一种用于光栅光波导的快速检测装置及其检测方法与流程

1.本发明涉及ar应用技术领域，具体涉及一种用于光栅光波导的快速检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)是一种将现实世界信息和虚拟世界信息叠加后通过透明或半透明的显示装置投射至人眼的技术。由于ar技术能够对真实环境信息进行增强输出，其在军工、三维建模、实时跟踪、医疗技术等方面具有广泛的应用。目前的ar技术根据设计方式的不同，可以分为衍射光学类光波导和几何光学类光波导。根据加工方式的不同，衍射光栅光波导可分体全息光栅光波导和浮雕光栅光波导两种，体全息光栅采用干涉曝光的方法进行加工，浮雕光栅光波导采用纳米压印的方法进行加工。体全息光栅的加工难点主要在记录材料的合成，浮雕光栅的加工难点主要在结构的转印上。
3.在浮雕光栅的制作过程中，浮雕光栅主要用到的微纳加工技术有光刻/电子束直写、纳米压印技术。工艺的制作工序大致通过母模板制作、母模板钝化处理、子模板制作、子模板钝化处理及压印来完成，在母模板制作、子模板制作、压印三个工序中容易因为工艺和机器的因素，引入结构的局部微变形，例如周期的改变。在微纳工艺中，局部结构的微变形由于检测目标区域的面积过小而难以通过检测设备(扫描电镜，afm)检测出来，且通过这些设备检测时，样品均需要作裂片处理，这样就会导致在检测过程浪费样品。在产品量产时，不良品若通过裂片检测结构参数来对标，也会大大的降低量产时的效率。


