本发明专利技术公开了一种基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量方法，包括光源对准、超表面反射和反射光接收三个部分，光源对准的过程利用了超表面结构对可见光波段和近红外波段均存在吸收的特性，光频梳作为宽带光源，在一定程度上包含了超表面的特征吸收波段，通过与可见光经分束器混频之后作为光源输出，实现了可视化的激光光源对准过程；光源经准直镜准直后照射到超表面的结构上，由于结构之间存在差异性，对光频梳的吸收也会有所不同，在近红外相机成像的结果中体现为结构的亮度变化，超表面安装在待测机构表面，电动操纵转台用于精确的控制待测机构发生微角度的变化，电动转台的数值用作标定时的参考值；利用远心镜头接收超表面反射后的光路，再通过近红外相机进行成像，最后经过图像处理实现了待测机构在微角度上的精密测量。本发明专利技术利用了频率选择超表面的对特定波长的吸收特性，将待测机构微角度的变化转化为视觉成像中灰度值的变化，实现了对待测机构的单点多轴微角度检测。本发明专利技术能有效解决空间定位、机床校准、精密仪器、MEMS(微机电系统)器件检测等各种科学研究和工业领域的问题，有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量
[0001]本专利技术属于几何量测量领域，具体涉及一种基于频率选择超构表面的单点微角度精密测量。
技术背景
[0002]使用光学方法对一些小位移、小角度等几何量的精确测量是许多研究领域所必备的一个环节，例如MEMS器件检测、半导体工业、超分辨率显微镜、引力波探测等，为了实现更高精度的几何量测量，一辈又一辈的人做出了不懈的努力。在半导体工业和超分辨率显微镜中，放置位移传感器的空间是相当有限的，这就导致了已有的测量方法很难满足测量范围、测量精度等需求。频率选择超表面是用亚波长的结构单元实现对波束的波前控制和引导，其制造与半导体光刻工艺息息相关，可以很容易的实现更小尺寸的器件制造，而且基于超表面的测量方法能很好地解决诸多传统测量的弊端，例如可以实现光学非接触式测量，与传统测量方法相比，能有效减少空气扰动或仪器振动对测量结果造成的影响。
技术实现思路
[0003]为了克服上述技术中的问题，本专利技术提供一种基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量。利用光学频率梳和可见光源进行混频，克服了激光光源对准的不可视化的缺点，准确的找到了经过超表面反射后的反常光路，利用了频率选择超表面对特征波段的吸收特性，构建了待测器件角度变化量与图像之间的联系，利用视觉算法，对图像进行处理提取，利用高精度电动转台，实现了待测器件角度的测量标定。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是：基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量，包括：
[0005]光源对准模块，所述光源对准模块用于实现可视化的激光光源对准，包括可见光光源、光学频率梳、分束器、准直镜头；
[0006]超表面反射模块，所述超表面反射模块用于接收经准直后的混合光源，并能够进行结构的反射和待测器件的角度调节，包括超表面、待测器件、高精度电动转台、软件控制；
[0007]反射光接收模块，所述反射光接收模块用于接收经超表面结构所反射后的光，并进行成像，包括远心镜头、近红外相机、图像处理算法；
[0008]所述光源对准模块中的可见光光源与光学频率梳首先经过分束器进行混频输出得到可视化激光对准过程中的光源，再经过准直镜头准直后输出到超表面反射模块中的超表面结构上，超表面结构是安装在待测机构上的，经过超表面结构反射出去的光传入反射光接收模块中的远心镜头，最终在近红外相机中成像；使用高精度电动转台对待测器件进行角度调节，就能够得到调节前后的两幅存在微小差异的图像，使用图像处理算法找出两幅图像的灰度值信息，再利用高精度转台的实际值进行标定，实现了对待测器件的微角度检测。
[0009]进一步地，所述的激光光源对准模块在经过可见光光源、光学频率梳混频后，需要
先将光源粗略打在结构上，然后调节近红外相机为低增益、低曝光时间，将光斑对准结构后，再调高增益和曝光时间，然后调节光源俯仰角度使其发生一定的偏转，最后将视场下移找到结构的反射光路。所采用的光频梳为宽带光源，其包含的频率范围应与超表面的特征吸收频率相重叠，在频域范围内，设置光频梳的初始偏置频率为f
ceo
，那么光频梳所包含的梳齿频率可以表示为：
[0010]f
n
＝nf
rep
+f
ceo
ꢀꢀꢀ
(1)其中，f
n
表示第n根梳齿的频率，f
rep
代表重复频率。本专利技术必须选择与超表面特征吸收波长相匹配的光频梳，这样可以在最大程度上观察到超表面的吸收情况，从而在近红外成像上有更显著的灰度值的改变。
[0011]进一步地，所述的超表面具有对特征波段内不波长有不同程度的吸收特性，所使用的超表面阵列由于内部结构的不同，对光学频率梳的吸收性能也存在一定的差异，这就导致了近红外相机成像后的图像存在明暗变化；通过软件控制高精度转台让待测机构发生位姿的改变时，结构反射的图案几乎不发生移动，但分析此时的像素灰度值仍可以实现位姿变化的分析计算，能够实现高精度的测量，根据实验情况，角度测量分辨力可以达到0.0005
