專利名稱：一種大量程高精度微納米掃描探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米測(cè)量裝置領(lǐng)域，具體為一種大量程高精度微納米掃描探頭。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展，尺寸介于毫米和微米之間的微型器件相繼問世。同時(shí)，很多場(chǎng)合需要對(duì)表面粗糙度、微震動(dòng)、微應(yīng)變、定位精度等微位移進(jìn)行測(cè)量。 由此帶動(dòng)了具有微米級(jí)測(cè)量范圍和納米級(jí)測(cè)量精度的微位移感測(cè)技術(shù)的發(fā)展。中國(guó)專利號(hào)為200520069705. 5的專利公開了一種多功能納米激光測(cè)量頭。如圖 1所示，它包括外殼(7)，外殼(7)中有作為激光光源器件的激光二極管(1)，激光二極管(1) 的出射光經(jīng)過光柵(2)衍射后入射至分光鏡(3)，衍射光被分光鏡(3)反射至反射鏡(4)，反射鏡(4)將一部分入射光90度反射至準(zhǔn)直透鏡(5)，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(5)準(zhǔn)直后，再被直角棱鏡(6 ) 90度轉(zhuǎn)折后入射至安裝在外殼(7 )上的物鏡筒(8 )，并通過物鏡筒(8 )中的聚焦透鏡 (9)聚焦后出射，同時(shí)反射鏡(4)將另一部分入射光沿原光路反射至分光鏡(3)，被分光鏡透射后入射至柱面象散透鏡(10)，經(jīng)過柱面象散透鏡(10)透射后入射至四象限光電二極管傳感器(11)。這種探測(cè)頭精度高，穩(wěn)定性好，可采用手持的方式進(jìn)行工作，具備離焦誤差檢測(cè)和準(zhǔn)直激光光源的雙重功能，但其通常配備的聚焦透鏡的數(shù)值孔徑值為0. 6，存在著測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)，制約了多功能微納米激光測(cè)量頭的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大量程高精度微納米掃描探頭，克服了現(xiàn)有技術(shù)偏見， 申請(qǐng)人:在實(shí)際使用中有新的靈感與發(fā)現(xiàn)，通過配備多個(gè)數(shù)值孔徑值不同的聚焦透鏡，以解決現(xiàn)有技術(shù)的多功能微納米激光測(cè)量頭測(cè)量范圍小的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括多功能微納米激光測(cè)量頭，其特征在于所述多功能納米激光測(cè)量頭物鏡筒中安裝有聚焦透鏡，所述的多功能納米激光測(cè)量頭配備有多個(gè)數(shù)值孔徑值不同的聚焦透鏡更換使用，各聚焦透鏡的數(shù)值孔徑值介于0. 16-0. 6之間。本發(fā)明采用專利號(hào)為200520069705. 5的多功能微納米激光測(cè)量頭的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過更換多功能納米激光測(cè)量頭中聚焦透鏡，選擇數(shù)值孔徑值較小的聚焦透鏡，可以得到量程超過120微米，穩(wěn)定性誤差小于lOOnm，體積小、成本低的微位移計(jì)。通過更換數(shù)值孔徑值介于0. 16-0.6之間的聚焦透鏡，還可以獲得介于5微米到120微米之間的測(cè)量范圍，這樣在滿足測(cè)量范圍的同時(shí)可以獲得更高的測(cè)量分辨力。


圖1為多功能微納米激光測(cè)量頭光路原理圖。圖2為多功能微納米激光測(cè)量頭測(cè)量FES曲線結(jié)構(gòu)原理圖。圖3為用數(shù)值孔徑值NA = 0. 6的聚焦透鏡實(shí)驗(yàn)得到的FES曲線圖。
圖4為用數(shù)值孔徑值NA = 0. 4的聚焦透鏡實(shí)驗(yàn)得到的FES曲線圖。圖5為用數(shù)值孔徑值NA = 0. 3的聚焦透鏡實(shí)驗(yàn)得到的FES曲線圖。圖6為用數(shù)值孔徑值NA = 0. 16的聚焦透鏡實(shí)驗(yàn)得到的FES曲線圖。
