專利名稱：納米度量計的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于測量物體的位移至納米精度的設備和方法，特別是用于制造現代化信號處理元件的設備和方法。
在很多現代化信號處理元件的制造中，需要以高至微米的精度來制造復雜的圖案。這些元件包括半導體集成電路、表面聲波(SAW)器件、磁和光存儲器以及諸如DFB激光器、集成光學器件和空間光調制器的許多光學元件。因此，在幾平方厘米量級的面積中以微米的精度產生并測量用于制造這種元件的設備的位移的能力，是必要的。在這些技術中，有一種盡可能地使元件小型化的趨勢，因為例如這樣不僅能夠在單位面積上獲得更多的晶體管，而且更小的晶體管的運算速度更快。類似地，小的特征擴展了激光器和SAW元件的頻率范圍和保真度。因此要求在幾平方厘米量級的面積內以納米精度測量位移。
在過去，這種信號處理元件經常是利用掩膜制作設備并隨后進行攝影還原而制成的，該掩膜制作設備采用了大型的高精度機械平移平臺。更近一些，采用了激光干涉儀，其中從裝在一個平移平臺上的鏡反射的激光束與一個基準激光束相干涉以產生一個條紋圖案。對于平移平臺等于激光的波長的一半的位移，該條紋圖案將移動一個周期。高至條紋的一半的精度的條紋圖案移動是容易測量的，所以對于500nm的典型激光波長，能夠獲得125nm的精度。這種精度能夠借助條紋之間的內插而被改善到最終由信號噪聲比確定的程度。激光干涉儀使得能夠例如通過采用電子束平版印刷技術而將元件或用于元件的掩膜上的結構以最后的大小直接寫入。
本發明的一個目的，是提供一種設備，它能夠在至少幾平方厘米的區域中以高至納米的精度測量一個物體的位移。本發明進一步的目的，是提供一種方法，它能夠以高至納米的精度，在至少幾平方厘米的區域上測量一個物體的位移。
根據本發明的第一個方面，提供了用于測量一個物體的位移的設備，它包括一個射頻(rf)源，用于產生一個初級穩定rf電信號，一個傳感裝置，用于至少部分地利用該初級rf電信號產生一個中間信號，所述中間信號具有小于初級rf電信號的波長的波長，一個相移裝置，它在該設備的使用中與該中間信號進行相互作用并以這樣的方式與物體發生聯系，即使得物體的位移造成該相移裝置把該中間信號的路徑長度改變與該位移直接相關的量，一個相位傳遞裝置，用于至少部分地利用與相移裝置發生作用之后的中間信號來以這樣的方式產生一個次級穩定rf電信號，即使得該經過作用的中間信號的相位被傳遞到該次級rf電信號，以及一個相位檢測器，用于測量次級rf電信號的相位在物體位移時相對于初級rf電信號的改變。
當使一個物體產生一個位移d時，在中間信號與相位傳遞裝置進行作用之前，其路徑長度改變了一個與該位移直接有關的量。路徑長度的這個改變d’，使中間信號在與相位傳遞裝置作用時的相位改變了等于360×d’/l度的相移p，其中l是該中間信號的波長。該中間信號的波長小于從其中導出的rf電信號的波長，該中間信號通常是一個聲或光信號，其相位難于以高精度進行測量。然而，兩個射頻電信號之間的相對相位能夠以高至一度以內的精度被測量出來。本設備將來自中間信號的相移p傳遞到一個rf電信號，從而在物體發生位移時能夠通過測量初級和次級rf電信號之間的相位改變，來以一度以內的精度對p的值進行測量。如果能夠以例如五分之一度的精度測量該相移p，則根據本發明的設備就能夠以l的l/1800的精度對位移d進行測量。因此，l越小，對位移d的測量就越精確。
