運動時，由所述激光陣列4發(fā)射的光線穿過所述可動納米光柵陣列2、所述固定納米光柵3的光線發(fā)生衍射，使光電探測器陣列1的電學輸出量相應變化，并將此變化以電學信號的方式輸出。此時，納米光柵的入射光波長λ為800nm-900nm，

需要重點注意的，如附圖3所示出的為可動納米光柵陣列和固定納米光柵的結構參數(shù)，本實用新型中所述可動納米光柵陣列2和所述固定納米光柵3的材料均為硅，其光柵周期和間距均為納米級，且其光柵周期Λ取值區(qū)間為750nm-850nm，占空比r取值范圍為0.48-0.52，光柵厚度d取值范圍為350nm-450nm，并所述可動納米光柵陣列2和所述固定納米光柵3的間距g取值區(qū)間為150nm-170nm，該處的間距g是指所述可動納米光柵陣列2和所述固定納米光柵3相對面之間的垂直距離)微位移檢測裝置中，通過簡單光柵區(qū)域疊加原理，長度就可以將普通位移檢測的量程擴大至數(shù)倍。

光柵周期和間距納米級的設置大大提高了物理位移檢測精度，超過現(xiàn)有光柵位移傳感器，使微位移檢測裝置同時解決了量程擴大和精度提高的問題。

通過雙層納米光柵的波長漂移量可計算出待測量物體的位移，即所測物理位移信號；納米光柵溫度變化同時敏感，該微位移檢測裝置中的可動納米光柵陣列2和固定納米光柵3處于同一環(huán)境溫度場中，因此由溫度變化所引起的兩個光纖光柵波長的變化是相等的，故對該間距g取值不產(chǎn)生影響，且操作簡單，性能穩(wěn)定、可靠、精度高，保證了其在不同溫度場中的檢測精度。

如圖4所示為本實用新型微位移檢測裝置的電路連接圖，所述位移檢測裝置還包括處理單元、顯示單元15，所述位移傳感模塊通過所述處理單元連接所述顯示單元15；

所述光電探測陣列1可探測一光感信號，該信號從激光陣列4發(fā)出，穿過可動納米光柵陣列2、固定納米光柵并被所述光電探測陣列1接收，并將此探測信號傳送到該處理單元。

所述處理單元包括光學信號8、放大電路9、整形電路10、細分電路11、A/D轉換電路12、單片機處理電路13、數(shù)顯電路14，所述光學信號8一端與所述光電探測器陣列1連接；

所述另一端依次連接所述放大電路9、所述整形電路10、所述細分電路11、所述A/D轉換電路12、所述單片機處理電路13、所述數(shù)顯電路14，所述數(shù)顯電路14與所述顯示單元15連接；

所述顯示單元15為一數(shù)顯表，或其它可顯示該位移數(shù)值的裝置，該顯示單元作為現(xiàn)有技術中的常規(guī)技術手段不做具體限定。

本實用新型的工作原理為：光線通過雙層納米光柵，當位移敏感端感測到物理微位移信號輸入時，即帶動可動納米光柵陣列做面內運動，此時，可動納米光柵陣列和固定納米光柵之間發(fā)生了水平相對微位移，并導致零級衍射光線透射效率的劇烈變化；設置在該激光陣列輸出端對側的光電探測器陣列檢測到該變化，并通過初級電信號的方式傳送給處理單元，該處理單元對此初級信號進行整理，通過放大、整形、細分、A/D轉換后進入單片機處理電路中進行數(shù)據(jù)分析和處理，得到可讀信號，最后通過顯示單元將測得的可讀信號輸出并顯示。

需要補充的，處理單元中細分電路的增加，提高了對初級電信號的分辨率，同樣大大增加了該微位移檢測裝置精度。

對于本領域的普通技術人員而言，根據(jù)本實用新型的教導，在不脫離本實用新型的原理與精神的情況下，對所述檢測裝置結構所進行的改變、修改、替換和變型仍落入本實用新型的保護范圍之內。