基于藍光DVD光學讀取頭的非接觸式探頭

程 琳, 李丹東, 周 斌, 陳 晶, 李瑞君

(1.安徽電氣工程職業技術學院 科技信息處,安徽 合肥 230051; 2.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009)

基于藍光DVD光學讀取頭的非接觸式探頭

程 琳1,2, 李丹東2, 周 斌1,2, 陳 晶1, 李瑞君2

(1.安徽電氣工程職業技術學院 科技信息處,安徽 合肥 230051; 2.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009)

為解決微小器件的高精度、高分辨率的測量問題,文章研制了一臺基于藍光DVD光學讀取頭的非接觸式探頭,實現了對微小尺寸的三維高精度測量。該探頭的設計是對市售的藍光DVD光學讀取頭的改進,改裝后使用數值孔徑為0.85的聚焦透鏡。藍光DVD光學讀取頭發出波長405 nm的藍光掃描被測量器件,減小了聚焦彌散斑直徑,提高了探頭的分辨率。對組裝好的探頭進行了測試,實驗結果證實,該探頭的分辨率優于1 nm,對階高為2 μm的標準器件重復測量的標準差為21 nm。

非接觸探頭;藍光DVD讀取頭;聚焦;數值孔徑;階高

近年來,微電子技術和微納米加工技術快速發展,各種微納米級的微小器件相繼問世。要對這些微小器件進行精密測量,就要發展特殊的高精度檢測方法與技術手段。精密測量技術的核心部件探頭的設計與制造水準直接制約著精密測量機的發展[1]。換句話說,精密測量探頭是限制精密測量機精度和速度的重要因素,精密測量機能否滿足測量要求也依靠于精密測量探頭的不斷發展與創新[2]。而在另一方面,微小器件的高精度和高分辨率測量是非常具有挑戰性的工作。接觸式測量方法受限于測球的直徑,而且測量速度慢、效率低,對精密物體往往因接觸而損壞表面,因此非接觸式光學測量的方法更易于測量微小器件[3-4]。

非接觸的測量方法主要包括激光三角測量法、相位移技術法、激光自動聚焦法、白光干涉測量法、共焦顯微鏡測量法等,不同的測量方法可以滿足不同的測量要求。

文獻[5]將市場上廣泛存在的、價格非常低廉但集成度非常高的DVD光學讀數頭改裝成非接觸式微位移掃描探頭。利用DVD光學讀取頭可以自動聚焦的功能將被測位移量的變化轉換成DVD光學讀取頭聚焦透鏡位置的變化,通過獲取聚焦透鏡的位置變化而得到被測的位移值。一般來說,測量范圍能到600 μm左右,但因驅動透鏡運動的音圈電機往往具有磁滯特性[6],磁滯補償后的重復性誤差仍然較大,而且由于普通DVD讀取頭使用波長650 nm左右的紅光作為測量光源,因此分辨率也不能達到很高的要求。

本文將同樣集成度很高的藍光DVD光學讀取頭改裝成非接觸式探頭,其發射波長405 nm左右的藍光作為測量光源,經改裝后使用數值孔徑0.85顯微物鏡作為聚焦透鏡,外部結構上去掉音圈電機,將聚焦透鏡固定在某一位置,直接根據像散原理進行感測,線性感測范圍4 μm左右,克服了感測精度、分辨率不高的問題。

1 測量原理及結構

藍光DVD光學讀取頭的內部構造如圖1所示,由紅光和藍光2個激光頭組成,分別讀取DVD光盤和BD光盤信息。BD光盤的判定原理比較簡單,主要利用DVD和BD光盤的保護層厚度不同來實現。

藍光激光頭工作時,其自身集成的自動功率控制電路使激光二極管發射大約405 nm波長的藍色激光,激光打在一小片光柵后衍射形成3束檢測光,再經分光鏡、準直透鏡后,將原激光束變成準直光束,最后準直光束經過聚焦透鏡后聚焦在反射面上(如BD光盤)。經反射面反射回來的光束沿原光路經過同一準直透鏡、分光鏡后,透過柱面像散透鏡,投射到四象限光電傳感器上。在整個光路中,使用反射鏡是為了改變光路,減少整個藍光DVD光學讀取頭的體積[7]。四象限光電傳感器會根據光點在4個象限上的光能量分布,通過集成電路的電流-電壓轉換和算術運算,輸出一聚焦誤差電壓信號(focus error signal,FES) (B+D)-(A+C)。這個聚焦誤差信號經過運算放大、濾波處理,驅動音圈馬達,將固定在音圈馬達上的聚焦透鏡推到可以聚焦光盤平面的位置,達到自動聚焦的目的[8]。由于僅使用藍光激光頭進行測量,紅光激光頭工作時原理相同,因此不做贅述。