例如，如果該中間信號是一個聲波信號，諸如波長一般在3000nm至8000nm之間的體或表面聲波，則能夠以高至3000×1/1800nm和8000×1/1800nm之間的—即4.4nm和1.6nm之間的精度(假定d＝d’且相移p能夠以高至一度的五分之一的精度進行測量)，對物體的位移d進行測量。如果該中間信號是一個光信號且其波長一般在幾百nm，則能夠以高至小于1nm的精度對物體的位移進行測量。借助諸如電子束平版印刷技術，本發明使得一個元件或用于元件的掩膜上的結構能以最后的大小直接被寫入到幾平方厘米的區域上。
該中間信號最好是光信號，因為這使得所測位移的精度小于1nm。另外，來自電—光技術的標準技術也可被用于該設備。
當該中間信號是光信號時，傳感裝置最好包括一個用于產生光信號的光信號源和一個混頻裝置，該混頻裝置用于把光信號與初級rf電信號相混合以產生一個得到頻移的第一光信號和未被頻移的第二光信號，這兩個信號中的任何一個都可以是中間信號。被選為中間信號的光信號隨后得到相移，且另一個光信號被用在作為中間信號的本機振蕩器的相位傳遞裝置中以產生次級rf電信號。
在原理上，該混頻裝置可具有多種形式，例如rf驅動集成光相位或幅度調制器或集成光單邊帶混頻器。然而，當采用這些器件時，很難分離頻移和米頻移的光信號。更好的是該混頻裝置為一個聲—光傳感器(acousto-optic cell)，其中體射頻聲波(bulk radiofreguency acoustic wave)由一個被初級rf電信號驅動的聲傳感器引起且光信號被引入其中以產生一個偏轉的第一光信號和一個未偏轉的第二光信號。采用一個聲—光傳感器(acousto-optic cell)作為混頻裝置是方便的，因為在這種器件中第一和第二信號在空間上被自動分離了。
當該中間信號是光信號時，該相移裝置最好是一個鏡，中間信號被引到該鏡上，且該鏡被剛性地固定在該物體上。如果借助利用一個鏡的反射而使中間光信號的路徑長度發生改變，則鏡的位移d造成中間信號的路徑長度的改變2d，且因而設備的精度可被加倍。
該相位傳遞裝置最好包括一個用于對第一和第二光信號進行混頻以產生一個差頻信號的裝置，該差頻信號是該次級rf電信號并在混頻時攜帶著中間信號的相位。更好地是它包括一個光電二極管和一個用于使第一光信號和第二光信號射到該光電二極管上以使所述信號以平行的波前和相同的極性相重疊的裝置。由于只有一個光信號經歷了頻移且只有一個光信號經歷了相移，所以光電二極管產生的差頻信號與初級rf電信號處于相同的頻率并攜帶著中間信號的相位。
或者，該中間信號可以是一個rf聲波，諸如一個體聲波(bulkacoustic wave)或表面聲波(surface wave)。當中間信號是rf聲波時，傳感裝置包括一個聲波介質和一個由初級rf電信號驅動以在聲波介質中產生rf聲波(它是中間信號)的聲傳感器，且該相移裝置在設備的使用中與聲波進行作用并與物體發生聯系，以使物體的位移改變通過在聲傳感器和一個聲波探頭之間的聲波介質的聲波的路徑長度，該聲波探頭形成了相位傳遞裝置的至少一部分。在聲傳感器和聲波探頭之間的聲波的路徑長度，能夠通過設置物體的位移以移動聲傳感器和介質或聲波探頭，而得到改變。該相移裝置最好包括被剛性地固定到物體上的聲傳感器和介質，且該聲波探頭得到固定，以使物體的位移使聲傳感器和介質相對于聲波探頭移動一個與該位移直接有關的量。
當中間信號是體聲波(bulk acoustic wave)時，聲波介質是一個聲—光傳感器且聲傳感器得到設置以在該聲—光傳感器中引起rf體聲波(中間信號)，且相位傳遞裝置包括一個產生一個光信號(它形成了聲波探頭)的光信號源，該光信號被射到該聲—光傳感器中并與該體聲波發生作用以產生一個得到頻移的第一光信號和一個未得到頻移的第二光信號，該相位傳遞裝置進一步包括一個用于對第一和第二光信號進行混頻以產生一個差頻信號的裝置，且該差頻信號就是次級rf電信號。用于對第一和第二光信號進行混頻以產生一個差頻信號的該裝置，可以是一個光電二極管和一個用于將第一和第二光信號引導到該光電二極管上以使所述信號以平行的波前和相同的極性重疊的裝置。