°
以上。
[0012]进一步地，待测器件位姿精密测量的过程是利用了改变超表面的结构的位置，从而得到原始位置和改变之后的两幅图像，为了实现待测机构多自由度的参数测量，可以采用多片超表面相互结合的方法，能突破单片测量的局限性，通过图像处理算法将位姿改变前后两幅图像的像素值转换为每个自由度上参数的变化量，再通过高精度转台数值进行标定，从而可以实现了待测机构的高精度多自由度测量。
[0013]本专利技术的有益效果是：
[0014]本专利技术提出基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量，利用频率选择超表面对特征波段的吸收特性，实现了可视化的激光对准过程；频率选择超表面采用的是亚波长结构单元，使用刻蚀技术进行加工，在尺寸上，满足了测量空间上的限制；所提出的测量方法，还可以进一步的考虑采用多片超表面，通过图像处理技术精确的定位到每一个自由度上各参数的变化量，改善了光学干涉仪对横向位移不敏感、测量精度受空气扰动和仪器振动的缺陷；在本专利技术实施例中，通过给定一个极小的角度变化量，也能通过图像处理分辨出该变化，根据实验情况，角度测量分辨力可以达到0.0005
°
以上。
附图说明
[0015]图1为本专利技术基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量示意图；
[0016]图2为本专利技术实施例对超表面亚波长单元的仿真示意图；
[0017]图3为本专利技术实施例对超表面单元的电磁场仿真示意图，电场分布图(左)单元Z轴切面图(右)；
[0018]图4为本专利技术实施例所加工的超表面在电镜扫描下的单元结构示意图；
[0019]图5为本专利技术实施例中超表面的刻蚀加工示意图，凹槽截面呈现梯形示意图(左)，单元剖面图(右)；
[0020]图6为本专利技术实施例中对超表面单元加工偏差的仿真结果示意图；
[0021]图7为本专利技术实施例中拍摄的近红外相机下经特征吸收后的超表面图案；
[0022]附图标注：
[0023]1‑‑
光源对准模块
ꢀꢀꢀꢀꢀ
11
‑‑
可见光源
[0024]12
‑‑
光学频率梳
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
13
‑‑
分束器
[0025]14
‑‑
准直镜头
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2‑‑
超表面反射模块
[0026]21
‑‑
超表面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
22
‑‑
待测器件
[0027]23
‑‑
高精度电动转台
ꢀꢀ
24
‑‑
软件控制
[0028]3‑‑
反射光接收模块
ꢀꢀꢀ
31
‑‑
远心镜头
[0029]32
‑‑
近红外相机
ꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量，其特征在于，包括：光源对准模块(1)，光源对准模块(1)用于实现可视化的激光光源对准，包括可见光光源(11)、光学频率梳(12)、分束器(13)、准直镜头(14)；超表面反射模块(2)，所述超表面反射模块(2)用于接收经准直后的混合光源，并能够进行结构的反射和待测机构的微角度调节，包括超表面(21)、待测机构(22)、高精度电动转台(23)、软件控制(24)；反射光接收模块(3)，所述反射光接收模块(3)用于接收经超表面结构所反射后的光，并进行成像，包括远心镜头(31)、近红外相机(32)、图像处理算法(33)；所述光源对准模块(1)中的可见光光源(11)与光学频率梳(12)首先经过分束器(13)进行混频输出得到可视化激光对准过程中的光源，再经过准直镜头(14)准直后输出到超表面反射模块(2)中的超表面(21)结构上，超表面(21)结构是安装在待测机构(22)上的，经过超表面结构反射出去的光传入反射光接收模块(3)中的远心镜头(31)，最终在近红外相机(32)中成像；使用高精度电动转台(23)对待测机构进行微角度调节，就能够得到调节前后的两幅存在微小差异的图像，使用图像处理算法(33)找出两幅图像的灰度值信息，再利用高精度转台的实际值进行标定，实现了对待测机构(22)的微角度检测。2.根据权力要求1所述的基于频率选择超构表面的单点多轴微角度精密测量，其特征在于，所述的激光光源对准模块(1)在经过可见光光源(11)、光学频率梳(12)混频后，需要先将光源粗略打在结构上，然后调节近红外相机(32)为低增益、低曝光时间，将光斑对准结构后，再调高增益和曝光时间，然后调节光源俯仰角度使其发生一定的偏转，最后将视场下移找到结构的反射光路。所采用的光频梳为宽带光源，其包含的频率范围应与超表面的特征吸收频...
【专利技术属性】
技术研发人员：张福民，张先锋，谷望航，曲兴华，金兵，胡申博，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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