技术实现要素：

4.为解决上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种用于光栅光波导的快速检测装置，通过该装置可快速检测出波导片结构中微小的周期变化，这种装置不仅可以加速产品化的检测流程，快速找到波导片变形的区域，还可以减少工艺检测流程中的样品浪费。
5.本发明的另一目的是提供一种用于光栅光波导的快速检测装置的检测方法。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于光栅光波导的快速检测装置，包括自左至右依次设置的激光器、透镜、物镜、电动位移台及探测器，所述透镜和物镜组成准直光学系统，所述电动位移台用于放置和调整待测波导片x-y方向的位置，所述激光器射出光线后沿准直光学系统传递至待测波导片表面，待测波导片反射到的光传递至探测器；所述电动位移台和探测器通过labview系统控制，电动位移台沿单一方向调制距离，每相隔一定距离，探测器采集一张数据。
7.上述用于光栅光波导的快速检测装置的检测方法，通过以下步骤来实现：
8.1)根据光栅方程其中dx为待测
波导片沿x方向的光栅周期，dy为待测波导片沿y方向的光栅周期，为入射光的入射角，为衍射角，m为衍射级次，k0为空气中的波矢，n为衍射层的折射率，n0为入射层的折射率；结合探测器的测量数据和光栅方程，能够计算出沿x方向的光栅周期dx和沿y方向的光栅周期dy；
9.2)测试时，待测波导片放置在电动位移台上，电动位移台和探测器的联动通过labview系统控制，使得电动位移台朝一个方向以一定速率移动，在相同时间内探测器采集多张数据；
10.3)将采集到的多张数据存储至计算器固定位置，并按顺序进行序列编号；
11.4)启动后处理程序：根据步骤1)中的光栅方程计算每张采集数据对应的周期和光斑的强度，并计算每个扫描点的周期误差；
12.5)将结果返回操控界面，根据周期的差异性和光斑强度的变化来快速判定检测样品是否结构存在缺陷；若设计周期相同的光栅区域在加工时引入相邻周期上的加工误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，光斑在探测器面元上的位置分布会发生沿x方向偏移；若加工周期没有误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，探测器面元探测到的光斑强度有所变化，则可粗略判定激光所扫描的光栅区域与上一个扫描区域的其它结构尺寸发生改变。
13.通过上述技术方案，在实际检测中，以一光栅波导为例，在测试波导片时，入射角为(0
°
，0
°
)，探测器面元距离波导片的距离为h，通过探测器的采集数据，可以测出0级光斑和1级光斑的距离l，通过公式θ＝arctan(l/h)可以算出衍射极角，代入光栅方程中则可以得出相应方向的光栅周期。
14.据此在检测中可以通过光栅方程先计算出光栅周期，再与设定的光栅周期进行对比，如果数据接近，表明该光路装置无误，可以用于检测光栅周期的差异性；如果计算出的周期没有变化，在模拟仿真下改变光栅的占空比和高度，仍旧能探测出较为明显的光斑强度变化，那么就可以快速判定光栅的其他结构尺寸是否有发生变化，快速找到波导片变形的区域，能够有效减少工艺检测流程中的样品浪费。
附图说明
15.下面结合附图及实施例，对本发明的结构和技术特征作进一步描述。
16.图1是本发明中所述快速检测装置的结构示意图。
17.图2是图1中待测波导片光栅区域在xy方向的位置示意图。
18.图3是激光打到待测波导片光栅a点后在探测器面元上得到的多个图案示意图。
19.图4是激光对光栅各点进行扫描时光斑的位置偏移示意图。
20.图5是本发明中通过实施例算出光栅周期的示意图。
21.图6是本发明中实现快速监测有结构缺陷功能的底层逻辑示意图。
22.图7是光栅区域周期在500mm和480mm时探测器探测到的图像。
23.图8是图7中对应不同周期的衍射光斑位置和强度。
24.参看附图1中，1.激光器，2.透镜，3.物镜，4.待测波导片，5.电动位移台，6.探测器。
具体实施方式
25.参看图1所示是本发明的一种实施例，公开了一种用于光栅光波导的快速检测装置，包括自左至右依次设置的激光器1、透镜2、物镜3、电动位移台5及探测器6，所述透镜和物镜组成准直光学系统，所述电动位移台用于放置和调整待测波导片4的x-y方向位置，所述激光器1射出光线后沿准直光学系统传递至待测波导片4表面，待测波导片4反射到的光传递至探测器6；所述电动位移台5和探测器6通过labview系统控制，电动位移台5沿单一方向调制距离，每相隔一定距离，探测器6采集一张数据。
26.如图1所示，从左至右，激光器1出射的光线经过准直光学系统2，3后行成准直光传播至待测波导片4的表面，在4的后方放置一探测器6，其中，5为调整待测波导片位置的x-y方向的电动位移台。
27.如图2所示，当激光打到光栅上某一固定位置a点时，在探测器6的面元中可以得到图3(2)的图案，打到其他的固定位置点后，光栅的光栅矢量方向不同，点的排布方向也会有所不同，如图3(1)和图3(3)所示。
28.此处假设激光照射至光栅平面上，投射到探测器面元上的光斑排布方向为图3(2)的方向，那么可以认为图中的e、f、g点分别为光栅衍射的-1级次、0级次、+1级次的聚焦光斑。
29.若设计周期相同的光栅区域在加工时引入了相邻周期上的加工误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，光斑在探测器面元上的位置分布会发生沿x方向偏移；
30.若加工周期没有误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，探测器面元探测到的光斑强度有所变化，则可粗略判定激光所扫描的光栅区域与上一个扫描区域的其它结构尺寸发生改变。
31.当激光对波导片某块光栅区域进行同一方向(沿光栅矢量方向)扫描时，如图2从a-b-c-d-e点，若a点和b点的周期不一致，则探测器探测到的图案不一致，光斑的位置会有横向位移，见图4。
32.在测试时，波导片放置在5上，电动位移台和探测器的联动通过labview控制，设定电动位移台沿单一方向调制距离，每相隔0.05mm的距离，探测器则采集一张数据。假设图2中a点所对应的采集数据为图4(a)，图2中b点对应的采集数据为图4(b)，则说明了相邻点周期发生了改变，针对此种周期改变，提出了一种与相机结合的算法，使相机能够实时监测此种变化，以及测量出周期的差异值。
33.根据光栅方程其中dx为沿x方向的光栅周期，dy为沿y方向的光栅周期，为入射光的入射角，为衍射角，m为衍射级次，k0为空气中的波矢，n为衍射层的折射率，n0为入射层的折射率。
34.如图5，以一维光栅波导为例，在测试波导时，入射角为(0
°
,0
°
)探测器面元距离波导片的距离为h，通过探测器的采集数据，可以测出0级光斑和1级光斑的距离l，通过公式θ＝arctan(l/h)可以算出衍射极角，代入光栅方程中则可以得出相应方向的光栅周期。
35.在本发明中，测试系统实现快速检测出有结构缺陷功能的底层逻辑可见图6。测试
时，待测波导片放置在电动位移台上，电动位移台和探测器的联动通过labview系统控制，使得电动位移台朝一个方向以一定速率移动，在相同时间内探测器采集多张数据。
36.之后将采集到的多张数据存储至计算器固定位置，并按顺序进行序列编号。
37.再者启动后处理程序，根据上述光栅方程计算每张采集数据对应的周期和光斑的强度，并计算每个扫描点的周期误差。
38.最后将结果返回操控界面，根据周期的差异性和光斑强度的变化来快速判定检测样品是否结构存在缺陷；若设计周期相同的光栅区域在加工时引入相邻周期上的加工误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，光斑在探测器面元上的位置分布会发生沿x方向偏移；若加工周期没有误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，探测器面元探测到的光斑强度有所变化，则可粗略判定激光所扫描的光栅区域与上一个扫描区域的其它结构尺寸发生改变。
39.为了验证本发明的正确性，本发明提供一个仿真实施例。根据本发明的光路装置，预先设定好光波导检测区域的周期，通过探测器探测的数据来逆向计算出对应的周期，预设周期和计算周期一致则得以验证本发明无误。本实施例以光栅光波导中的直光栅为例，将光波导所检测的光栅区域周期分别设置为500nm和480nm，光栅高度均为300nm，占空比均为50％，仿真波长为445nm，波导折射率为1.9，探测器距离波导片10mm，探测器探测到的图像如图7所示，对应的光斑中心位置和强度如图8所示。根据光路仿真的数据，从探测器中可以得到1级光斑和0级光斑的位置和光强数据分别如表1所示
40.表1
[0041][0042]
根据表格和预设的数据，代入θ的计算公式中，可得到480nm周期对应的1级衍射角为67.99
°
，500nm周期对应的1级衍射角为62.86
°
，并将角度分别代入光栅方程中，算出光栅的周期分别为479.99nm和500.06nm，接近仿真时输入的周期数据，得以验证光路装置无误，此发明可用于检测周期的差异性。
[0043]
另外，在周期保持为480nm的仿真设置下，分别改变光栅的占空比和高度，观测光斑的强度，数据见表2。
[0044]
表2
[0045][0046]
由表2数据可知，在周期不变时，占空比和高度发生改变，探测器仍能探测到较为明显的光斑强度变化。因此，此光路装置可以在判定周期无变化的基础上，可以快速判定光栅的其它结构尺寸是否有发生变化。
[0047]
此方法的同样适用：激光直接从耦入光栅入射，看耦出光栅的出射光线角度。
[0048]
此方法同样适用于普通光栅结构的检测。
[0049]
此方法同样适用于其它类型的光栅光波导，不仅只限于一维浮雕光栅光波导。