第一光信號，在來自光信號源的光信號與在聲—光傳感器中的體聲波發生作用的位置上，將攜帶體聲波的相位。體聲波的相位隨著來自聲傳感器的波的距離連續地變化。因此，如果聲傳感器和電—光傳感器相對于物體而剛性地固定時，物體的任何位移將改變光信號和聲波之間的作用的位置，并因此而使第一光信號攜帶的相位改變一個與該位移直接有關的量。
對于大約1GHz的一般的rf頻率，體聲波一般具有至8微米的波長，所以1°的相移對應于8與22nm之間的位移。因此，以這種方式利用體聲波可以得到的空間分辨率，與利用激光干涉儀所能夠得到的相似。然而，該設備可以具有一些實際的優點，諸如減少了尺寸和所包含的部件的成本、操作的方便和高于激光干涉儀的測量速度。
當體聲波引入相移時，該聲—光傳感器最好包括一種高速聲波材料。高速晶體傾向于具有低的聲波衰減，并因而允許以厘米測量的行進，而如果在其上進行測量的面積是幾平方厘米的量級或更高，這就是必需的。這是由于聲—光傳感器自身被裝在該物體上，所以聲波路徑必須在進行測量的區域的長度上延伸。
或者，該中間信號可以是一個射頻表面聲波和聲波介質是一個表面聲波基底，聲傳感器得到適當設置以在基底中產生一個表面聲波(它是中間信號)，且相位傳遞裝置是一個表面聲波探頭。采用表面聲波的該設備，能夠實現與采用體聲波的設備類似的精度。然而，體聲波是較佳的，因為它們比較不容易受到諸如空氣渦流的周圍干擾的影響。
用于產生初級rf電信號的rf源最好是頻率可調諧的，以便在物體位移時初級rf電信號的頻率能夠得到調諧，以恢復由相位檢測器測量的、在位移之前的初級和次級rf電信號之間的相對相位。以此方式，精密的測量能夠從對相位的測量改變成對頻率的測量，且可以以比射頻相位更高的精度測量無線電頻率。
根據本發明的第二個方面，提供了一種用于測量一個物體的非常小的位移的方法，它包括產生一個初級穩定射頻(rf)電信號，至少部分地利用該初級信號產生一個中間信號，所述中間信號的波長小于初級rf電信號的波長，使該中間信號與同物體有關的一個相移裝置以這樣的方式發生作用，即使得該物體的位移造成該相移裝置把中間信號的路徑長度改變一個與該位移直接有關的量，使該物體產生一個位移，利用與相移裝置發生作用之后的中間信號的至少一部分而以這樣的方式產生一個次級穩定rf電信號，即使得該中間信號的相位被傳遞到該次級rf信號，以及測量在物體位移時該次級rf電信號的相位相對于初級rf電信號的改變。
中間信號最好是一個光信號。當中間信號是一個光信號時，中間信號的產生最好包括產生一個光信號并使該光信號與初級rf電信號相混頻以產生一個被頻移的第一光信號和一個未被頻移的第二光信號，這兩個信號中的任何一個都可以是中間信號。更好地，光信號與初級rf電信號的混頻包括利用一個由該初級rf電信號驅動的聲傳感器而在一個聲—光傳感器中產生體射頻聲波，并把該光信號引到該聲—光傳感器中以產生一個偏轉的第一光信號和一個未偏轉的第二光信號。
次級rf電信號的產生最好包括將第一和第二光信號進行混頻以產生一個差頻信號，該差頻信號是次級rf電信號。更好地，它包括將該第一和第二光信號以這樣的方式引到一個光電二極管上，即使得所述信號以平行的波前和相同的極性而得到重疊。
或者，該中間信號可以是一個諸如體聲波或表面聲波的射頻聲波。當中間信號是一個聲波時，則中間信號的產生包括利用一個由初級rf電信號驅動的聲傳感器在一個聲波介質中產生一個聲波信號(該信號是中間信號)，且次級rf電信號的產生包括使該聲波信號與一個形成相位傳遞裝置的至少一部分的聲波探頭進行作用。物體的位移最好使聲傳感器和介質相對于聲探頭移動一個與該位移直接有關的量，從而使聲傳感器和聲波探頭之間的聲波的路徑長度改變相同的距離。
