专利名称：微位移的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种微位移的测量方法，特别涉及一种采用光子晶体作为传 感器的微位移的测量方法。
背景技术：
在微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS )等精密机器 中，系统部件之间的相对位移通常需要被准确测量。由于光子晶体具有独特的光子禁带效应，基于光子晶体设计的微位移传 感器被广泛应用在微位移的测量中，例如，基于光子晶体波导的高灵敏度位 移传感器，其能在0 1.5a (a为光子晶体的晶格常数)的测量范围内实现高 于1.6a"的测量灵敏度；基于光子隧道效应和法诺(Fano)干涉的位移传感 器，当相对位移改变光波长的1%，能实现20dB的透过率对比度；基于光 子晶体缺陷谐振腔的微位移传感器，其能在-0.55a 0.60a的测量范围实现 1.15a"的测量灵敏度。但是，在上述测量微位移的过程中，由于微位移传感 器可测量的位移范围很小，很难具有较大的动态范围，因此，不能测量超过 两个晶格常数的位移。因此，有必要提供一种微位移的测量方法，该方法采用光子晶体作为微 位移传感器，具有较大的动态范围，可以测量超过两个晶格常数的位移。发明内容下面将以实施例说明 一种微位移的测量方法，该方法中采用光子晶体作 为微位移传感器，具有较大的动态范围，可测量超过两个晶格常数的位移。 本发明提供一种微位移的测量方法，包括(一)提供一个微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子晶体 模块、激光源和探测器，其中，第一光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列 的第一晶柱，第一晶柱矩阵内设有形成入光口和出光口的第一导光通道，第 二光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第二晶柱，第一晶柱和第二晶柱
具有相同的晶格常数a,第二晶柱矩阵内设有形成探测口的第二导光通道， 激光源设置在第一导光通道的入光口 ，探测器设置在第二导光通道的探测CJ 。(二) 将第二光子晶体模块固定安装在待测器件上，将第一光子晶体模 块相对于待测器件固定且与第二光子晶体模块相平行，第二晶柱与第 一晶柱 对齐，同时，第一导光通道与第二导光通道相耦合。(三) 当待测器件带动第二光子晶体模块移动时，激光源发出的光经由 入光口进入第一导光通道， 一部光经由出光口出射，另一部分光耦合入第二 光子晶体模块的第二导光通道并经由探测口被探测器探测，随着待测器件的 移动，耦合入第二导光通道的耦合光的光强发生改变，通过读取探测器获得 的光强与位移的正弦曲线，即可得到待测器件的水平位移。本发明还提供另一种微位移的测量方法，包括(一)提供一微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模 块、第三光子晶体模块、激光源、第一探测器和第二探测器，其中，第一光 子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第一晶柱，第一晶柱矩阵内设有形成 两个出光口和位于两出光口之间的入光口的第一导光通道，第二光子晶体模 块包括若干呈矩阵方式排列的第二晶柱，第二晶柱矩阵内设有形成第 一探测 口的第二导光通道，第三光子晶体模块包括若千呈矩阵方式排列的第三晶 柱，第三晶柱矩阵内设有形成第二探测口的第三导光通道，第一晶柱、第二 晶柱和第三晶柱具有相同的晶格常数a，激光源设置在入光口，第一探测器 与第二探测器分别设置在第一探测口与第二探测口处。(二 )将第二光子晶体模块和第三光子晶体模块并列固定设置在待测器 件上，将第一光子晶体模块固定且与第二及第三光子晶体模块平行，第一晶 柱与第二晶柱对齐，第三晶柱与第一晶柱交错且第三晶柱与对应列中的第一 晶柱的水平中心距离为0.25a的奇数倍，同时，第一导光通道与第二导光通 道、第一导光通道与第三导光通道均相互耦合。(三)当待测器件带动第二光子晶体模块和第三光子晶体模块相对于第 一光子晶体模块水平移动时，激光源发出的光经由入光口进入第一导光通 道， 一部分光经由第一出光口和第二光出口出射， 一部分光耦合进入第二光 子晶体模块的第二导光通道并经由第 一探测口被第 一探测器探测，另 一部分
光耦合进入第三光子晶体模块的第三导光通道内经由第二探测口被第二探 测器探测，随着待测器件的移动，耦合进入第二导光通道和第三导光通道的 耦合光的光强发生改变，通过读取第一探测器获得的光强与位移的正弦曲线 和第二探测器获得的光强与位移的余弦曲线，即可得到待测器件的水平位移和位移方向。本实施例微位移的测量方法基于光子晶体间光耦合效应的测量微位移， 具有较大动态范围，可测量超过两个晶格常数的位移，甚至可以测量数十个 晶格常数的位移。
