基于蓝光DVD光学读取头的非接触式探头

程 琳, 李丹东, 周 斌, 陈 晶, 李瑞君

(1.安徽电气工程职业技术学院 科技信息处,安徽 合肥 230051; 2.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009)

基于蓝光DVD光学读取头的非接触式探头

程 琳1,2, 李丹东2, 周 斌1,2, 陈 晶1, 李瑞君2

(1.安徽电气工程职业技术学院 科技信息处,安徽 合肥 230051; 2.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009)

为解决微小器件的高精度、高分辨率的测量问题,文章研制了一台基于蓝光DVD光学读取头的非接触式探头,实现了对微小尺寸的三维高精度测量。该探头的设计是对市售的蓝光DVD光学读取头的改进,改装后使用数值孔径为0.85的聚焦透镜。蓝光DVD光学读取头发出波长405 nm的蓝光扫描被测量器件,减小了聚焦弥散斑直径,提高了探头的分辨率。对组装好的探头进行了测试,实验结果证实,该探头的分辨率优于1 nm,对阶高为2 μm的标准器件重复测量的标准差为21 nm。

非接触探头;蓝光DVD读取头;聚焦;数值孔径;阶高

近年来,微电子技术和微纳米加工技术快速发展,各种微纳米级的微小器件相继问世。要对这些微小器件进行精密测量,就要发展特殊的高精度检测方法与技术手段。精密测量技术的核心部件探头的设计与制造水准直接制约着精密测量机的发展[1]。换句话说,精密测量探头是限制精密测量机精度和速度的重要因素,精密测量机能否满足测量要求也依靠于精密测量探头的不断发展与创新[2]。而在另一方面,微小器件的高精度和高分辨率测量是非常具有挑战性的工作。接触式测量方法受限于测球的直径,而且测量速度慢、效率低,对精密物体往往因接触而损坏表面,因此非接触式光学测量的方法更易于测量微小器件[3-4]。

非接触的测量方法主要包括激光三角测量法、相位移技术法、激光自动聚焦法、白光干涉测量法、共焦显微镜测量法等,不同的测量方法可以满足不同的测量要求。

文献[5]将市场上广泛存在的、价格非常低廉但集成度非常高的DVD光学读数头改装成非接触式微位移扫描探头。利用DVD光学读取头可以自动聚焦的功能将被测位移量的变化转换成DVD光学读取头聚焦透镜位置的变化,通过获取聚焦透镜的位置变化而得到被测的位移值。一般来说,测量范围能到600 μm左右,但因驱动透镜运动的音圈电机往往具有磁滞特性[6],磁滞补偿后的重复性误差仍然较大,而且由于普通DVD读取头使用波长650 nm左右的红光作为测量光源,因此分辨率也不能达到很高的要求。

本文将同样集成度很高的蓝光DVD光学读取头改装成非接触式探头,其发射波长405 nm左右的蓝光作为测量光源,经改装后使用数值孔径0.85显微物镜作为聚焦透镜,外部结构上去掉音圈电机,将聚焦透镜固定在某一位置,直接根据像散原理进行感测,线性感测范围4 μm左右,克服了感测精度、分辨率不高的问题。

1 测量原理及结构

蓝光DVD光学读取头的内部构造如图1所示,由红光和蓝光2个激光头组成,分别读取DVD光盘和BD光盘信息。BD光盘的判定原理比较简单,主要利用DVD和BD光盘的保护层厚度不同来实现。

蓝光激光头工作时,其自身集成的自动功率控制电路使激光二极管发射大约405 nm波长的蓝色激光,激光打在一小片光栅后衍射形成3束检测光,再经分光镜、准直透镜后,将原激光束变成准直光束,最后准直光束经过聚焦透镜后聚焦在反射面上(如BD光盘)。经反射面反射回来的光束沿原光路经过同一准直透镜、分光镜后,透过柱面像散透镜,投射到四象限光电传感器上。在整个光路中,使用反射镜是为了改变光路,减少整个蓝光DVD光学读取头的体积[7]。四象限光电传感器会根据光点在4个象限上的光能量分布,通过集成电路的电流-电压转换和算术运算,输出一聚焦误差电压信号(focus error signal,FES) (B+D)-(A+C)。这个聚焦误差信号经过运算放大、滤波处理,驱动音圈马达,将固定在音圈马达上的聚焦透镜推到可以聚焦光盘平面的位置,达到自动聚焦的目的[8]。由于仅使用蓝光激光头进行测量,红光激光头工作时原理相同,因此不做赘述。

图1 蓝光DVD光学读取头内部结构

现将音圈电机拆除,固定聚焦透镜,则激光头输出的聚焦误差信号与聚焦光点在反射面的位置变化在一定范围内呈线性关系,如图2所示,聚焦误差信号本身具有高分辨率与高精度的特性,而且有着很高的线性度,非常适合用来作为纳米级的位移感测信号。

改造后的内部结构如图3所示。

图2 聚焦误差信号的S曲线

图3 改装后的蓝光DVD光学读取头结构

经改装后使用数值孔径0.85显微物镜作为聚焦透镜,外部结构上去掉音圈电机,将聚焦透镜固定在某一位置,同时为了减小整个测量系统的体积,用一个直角棱镜对测量光路进行转折[9]。

2 分辨率的提高

由于测量原理是基于激光头聚焦特性曲线的,而激光头的聚焦光斑性能和聚焦光斑大小对聚焦特性曲线有着重要的影响,提高聚焦光点性能和减小光点尺寸对整个测量系统具有重要意义。一般来说,激光波长与聚焦物镜的数值孔径(numerical aperture,NA)是影响聚焦光点尺寸的2个重要参数[10]。