對次級rf電信號的相位的改變的測量，可包括在物體位移時對初級rf電信號進行頻率調諧，以恢復初級和次級rf電信號之間在該位移之前的相對相位。
根據本發明的第二個方面的該方法，其優點有與上面結合第一個方面的設備討論的優點相同。
現在借助以下附圖，以僅僅是舉例的方式，描述根據本發明的設備和方法。在附圖中

圖1顯示了根據本發明的設備的第一實施例，其中中間信號是一個表面聲波。
圖2顯示了根據本發明的設備的第二實施例，其中中間信號是一個體聲波且該設備包含一個安裝在一個平移平臺上的聲—光布拉格傳感器(acoustic-optic Bragg cell)。
圖3a顯示了根據本發明的設備的第三實施例，其中中間信號是一個光信號且該設備包含安裝在一個平移平臺上的一個鏡和一個固定的聲—光布拉格傳感器。
圖3b顯示了圖3a的設備的一個替換修正形式。
首先參見圖1，其中中間信號是一個表面聲波(SAW)。一個壓電SAW基底4，諸如石英或LiNbO3，被安裝在一個精密的平移平臺2上，后者由一個步進馬達系統操作，而該步進馬達系統能夠沿著箭頭18所示的方向以小的遞增步移動。在SAW基底4上由SAW叉指式傳感器6產生表面聲波，初級射頻波從一個穩定rf源8經過一個柔性電纜10而被提供給傳感器6。一個SAW吸收器12位于SAW基底4與傳感器6相對的一端，以吸收表面聲波，以使它們不會在基底4上被反射回來。在與傳感器6鄰近的SAW基底4的端部還有一個SAW吸收器(未顯示)。一個固定SAW探頭14抽取出表面聲波的一部分并將其轉換成一個次級rf電信號。該次級rf電信號和來自rf源8的初級信號被送到一個得到設定以測量兩個rf電信號的相對相位的相位檢測器16，例如一個矢量電壓計。
在操作中，平移平臺2位于一個零位移設定，且來自源8的初級rf電信號和來自探頭14的次級rf電信號之間的相對相位得到記錄。當步進馬達2移動時，壓電SAW基底4相對于固定探頭14移動，從而改變了從傳感器6至探頭14的表面聲波的路徑長度。這種路徑長度變化改變了由探頭14抽取的表面聲波的相位，從而改變了被送到相位檢測器16的次級rf電信號的相位。因此，來自源8的初級rf電信號與來自探頭14的次級rf電信號的相對相位，改變了與平移平臺2的移動直接有關的一個量。
rf電信號通常具有約1GHz的頻率，這將在典型的SAW基底4中引起波長在3和8微米之間的表面聲波。因此，檢測器16所測量到的相對相位1°的改變，對應于1/360乘以探頭14所抽取的表面聲波的波長的平移平臺2的位移。例如，如果在SAW基底上產生的表面聲波具有3000nm的波長，則相位檢測器檢測到的1°的相對相位改變對應于約8nm的位移。如果圖1的設備根據表面聲波的波長而具有在大約1和4nm之間的空間分辨率，則先有技術的相位檢測器能夠測量精度至少0.2°的相對相位。
圖2所示的本發明的實施例采用了體聲波而不是表面聲波作為中間信號。圖2的設備包括一個激光器26，它應該是一個穩定的光源，即它具有大的相干長度和恒定的強度，并具有適當的功率，以提供良好的信號噪聲比。可采用具有大約100米的相干長度的氦氖激光器。來自激光器26的激光束被一個凸透鏡28聚焦(雖然聚焦并不總是必需的)到一個聲—光布拉格傳感器20中。布拉格傳感器20的聲波介質應該具有低的聲波損耗(這意味著采用單晶)、穩定、能夠以可接受的成本以大的尺寸(幾cm)得到、光學透明并最好在其安裝狀態下具有小的或為零的聲速有效溫度系數。布拉格傳感器20的該聲波介質可以是諸如石英、藍寶石、GaP、LiNbO3、MgAl2O4或Al2O3。該布拉格傳感器20被剛性地安裝(例如直接用螺栓安裝)在一個平移平臺22上，而平移平臺22能夠以亞微米的遞增得到電步進。一個聲波傳感器24位于布拉格傳感器20的一端，且一個初級rf電信號從一個網絡分析器32經過一個功率放大器30被送到傳感器24。網絡分析器32可被圖1的相位檢測器16和穩定rf源6所代替。聲波傳感器24在布拉格傳感器20中引起rf體聲波。