技术特征：
1.一种用于光栅光波导的快速检测装置，其特征在于：包括自左至右依次设置的激光器、透镜、物镜、电动位移台及探测器，所述透镜和物镜组成准直光学系统，所述电动位移台用于放置和调整待测波导片x-y方向的位置，所述激光器射出光线后沿准直光学系统传递至待测波导片表面，待测波导片反射到的光传递至探测器；所述电动位移台和探测器通过labview系统控制，电动位移台沿单一方向调制距离，每相隔一定距离，探测器采集一张数据。2.根据权利要求1所述的用于光栅光波导的快速检测装置的检测方法，其特征在于通过以下步骤来实现：1）根据光栅方程 ，其中dx为待测波导片沿x方向的光栅周期，dy为待测波导片沿y方向的光栅周期，（，）为入射光的入射角，（，）为衍射角，m为衍射级次，为空气中的波矢，n为衍射层的折射率，为入射层的折射率；该算法针对周期改变，与相机结合，通过探测器能够实时监测此种变化，同时计算出沿x方向的光栅周期dx和沿y方向的光栅周期dy；2）测试时，待测波导片放置在电动位移台上，电动位移台和探测器的联动通过labview系统控制，使得电动位移台朝一个方向以一定速率移动，在相同时间内探测器采集多张数据；3）将采集到的多张数据存储至计算器固定位置，并按顺序进行序列编号；4）启动后处理程序：根据步骤1）中的光栅方程计算每张采集数据对应的周期和光斑的强度，并计算每个扫描点的周期误差；5） 将结果返回操控界面，根据周期的差异性和光斑强度的变化来快速判定检测样品是否结构存在缺陷；若设计周期相同的光栅区域在加工时引入相邻周期上的加工误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，光斑在探测器面元上的位置分布会发生沿x方向偏移；若加工周期没有误差，当激光沿着同一方向对光栅进行扫描时，探测器面元探测到的光斑强度有所变化，则可粗略判定激光所扫描的光栅区域与上一个扫描区域的其它结构尺寸发生改变。3.根据权利要求2所述的用于光栅光波导的快速检测装置的检测方法，其特征在于：在实际检测中，在测试波导片时，设定入射角为（0
°
，0
°
），探测器面元距离波导片的距离为h，通过探测器的采集数据，可以测出0级光斑和1级光斑的距离l，通过公式=arctan(l/h)可以算出衍射极角，代入光栅方程中则可以得出相应方向的光栅周期。

技术总结
本发明公开了一种用于光栅光波导的快速检测装置及其检测方法，包括自左至右依次设置的激光器、透镜、物镜、电动位移台及探测器，所述透镜和物镜组成准直光学系统，所述电动位移台用于放置和调整待测波导片波导片x-y方向的位置，所述激光器射出光线后沿准直光学系统传递至待测波导片表面，待测波导片反射到的光传递至探测器；所述电动位移台和探测器通过Labview系统控制，电动位移台沿单一方向调制距离，每相隔一定距离，探测器采集一张数据。与现有技术相比，本发明可快速检测出波导片结构中微小的周期变化，这种装置不仅可以加速产品化的检测流程，快速找到波导片变形的区域，还可以减少工艺检测流程中的样品浪费。可以减少工艺检测流程中的样品浪费。可以减少工艺检测流程中的样品浪费。


技术研发人员：邹小慧 刘维娜 李智超 王靖 陈阳曦 唐朝 史明琨
受保护的技术使用者：中光学集团股份有限公司 南阳利达光电有限公司
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/9