图1是本发明第一实施例微位移的测量方法的流程示意图。图2是用于本发明第一实施例中的微位移传感器的结构示意图。图3是图2中微位移传感器测量微位移时获得的光强与位移的正弦曲线。图4是本发明第二实施例微位移的测量方法的流程示意图。 图5是用于本发明第二实施例的微位移传感器的结构示意图。 图6是图5中微位移传感器测量微位移时获得的光强与位移的正弦和余 弦曲线。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本实施例微位移的测量方法。 请参阅图1,本发明第一实施例微位移的测量方法主要包括以下步骤 步骤(一)，提供一个微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光 子晶体模块、激光源和探测器，其中，第一光子晶体模块包括若千呈矩阵方 式排列的第一晶柱，第一晶柱矩阵内设有形成入光口和出光口的第一导光通 道，第二光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第二晶柱，第一晶柱和第 二晶柱具有相同的晶格常数a，第二晶柱矩阵内设有形成探测口的第二导光 通道，激光源设置在第一导光通道的入光口，探测器设置在第二导光通道的 探测口 。请参阅图2，图2中显示用于本实施例微位移的测量方法中的微位移传
感器10。其中，第一光子晶体模块20设有一第一基底210，若干第一晶柱220 垂直设置在第一基底210上。第一导光通道240通过第一晶柱矩阵内部分第 一晶柱220的缺失而形成，其呈"U"形分布，包括一个第一水平通道242 和两个第一垂直通道244、 246。该两个第一垂直通道244、 246分别连通在 第一水平通道242的两末端，入光口 248形成在一第一垂直通道244远离第 一水平通道242的末端，出光口 280形成在另一第一垂直能道246远离第一 水平通道242的末端。激光源40设置在入光口 248。第二光子晶体模块30包括一第二基底310，若干第二晶柱320垂直设置 在第二基底310上。第二导光通道340通过第二晶柱矩阵内部分第二晶柱320 的缺失而形成，其呈"i "形分布，包括一个第二水平通道342和一个第二 垂直通道344。其中，该第二水平通道342与第一水平通道242平行设置， 其与第一水平通道242相隔一排第一晶柱220和一排第二晶柱320,该第二 水平通道342的长度L优选为10a 30a并在其一末端形成一个透光口 346; 该第二垂直通道344连通第二水平通道342的另一末端，纟果测口 348形成在 第二垂直通道344远离第二水平通道342的末端，优选地，探测器20为光 纤探测器。其中，第一基底210和第二基底310均由绝缘材料或半导体材料制成， 例如，硅、二氧化硅。第一晶柱220和第二晶柱320具有相同的晶格常数a (晶格常数a为相邻晶柱间的中心距离)，该晶格常数的范围优选为IOO纳 米 10(H敖米，各晶柱的直径优选为0.3a 0.7a。步骤(二)，将第二光子晶体模块固定安装在待测器件上，将第一光子 晶体模块相对于待测器件固定且与第二光子晶体模块相平行，第二晶柱与第一晶柱对齐，同时，第一导光通道与第二导光通道相耦合。其中，第一导光通道240的第一水平通道242与第二导光通道340的第 二水平通道342间隔的第一晶柱210与第二晶柱310的中心距离D优选为 0.7a l.la。第二导光通道340的第二垂直通道344与第一导光通道240形成 出光口 280的第一垂直通道246的水平距离为N2,第一导光通道240形成入 光口 248的第一垂直通道244与第二光子晶体模块20靠近该第一垂直通道 244的边缘312处的第二晶柱320的距离为N，，第二导光通道240的透光口346与第一导光通道240形成入光口 248的第一垂直通道244的水平距离为 N3 ，为确保第 一导光通道240与第二导光通道340在微位移的测量过程中相 互耦合，在微位移的测量过程中，N,、 N2和N3均应大于零。步骤(三)，当待测器件带动第二光子晶体模块移动时，激光源发出的 光经由入光口进入第一导光通道， 一部光经由出光口出射，另一部分光耦合 入第二光子晶体模块的第二导光通道并经由探测口被探测器探测，随着待测 器件的移动，耦合入第二导光通道的耦合光的光强发生改变，通过读取探测 器获得的光强与位移的正弦曲线，即可得到待测器件的水平位移。请参阅图3,图3中显示通过读取探测器50获得的光强与位移的正弦曲 线，结合细分技术，本实施例微位移的测量方法可以实现小于O.Ola的高分 辨率。