如果測量是在幾厘米的長度上進行，即所需的行進為幾厘米，則布拉格傳感器20必須具有幾厘米的長度，且傳感器24產生的聲波必須以準直束的形式行進幾厘米。因此傳感器24的直徑D必須滿足D2/lacoustic＞所需的行進距離，其中lacoustic是聲波的波長。由于lacoustic將為5微米的量級，D應該是在1mm的量級且聲波布拉格傳感器20應該具有大約1cm2的橫截面積，以避免聲波從其側壁的反射。以上假定了在聲學上各向同性的介質。1mm的傳感器直徑比一般所可能采用的要大，以造成低的電阻抗。然而，所需的傳感器24的電帶寬與大多數其他應用相比是適中的，以使傳感器24能夠在沒有什么困難的情況下與例如50歐姆的源在電學上匹配。可采用諸如接合的LiNbO3傳感器。
當激光束被射到布拉格傳感器20上時，從該傳感器產生出兩條光束34、36。聲波傳感器24的驅動功率最好是這樣的，即使得激光束的大約50％被偏轉而留下50％未被偏轉，因為這使從光電二極管44出來的信號達到最佳。偏轉的光束36的頻率為Wo+W，其中Wo是激光束的頻率且W是來自網絡分析器32的初級rf信號的頻率，該光束36通過透鏡38而射到分束器40上。未偏轉的光束34的頻率是Wo，且光束34通過透鏡38和鏡39而射到分束器40上，分束器40可以是一個立方體分束器。透鏡38、鏡39和分束器40的設置，保證了偏轉和未偏轉的光束36和34分別重疊，且當它們經過一個透鏡42而被聚焦到一個2GHz帶寬光電二極管44時具有平行的波前和相同的極性。光電二極管44最好具有盡可能大的面積，以便能夠截獲合成激光束34和36，后者如果未由諸如透鏡42的透鏡進行聚焦的話其直徑可大至1mm。來自光電二極管44的次級rf電信號隨后被經過一個3dB衰減器46(它為光電二極管44形成直流返回通路)和一個前置放大器48而被提供到網絡分析器32。網絡分析器32測量來自網絡分析器32的初級rf電信號與來自前置放大器48的次級rf電信號的相對相位。
在操作中，平移平臺22處于零位移設定，且來自網絡分析器32的初級rf電信號與來自前置放大器48的次級rf電信號之間的相對相位得到記錄。當步進馬達22移動時，聲—光布拉格傳感器20相對于從激光器26經過透鏡28射入傳感器20的激光束移動。激光束與rf體聲波之間詳細的聲—光作用，是衍射與反射的復雜的混合，在這里不對其進行詳細討論，但激光束有效地代替了圖1中的固定機械探頭14。在傳感器20中經過散射的偏轉的光束36包含了rf體聲波的相位。因此當步進馬達22進行位移時，體聲波在與激光束發生作用之前從傳感器24行進的路徑長度被改變了。因此，與激光束進行作用的體聲波的相位發生了移動，該移動使偏轉光信號36的相位發生了移動。來自光電二極管44的次級rf電信號包含該相位移動，所以來自網絡分析器32的初級rf電信號與來自前置放大器48的次級rf電信號之間的相對相位被改變了。因此，網絡分析器32所測量到的相對相位改變了一個與步進馬達22的運動直接有關的量。
rf信號一般具有大約為1GHz的頻率，它將在典型的聲—光布拉格傳感器20中引起波長在3和8微米之間的體聲波。因此由網絡分析器測量到的1°的相對相位改變，對應于平移平臺22的位移為1/360乘以與激光束進行作用的聲波的波長。例如，如果在布拉格傳感器20中引起的體聲波的波長為3000nm，則網絡分析器32測量到的1°的相對相位改變對應于8nm的位移。先有技術的相位檢測器能夠以至少為0.2°的精度測量相對相位，這使得圖2的設備根據體聲波的波長能夠具有大約1和4nm之間的空間分辨率。