具體實(shí)施例方式一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括專利號(hào)為200520069705. 5的多功能微納米激光測(cè)量頭，結(jié)構(gòu)見圖1，多功能微納米激光測(cè)量頭物鏡筒中安裝有聚焦透鏡，該多功能微納米激光測(cè)量頭配備有多個(gè)數(shù)值孔徑值不同的聚焦透鏡更換使用，各聚焦透鏡的數(shù)值孔徑值介于0. 16 —0.6之間。如圖2所示。對(duì)多功能納米激光測(cè)量頭進(jìn)行FES曲線測(cè)量的裝置包括光學(xué)反射鏡 、雙頻激光干涉儀、精密移動(dòng)臺(tái)、PC。以HP55^型雙頻激光干涉儀作為位移測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)器是以色列Nanomotion公司生產(chǎn)的HR4。固定多功能納米激光測(cè)量頭不動(dòng)，使用精密移動(dòng)工作臺(tái)承載光學(xué)反射鏡由遠(yuǎn)及近的靠近測(cè)頭的光學(xué)焦點(diǎn)，工作臺(tái)移動(dòng)的位移使用激光干涉儀進(jìn)行校正，同時(shí)使用6位半精密數(shù)字萬用表采集每一位置經(jīng)過信號(hào)運(yùn)算放大處理模塊的聚焦誤差信號(hào)電壓值，并通過串口程序傳入PC的測(cè)量程序。先裝上多功能納米激光測(cè)量頭自帶的聚焦透鏡(NA = 0. 6，專利號(hào)為200520069705. 5的多功能微納米激光測(cè)量頭中使用的就是這種聚焦透鏡)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如圖3所示位移與電壓關(guān)系曲線，從圖3上可以看出，線性部分大約只有5微米左右。再裝上一個(gè)NA = 0. 4的聚焦透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到圖4 所示的位移與電壓關(guān)系曲線，從圖4可以看出，線性部分至少有12微米左右，較圖3明顯放大。再裝上一個(gè)NA = 0. 3的聚焦透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到圖5所示的位移與電壓關(guān)系曲線，從圖5可以看出，線性部分將近有50微米，又較圖4有顯著放大。再裝上一個(gè)NA = 0. 16的聚焦透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到圖6所示的位移與電壓關(guān)系曲線，從圖6可以看出，線性部分至少有120微米，較圖5有顯著放大，較圖3放大了 M倍多。說明通過減小多功能納米激光測(cè)量頭聚焦物鏡NA的方式，可以有效的擴(kuò)大其聚焦誤差曲線的線性感測(cè)范圍(聚焦透鏡NA值與聚焦誤差曲線的線性感測(cè)范圍之間是反向的非線性關(guān)系，NA值越小時(shí)，減小NA值引起的線性感測(cè)范圍增加越快)，從而增大微位移計(jì)的量程。但同時(shí)在分辨率上有所犧牲，在圖4 中間線性比較好的120微米范圍內(nèi)，電壓從正4. 2伏變化到負(fù)4. 8伏，由此可算出分辨率約為13. 3nm/mV。測(cè)量穩(wěn)定性的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，20分鐘的穩(wěn)定性最大誤差為106. 4nm, 標(biāo)準(zhǔn)差為68. 85nm。當(dāng)然在實(shí)際使用中，可以根據(jù)測(cè)量范圍和精度的要求，選擇合適的聚焦透鏡，以獲得最佳的測(cè)量效果。表1 微位移計(jì)穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1. 一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括多功能微納米激光測(cè)量頭，其特征在于 所述多功能微納米激光測(cè)量頭物鏡筒中安裝有聚焦透鏡，所述的多功能微納米激光測(cè)量頭配備有多個(gè)數(shù)值孔徑值不同的聚焦透鏡更換使用，各聚焦透鏡的數(shù)值孔徑值介于0. 16-0. 6之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括多功能微納米激光測(cè)量頭，多功能微納米激光測(cè)量頭物鏡筒中的聚焦透鏡的數(shù)值孔徑值介于0.16--0.6之間。本發(fā)明通過更換多功能納米激光測(cè)量頭中聚焦透鏡，選擇數(shù)值孔徑值介于0.16-0.6的聚焦透鏡，可以得到量程介于5微米到120微米之間的測(cè)量范圍，同時(shí)可以獲得更高的測(cè)量分辨力。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102353333SQ20111017760
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者周斌, 李瑞君, 楊圣春, 程真英, 錢劍釗, 陶為明 申請(qǐng)人:安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院