由于步骤(二)中Np N2和N3的限制，本实施例的测量范围为a的 整数倍，即测量的最大值为N3+N,与N2+N3中的最小值，控制Ni、 N2和N3 的数值可使本实施例微位移传感器的测量范围达数十个晶格常数。请参阅图4,本发明第二实施例微位移的测量方法主要包括以下步骤步骤(一)，提供一微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子 晶体模块、第三光子晶体模块、激光源、第一探测器和第二探测器，其中， 第一光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第一晶柱，第一晶柱矩阵内设 有形成两个出光口和位于两出光口之间的入光口的第一导光通道，第二光子 晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第二晶柱，第二晶柱矩阵内设有形成第一探测口的第二导光通道，第三光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第 三晶柱，第三晶柱矩阵内设有形成第二探测口的第三导光通道，第一晶柱、 第二晶柱和第三晶柱具有相同的晶格常数a,激光源设置在入光口，第一探 测器与第二探测器分别设置在第 一探测口与第二探测口处。请参阅图5,图5显示用于本发明另一实施例的微位移传感器60。 第 一光子晶体模块70包括第 一基底710 ，若干第 一 晶柱720垂直排列在 第一基底710上。第一导光通道730通过第一晶柱矩阵内第一晶柱720的缺 失而形成，其呈"111"形分布，包括一个第一水平通道732和三个第一垂直通道734、 736、 738。中间的第一垂直通道734与第一水平通道732的中间 位置连通，入光口 740形成在中间的第一垂直通道734远离第 一水平通道732 的末端，激光源62设置在该入光口 740处。两側的第一垂直通道736、 738 与第一水平通道732的两末端相连通，第一出光口 750和第二出光口 760分 别形成在两側的第一垂直通道736、 738远离第一水平通道732的末端。第二光子晶体模块80包括第二基底810，若千第二晶柱820垂直排列在 第二基底810上。第二导光通道830通过第二晶柱矩阵内第二晶柱820的缺 失而形成，其呈"n "形分布，包括一个第二水平通道832和一个第二垂直 通道834。第二水平通道832的长度Li优选为10a 3 0a,其在靠近激光源62 的末端形成一个第一透光口 836。第二垂直通道834与第二水平通道832的 另一末端连通，第一探测口 838形成在第二垂直通道834远离第二水平通道 832的末端，第一探测器64设置在第一探测口 838处并与该第一探测口 838 相对固定。第三光子晶体模块90包括第三基底910，该第三基底910与第二光子晶 体模块80的第二基底810设置为一体结构，也可以与第二基底810分开设 置且并列。若千第三晶柱920垂直排列在第三基底910上第三晶柱矩阵内通 过第三晶柱920的缺失形成第三导光通道930，该第三导光通道930呈"厂，， 形分布，包括一个第三水平通道932和一个第三垂直通道934。第三水平通 道932的长度L2优选为10a 30a,其在靠近激光源62的末端形成一个第二 透光口 936。第三垂直通道934与第三水平通道932的另一末端连通，第二 探测口 938形成在第三垂直通道934远离第三水平通道932的末端，第二探 测器66设置在第二探测口 938处并与该第二探测口 938相对固定。优选地， 第 一探测器64和第二探测器66均为光纤探测器。其中，第一基底710、第二基底810和第三基底910均由绝缘材料或者 半导体材料制成，例如，硅、二氧化硅。第一晶柱720、第二晶柱820和第 三晶柱920具有相同的晶格常数a(晶格常数a为相邻晶柱间的中心距离)， 该晶格常数的范围优选为100纳米~100微米，各晶柱的直径优选为 0.3a 0.7a。步骤(二)，将第二光子晶体模块和第三光子晶体模块并列固定设置在待测器件上，将第一光子晶体模块固定且与第二及第三光子晶体模块平行， 第一晶柱与第二晶柱对齐，第三晶柱与第一晶柱交错且第三晶柱与对应列中 的第一晶柱的水平中心距离为0.25a的奇数倍，同时，第一导光通道与第二 导光通道、第一导光通道与第三导光通道均相互耦合。