通過取消透鏡38和42并使鏡39、分束器40和光電二極管44盡可能地與布拉格傳感器20接近，可以使圖2的設置更為穩定。這降低了部件的振動的影響，降低了在光束34和36被空間分開的關鍵區域中的空氣渦流的影響，并降低了當激光的相干長度與路徑長度差具有相同的量級時所引起的不精確性。在光束34和36被分開處的空氣渦流，可通過在該區域中采用一塊玻璃而得到消除。
在圖3a的設備中，中間信號是光信號。圖3a所示的設置與圖2所示的類似，只是聲—光布拉格傳感器20被固定且所要測量的位移改變了偏轉光波36的路徑長度。圖3a的設備包括一個激光器26，來自它的激光束被引向被固定的布拉格傳感器20。布拉格傳感器20所引起的要求比圖2的設置低，因為不再需要大的聲波路徑。最好采用較慢的聲波介質，例如TeO2，因為它能夠以適中的頻率提供光束34和36的大的角分離。一個聲波傳感器24位于布拉格傳感器20的一端，且來自一個穩定的rf源50的初級rf電信號被輸入到傳感器24中。與圖2的設置類似，聲波傳感器24在布拉格傳感器20中引起rf體聲波。因此當激光束被引進布拉格傳感器20時，從該傳感器中出來了兩個激光光束34和36。
未偏轉光束34被引向分束器58。偏轉光束36經過一個分束器52而被引向一個鏡56。從鏡56反射的光束經過分束器52被引向分束器58。鏡56被安裝在平移平臺22(未顯示)上，以使鏡56沿著箭頭的方向移動。鏡56的移動因而改變了光束36的路徑長度。分束器58的設置保證了偏轉和未偏轉光束36和34在入射到光電二極管60上時分別重疊并具有平行的波前和相同的極性。來自光電二極管60的次級rf電信號隨后被提供到一個矢量電壓計62，后者對來自光電二極管60的次級信號和來自rf源50的初級信號之間的相對相位進行測量。為了改善效率，可把分束器52制成偏振分束器，并以適當的方式與四分之一波片和二分之一波片一起使用，從而保證到達檢測器的光束具有相同的極性。
當使鏡移動一個位移d時，偏轉信號36的路徑長度改變了2d，這造成了偏轉信號36的一個相位改變，該改變以度來表示時為360(2d/loptical)其中loptical是偏轉信號36的波長。因此如果矢量電壓計測量到1°的相對相位改變，則對于一般為500nm的光波長，圖3的平移平臺的位移為(loptical/2)/360 1nm布拉格傳感器20的作用，是產生頻移操作，而且也可以采用其他的技術，諸如rf驅動集成光相位或幅度調制器或單邊帶混頻器。布拉格傳感器20的確具有本身為一個單邊帶混頻器的優點，并自然提供了干涉儀所需的頻移和未頻移的光束的空間分離。
圖3b顯示了圖3a的一種修正形式，并采用了相同的標號來表示設備的相同的部分。圖3b中的設備的工作方式與圖3a的相同，只是未偏轉光束34而不是偏轉光束36得到了相移。作為對圖1中采用檢測器16的一種替換，圖2的網絡分析器32或圖3a和3b的矢量電壓計62采用了簡單的雙平衡混頻器，后者對于恒定的次級rf電信號和初級rf電信號的電平大體具有帶有相位的正弦輸出，且所述輸出在90°相位差處為零。此時可通過計數周期(即360°的相位改變)來對平移平臺的位移進行粗測量，并隨后通過對輸入到傳感器的rf信號的頻率進行調節以恢復到零輸出(90°相位差)狀態來進行細測量。對恢復90°相位差所需的頻率改變，能夠以很高的精度進行測量。這種替換的優點是只在一個點即零輸出點進行操作，它對于初級和次級rf電信號的幅度變化是不敏感的。另一種可能是借助一個本機振蕩器對初級和次級rf電信號進行向下混頻，以使相位測量能夠在較低的方便的頻率上進行。