测量分辨率随聚焦光点(spot size)的减小而提高,但是由于光学衍射极限的影响,聚焦光点不可能得到理想点,实际像点是一个弥散斑,2个像点相互靠近后不容易区分,因此限制了系统的分辨率。

按照艾瑞观点,在以圆形镜组聚焦时,聚焦光点的定义为:

(2)

其中,Sspot为聚焦光斑尺寸;λ为激光波长。

由(2)式可知,要想减小聚焦光斑尺寸,可以通过减小激光波长或增大数值孔径的方法(折射率一般固定为空气折射率)。因为使用市售的蓝光DVD光学读取头,发射激光波长约405 nm,已经非常接近非可见光的波长,减小波长不易操作,所以要想得到更小的聚焦光斑只有选择数值孔径更大的聚焦透镜。原来蓝光DVD光学读取头的聚焦透镜的数值孔径为0.7,考虑到实用性,数值孔径越接近于1的聚焦透镜工作距离越短,而且会增加像差[11],而数值孔径大于1的聚焦透镜需要使用油浸物镜等以液体为介质的透镜,因此在探头的设计中,选用适中的数值孔径为0.85的显微物镜替代原来激光头的聚焦透镜。该显微物镜减小了近轴像差、慧差及位置色差,可保证聚焦光点的高质量。

3 处理电路

使用的蓝光DVD光学读取头型号为三洋BD410,它内部集成自动功率控制芯片CXA2802,可以调整蓝光激光二极管的光强、输出及频率,可控制四象限光电传感器的开关。蓝光DVD光学读取头启动后,开始读取其内部四象限传感器4路信号的电压。这4路信号的电压值随着显微物镜与被测表面的距离变化而变化。为了避免削波现象的产生,需要设计直流调节电路。由于原始信号的电压值过小,不便于测量,且容易受到干扰[12],因此还需要设计专门的放大电路和滤波电路。滤波电路采用低噪声、直流偏移小、动态范围高的滤波芯片LTC1063。为了提高滤波效果,电路采用双电源供电[13]。信号处理电路如图5所示。

(a) 放大滤波电路 (b) 直流调节电路

4 实验验证

以惠普公司的双频激光干涉仪(Renishaw)作为位移测量标准,驱动器是德国PI公司生产的E-861。固定改装后的蓝光DVD光学读取头不动,使用纳米微动工作台承载反射镜由远及近地靠近测头的光学焦点,工作台移动的位移使用激光干涉仪进行校正,同时使用NI公司的数据采集卡(PCI-6251)采集每一位置经过信号运算放大处理模块的FES电压值。得到的聚焦误差曲线如图5所示。

由图5可以看出线性好的部分大约有4 μm,可以测量4 μm以内的微小器件。

实验测量1件高度为2 μm的标准阶高块,在4 μm的聚焦误差曲线上截取测量范围是2 μm的线性区域作为标准,截取线段如图6所示。

图5 聚焦误差曲线

图6 截取2 μm线性区域

由图6可知,在2 μm的线性区域上,电压大约从-4 V变化到0 V,由此可算出灵敏度约为0.5 nm/mV。以台湾大学精密加工中心加工的2 μm阶高为待测件,测得5次数据分别为2.004 0、2.012 8、1.961 3、2.013 2、1.999 2 μm,测量数据标准差为21 nm。实验结构如图7所示。

图7 实验结构图

5 结 论

本文对市售蓝光DVD光学读取头加以改进,将其作为位移传感器,通过更换NA值为0.85的聚焦透镜,又按照共焦光路原理,对聚焦误差曲线进行标定,设计了一台高精度、低成本的非接触式探头,并利用实双频激光干涉仪和PI驱动台对探头进行标定。以2 μm标准高度的器件测试探头高度测量性能,测量分辨率小于1 nm,重复测量标准差为21 nm。

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[13] 姚素英.单片全集成RC有源滤波器的设计[D].天津:天津大学,2007.

(责任编辑 张淑艳)

Non-contact probe based on Blu-ray DVD pickup head

CHENG Lin1,2, LI Dandong2, ZHOU Bin1,2, CHEN Jing1, LI Ruijun2

(1.Technology and Information Office, Anhui Electrical Engineering Professional Technique College, Hefei 230051, China; 2.School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

To measure the miniature components in a high precision and high resolution way, a non-contact probe based on the Blu-ray DVD pickup head is developed. The commercial Blu-ray DVD pickup head is modified as the displacement sensor so as to meet the requirements of micro displacement measurement. The focusing lens of the pickup head is replaced with a objective lens whose numerical aperture is 0.85. The wavelength of the blue ray from the Blu-ray DVD pickup head is 405 nm. Comparing with the red ray, it is beneficial to reduce the dispersion spot diameter and improve the resolution of the probe. Finally, the developed probe is tested. Experimental results show that the resolution of the probe is better than 1 nm, and the standard deviation of the repeatable measurement for a 2 μm step-height specimen is 21 nm.

non-contact probe; Blu-ray DVD pickup head; focusing; numerical aperture; step height

2016-08-12；

2016-10-10

安徽省高等学校自然科学研究重点资助项目(KJ2015A410);安徽电气工程职业技术学院重点科研资助项目(2015zdxm05)

程 琳(1975-),男,安徽无为人,安徽电气工程职业技术学院讲师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.006

TH741.3

A

1003-5060(2017)05-0606-04