其中，第二水平通道832与第一水平通道732平行设置，其与第一水平 通道732相隔一排第一晶柱720和一排第二晶柱820，第一水平通道732与 第二水平通道832间隔的第一晶柱720与第二晶柱820的中心距离为Dr,第 三水平通道932与第一水平通道732平行设置，其与第一水平通道732相隔 一排第一晶柱720和一排第三晶柱920,第三晶柱920与对应列中的第一晶 柱720的水平中心距离d优选为0.25a，第一水平通道732与第三水平通道 932间隔的第一晶柱720与第三晶柱920的中心距离为D2,该中心距离D2 与D,相同，均优选为0.7a l.la。第二垂直通道834与第一导光通道730形 成第二出光口 760的第一垂直通道738的水平距离为N4，第三垂直通道934 与第 一导光通道730形成第一光出口 750的第 一垂直通道736的水平距离为 N5,第二水平通道832形成第一透光口 836的末端与第一导光通道730形成 入光口 740的第一垂直通道734的水平距离为N6，第三水平通道932形成第 二透光口 936的末端与第一导光通道730形成入光口 740的第一垂直通道 734的水平距离为N7，为确保第一水平通道732与第二水平通道832、第一 水平通道732与第三水平通道932均相互耦合，在微位移的测量过程中，N4、 N5、 N6和N7均应大于零。步骤(三)，当待测器件带动第二光子晶体模块和第三光子晶体模块相 对于第一光子晶体模块水平移动时，激光源发出的光经由入光口进入第一导 光通道， 一部分光经由第一出光口和第二光出口出射， 一部分光耦合进入第 二光子晶体模块的第二导光通道并经由第一探测口被第 一探测器探测，另一 部分光耦合进入第三光子晶体模块的第三导光通道内经由第二探测口被第 二探测器探测，随着待测器件的移动，耦合进入第二导光通道和第三导光通 道的耦合光的光强发生改变，通过读取第一探测器获得的光强与位移的正弦 曲线和第二探测器获得的光强与位移的余弦曲线，即可得到待测器件的水平 位移和位移方向。请参阅图6，图6中显示通过第一探测器64读取的光强与位移的正弦曲线和通过第二探测器66读取的光强与位移的余弦曲线，结合细分技术，本实施例微位移传感器可实现小于O.Ola的高分辨率。由于上述N4、 N5、 N6和N7的限制，本实施例中微位移传感器的测量范围为a的整数倍，即测量的最大值为N4+N 和N5+N6中的最小值，控制N4、 N5、 N6和N7的数值可使
本实施例微位移传感器的测量范围达数十个晶格常数。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据 本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
权利要求
1. 一种微位移的测量方法，包括提供一个微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模块、激光源和探测器，其中，第一光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第一晶柱，第一晶柱矩阵内设有形成入光口和出光口的第一导光通道，第二光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第二晶柱，第一晶柱和第二晶柱具有相同的晶格常数a，第二晶柱矩阵内设有形成探测口的第二导光通道，激光源设置在第一导光通道的入光口，探测器设置在第二导光通道的探测口；将第二光子晶体模块固定安装在待测器件上，将第一光子晶体模块相对于待测器件固定且与第二光子晶体模块相平行，第二晶柱与第一晶柱对齐，同时，第一导光通道与第二导光通道相耦合；以及当待测器件带动第二光子晶体模块移动时，激光源发出的光经由入光口进入第一导光通道，一部光经由出光口出射，另一部分光耦合入第二光子晶体模块的第二导光通道并经由探测口被探测器探测，随着待测器件的移动，耦合入第二导光通道的耦合光的光强发生改变，通过读取探测器获得的光强与位移的正弦曲线，即可得到待测器件的水平位移。
2. 如权利要求1所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一晶柱和所 述的第二晶柱的晶格常数a为100纳米 100微米。
3. 如权利要求2所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一晶柱和所 述的第二晶柱的晶柱直径为0.3a 0.7a。
4. 如权利要求2所迷的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一导光通道 包括第一水平通道，所述的第二导光通道包括第二水平通道，所述的第一水平 通道和第二水平通道间隔一排第一晶柱和一排第二晶柱，所述的间隔的第一晶 柱和第二晶柱的中心距离为0.7a l.la。
5. 如权利要求4所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第二水平通道 的长度为10a 30a。
6. 如权利要求1所迷的微位移的测量方法，其特征在于所述的探测器为光纤 探测器。