有兩種聲—光作用，即各向同性作用和各向異性作用。以上的描述假定為各向同性的聲—光作用。在上述的設備中，也能夠采用其中偏轉的光信號被相移了90°的各向異性聲—光作用，只要對90°相移進行補償從而使得偏轉和未偏轉的光信號在它們入射到光電二極管上時重疊并具有平行的波前和相同的極性。
權利要求
1.用于測量物體的位移的設備，包括一個射頻(rf)源，用于產生一個初級穩定rf電信號，一個傳感裝置，用于至少利用一部分初級rf電信號來產生一個中間信號，所述中間信號的波長小于初級rf電信號的波長，一個相移裝置，它在該設備使用時與中間信號進行作用并以這樣的方式與物體相聯系，即物體的位移使相移裝置將中間信號的路徑長度改變了一個與該位移直接有關的量，一個相位傳遞裝置，用于至少部分地利用與相移裝置發生作用之后的中間信號來以這樣的方式產生一個次級穩定rf電信號，即使得經過作用的該中間信號的相位被傳遞到該次級rf電信號，以及一個相位檢測器，用于測量次級rf電信號的相位在物體位移時相對于初級rf電信號的改變。
2.根據權利要求1的設備，其中中間信號是一個光信號。
3.根據權利要求2的設備，其中傳感裝置包括一個用于產生光信號的光信號源和一個用于將該光信號與初級rf電信號進行混頻以產生一個得到頻移的第一光信號和一個未得到頻移的第二光信號的混頻裝置，第一和第二光信號中的一個可以為該中間信號。
4.根據權利要求3的設備，其中混頻裝置是一個聲—光傳感器，在該聲—光傳感器中由一個受到初級rf電信號驅動的聲傳感器產生體射頻聲波，且光信號被引入到該聲—光傳感器中以產生一個得到偏轉的第一光信號和一個未得到偏轉的第二光信號。
5.根據權利要求2至4中的任何一項的設備，其中相移裝置是一個鏡，中間信號被引向該鏡且該鏡被剛性地固定在物體上。
6.根據權利要求3至5中的任何一項的設備，其中相位傳遞裝置包括一個用于對第一和第二光信號進行混頻以產生一個差頻信號的裝置，該差頻信號是次級rf電信號。
7.根據權利要求6的設備，其中相位傳遞裝置包括一個光電二極管和一個用于將第一和第二光信號以這樣的方式引向該光電二極管上的裝置，即使所述信號以平行的波前和相同的極性重疊。
8.根據權利要求1的設備，其中中間信號是一個rf聲波。
9.根據權利要求8的設備，其中傳感裝置包括一個聲波介質和一個由初級rf電信號驅動以在該聲波介質中產生rf聲波(它是中間信號)的聲傳感器，且相移裝置在設備使用時與該聲波進行作用并以這樣的方式與物體有關，即使得物體的位移改變通過聲傳感器和一個聲波探頭之間的聲波介質的聲波的路徑長度，該聲波探頭形成了相位傳遞裝置的至少一部分。
10.根據權利要求9的設備，其中相移裝置包括被剛性地固定在物體上的聲傳感器和介質，且聲波探頭得到了固定，以使物體的位移使聲傳感器和介質相對于聲波探頭移動一個與該位移直接有關的量。
11.根據權利要求9或10的設備，其中中間信號是一個rf體聲波。
12.根據權利要求11的設備，其中聲波介質是一個聲—光傳感器且聲傳感器得到設置以在該聲—光傳感器中產生一個rf體聲波(它是中間信號)，且相位傳遞裝置包括一個光信號源，該光信號源產生一個光信號(它構成了聲波探頭)，該光信號被引入聲—光傳感器中并與體聲波發生作用以產生一個得到頻移的第一光信號和一個未得到頻移的第二光信號，該相位傳遞裝置進一步包括一個用于對該第一和第二光信號進行混頻以產生一個差頻信號的裝置，該差頻信號就是次級rf電信號。
13.根據權利要求12的設備，其中用于對第一和第二光信號進行混頻以產生一個差頻信號的裝置包括一個光電二極管和用于將第一和第二光信號引向光電二極管以使所述信號以平行的波前和相同的極性重疊的裝置。
14.根據權利要求9或10的設備，其中中間信號是一個射頻表面聲波。
15.根據權利要求14的設備，其中聲波介質是一個表面聲波基底，且聲傳感器得到設置以在該基底上產生一個表面聲波(它是中間信號)，且相位傳遞裝置是一個表面聲波探頭。
16.根據前面任何一個權利要求的設備，其中用于產生初級rf電信號的rf源是能夠進行頻率調諧的，以在物體位移時使初級rf電信號的頻率能夠得到調諧以恢復在位移之前的初級和次級rf電信號之間的相對相位。
17.如以上結合說明與圖1至3中的任何一個進行具體描述的設備。
18.用于測量物體的位移的方法，包括產生一個初級穩定射頻(rf)電信號，至少部分地利用該初級信號產生一個中間信號，所述中間信號的波長小于初級rf電信號的波長，使該中間信號與同物體有關的一個相移裝置以這樣的方式發生作用，即使得該物體的位移造成該相移裝置把中間信號的路徑長度改變一個與該位移直接有關的量，使該物體產生一個位移，至少部分地利用與相移裝置發生作用之后的中間信號而以這樣的方式產生一個次級穩定rf電信號，即使得該中間信號的相位被傳遞到該次級rf電信號，以及測量在物體位移時該次級rf電信號的相位相對于初級rf電信號的改變。
19.根據權利要求18的方法，其中中間信號是一個光信號。
20.根據權利要求19的方法，其中中間信號的產生包括產生一個光信號并將該光信號與初級rf電信號混頻以產生一個得到頻移的第一光信號和一個未得到頻移的第二光信號，這兩個信號中的一個可以是中間信號。
21.根據權利要求20的方法，其中光信號與初級rf電信號的混頻包括在聲—光傳感器中利用一個由初級rf電信號驅動的聲傳感器產生體射頻聲波并將光信號引入到聲—光傳感器中以產生一個偏轉的第一光信號和一個未偏轉的第二光信號。
22.根據權利要求20或21的方法，其中次級rf電信號的產生包括將第一和第二光信號混頻以產生一個差頻信號，該差頻信號是次級rf電信號。
23.根據權利要求22的方法，其中次級rf電信號的產生包括將第一和第二光信號引向光電二極管以使所述光信號以平行的波前和相同的極性相重疊。
24.根據權利要求18的方法，其中中間信號是射頻聲波信號。
25.根據權利要求24的方法，其中中間信號的產生包括利用由初級rf電信號驅動的一個聲傳感器來產生一個聲波信號(中間信號)，且次級rf電信號的產生包括使該聲波信號與一個聲波探頭發生作用。
26.根據權利要求25的方法，其中物體的位移使聲傳感器相對于聲波探頭移動一個與該位移直接有關的量。
27.根據權利要求24至26中的任何一項的方法，其中中間信號是一個射頻體聲波。
28.根據權利要求24至26中的任何一項的方法，其中中間信號是一個射頻表面聲波。
29.根據權利要求18至28中的任何一項的方法，其中對次級rf電信號的相位改變的測量包括在物體位移時對初級rf電信號進行頻率調諧以恢復初級和次級rf電信號在位移之前的相對相位。
30.如以上結合說明和圖1至3中的任何一個所描述的方法。
全文摘要
用于以納米精度測量物體的位移的設備，它包括用于初級電信號的rf源(50)；傳感器(24)，用于產生中間信號；相移裝置(56)，它與中間信號作用，以使物體的位移使相移裝置(56)將中間信號的路徑長度改變一個與該位移直接有關的量；相位傳遞裝置(60)，使中間信號的相位被傳遞到次級信號；以及，相位檢測器(62)，用于測量次級信號的相位在物體位移時相對于初級信號的改變。
文檔編號G01B15/00GK1102288SQ9419005
公開日1995年5月3日 申請日期1994年1月10日 優先權日1993年1月13日
發明者M·F·路易斯 申請人:大不列顛及北愛爾蘭聯合王國國防大臣