7. 如权利要求1所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一光子晶体模块包括第一基底，所述的第二光子晶体模块包括第二基底，所述的第一基底 和第二基底由绝缘材料或半导体材料制成。
8. —种微位移的测量方法，包括提供一微位移传感器，包括第一光子晶体模块、第二光子晶体模块、第三 光子晶体模块、激光源、第一探测器和第二探测器，其中，第一光子晶体模块 包括若干呈矩阵方式排列的第一晶柱，第一晶柱矩阵内设有形成两个出光口和 位于两出光口之间的入光口的第一导光通道，第二光子晶体模块包括若干呈矩 阵方式排列的第二晶柱，第二晶柱矩阵内设有形成第一探测口的第二导光通道， 第三光子晶体模块包括若干呈矩阵方式排列的第三晶柱，第三晶柱矩阵内设有 形成第二探测口的第三导光通道，第一晶柱、第二晶柱和第三晶柱具有相同的 晶格常数a，激光源设置在入光口，第一探测器与第二探测器分别设置在第一探 测口与第二纟果测口处；将第二光子晶体模块和第三光子晶体模块并列固定设置在待测器件上，将 第一光子晶体模块固定且与第一及第二光子晶体模块平行，第一晶柱与第二晶 柱对齐，第三晶柱与第一晶柱交错且第三晶柱与对应列中的第一晶柱的水平中 心距离为0.25a的奇数倍，同时，第一导光通道与第二导光通道、第一导光通道 与第三导光通道均相互耦合；以及当待测器件带动第二光子晶体模块和第三光子晶体模块相对于第一光子晶 体模块水平移动时，激光源发出的光经由入光口进入第一导光通道， 一部分光 经由第一出光口和第二光出口出射， 一部分光耦合进入第二光子晶体模块的第 二导光通道并经由第 一探测口被第 一探测器探测，另 一部分光耦合进入第三光 子晶体模块的第三导光通道内经由第二探测口被第二探测器探测，随着待测器 件的移动，耦合进入第二导光通道和第三导光通道的耦合光的光强发生改变， 通过读取第一探测器获得的光强与位移的正弦曲线和第二探测器获得的光强与 位移的余弦曲线，即可得到待测器件的水平位移和位移方向。
9. 如权利要求8所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的晶格常数a为 100纳米 100微米。
10. 如权利要求9所迷的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一晶柱、第 二晶柱和第三晶柱的晶柱直径为0.3a 0.7a。
11. 如权利要求9所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一导光通道 包括第一水平通道，所述的第二导光通道包括第二水平通道间隔，所述的第三 导光通道包括第三水平通道，所述的第一水平通道与所述的第二水平通道间隔 中心距离为0.7a l.la的一排第一晶柱和一排第二晶柱，所述的第一水平通道与 所述的第三水平通道间隔中心距离为0.7a l.la的一排第一晶柱和一排第三晶柱 的。
12. 如权利要求11所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第二水平通 道和第三水平通道的长度为10a 30a。
13. 如权利要求9所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第三晶柱与对 应列中的所述的第一晶柱的水平中心距离为0.25a。
14. 如权利要求8所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一探测器和 第二探测器为光纤探测器。
15. 如权利要求8所述的微位移的测量方法，其特征在于所述的第一基底、第 二基底和第三基底由绝缘材料或半导体材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种微位移的测量方法，包括提供一微位移传感器，包括具有若干第一晶柱的第一光子晶体模块、具有若干第二晶柱的第二光子晶体模块、激光源和探测器，第一晶柱内设有形成入光口和出光口的第一导光通道，第二晶柱内设有形成探测口的第二导光通道，激光源设置在入光口，探测器设置在探测口；将第二光子晶体模块固定在待测器件上，第一导光通道与第二导光通道相耦合；以及，当待测器件带动第二光子晶体模块移动时，激光源发出的光经由入光口进入第一导光通道，一部光经由出光口出射，另一部分光耦合进入第二光子晶体模块的第二导光通道并经由探测口被探测器探测，通过读取探测器获得的光强与位移的正弦曲线，即可得到待测器件的水平位移。
文档编号G01B11/14GK101210801SQ200610157990
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者许振丰, 金国藩 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司