圖1 藍光DVD光學讀取頭內部結構

現將音圈電機拆除,固定聚焦透鏡,則激光頭輸出的聚焦誤差信號與聚焦光點在反射面的位置變化在一定范圍內呈線性關系,如圖2所示,聚焦誤差信號本身具有高分辨率與高精度的特性,而且有著很高的線性度,非常適合用來作為納米級的位移感測信號。

改造后的內部結構如圖3所示。

圖2 聚焦誤差信號的S曲線

圖3 改裝后的藍光DVD光學讀取頭結構

經改裝后使用數值孔徑0.85顯微物鏡作為聚焦透鏡,外部結構上去掉音圈電機,將聚焦透鏡固定在某一位置,同時為了減小整個測量系統的體積,用一個直角棱鏡對測量光路進行轉折[9]。

2 分辨率的提高

由于測量原理是基于激光頭聚焦特性曲線的,而激光頭的聚焦光斑性能和聚焦光斑大小對聚焦特性曲線有著重要的影響,提高聚焦光點性能和減小光點尺寸對整個測量系統具有重要意義。一般來說,激光波長與聚焦物鏡的數值孔徑(numerical aperture,NA)是影響聚焦光點尺寸的2個重要參數[10]。

測量分辨率隨聚焦光點(spot size)的減小而提高,但是由于光學衍射極限的影響,聚焦光點不可能得到理想點,實際像點是一個彌散斑,2個像點相互靠近后不容易區分,因此限制了系統的分辨率。

按照艾瑞觀點,在以圓形鏡組聚焦時,聚焦光點的定義為:

(2)

其中,Sspot為聚焦光斑尺寸;λ為激光波長。

由(2)式可知,要想減小聚焦光斑尺寸,可以通過減小激光波長或增大數值孔徑的方法(折射率一般固定為空氣折射率)。因為使用市售的藍光DVD光學讀取頭,發射激光波長約405 nm,已經非常接近非可見光的波長,減小波長不易操作,所以要想得到更小的聚焦光斑只有選擇數值孔徑更大的聚焦透鏡。原來藍光DVD光學讀取頭的聚焦透鏡的數值孔徑為0.7,考慮到實用性,數值孔徑越接近于1的聚焦透鏡工作距離越短,而且會增加像差[11],而數值孔徑大于1的聚焦透鏡需要使用油浸物鏡等以液體為介質的透鏡,因此在探頭的設計中,選用適中的數值孔徑為0.85的顯微物鏡替代原來激光頭的聚焦透鏡。該顯微物鏡減小了近軸像差、慧差及位置色差,可保證聚焦光點的高質量。

3 處理電路

使用的藍光DVD光學讀取頭型號為三洋BD410,它內部集成自動功率控制芯片CXA2802,可以調整藍光激光二極管的光強、輸出及頻率,可控制四象限光電傳感器的開關。藍光DVD光學讀取頭啟動后,開始讀取其內部四象限傳感器4路信號的電壓。這4路信號的電壓值隨著顯微物鏡與被測表面的距離變化而變化。為了避免削波現象的產生,需要設計直流調節電路。由于原始信號的電壓值過小,不便于測量,且容易受到干擾[12],因此還需要設計專門的放大電路和濾波電路。濾波電路采用低噪聲、直流偏移小、動態范圍高的濾波芯片LTC1063。為了提高濾波效果,電路采用雙電源供電[13]。信號處理電路如圖5所示。

(a) 放大濾波電路 (b) 直流調節電路

4 實驗驗證

以惠普公司的雙頻激光干涉儀(Renishaw)作為位移測量標準,驅動器是德國PI公司生產的E-861。固定改裝后的藍光DVD光學讀取頭不動,使用納米微動工作臺承載反射鏡由遠及近地靠近測頭的光學焦點,工作臺移動的位移使用激光干涉儀進行校正,同時使用NI公司的數據采集卡(PCI-6251)采集每一位置經過信號運算放大處理模塊的FES電壓值。得到的聚焦誤差曲線如圖5所示。

由圖5可以看出線性好的部分大約有4 μm,可以測量4 μm以內的微小器件。

實驗測量1件高度為2 μm的標準階高塊,在4 μm的聚焦誤差曲線上截取測量范圍是2 μm的線性區域作為標準,截取線段如圖6所示。

圖5 聚焦誤差曲線

圖6 截取2 μm線性區域

由圖6可知,在2 μm的線性區域上,電壓大約從-4 V變化到0 V,由此可算出靈敏度約為0.5 nm/mV。以臺灣大學精密加工中心加工的2 μm階高為待測件,測得5次數據分別為2.004 0、2.012 8、1.961 3、2.013 2、1.999 2 μm,測量數據標準差為21 nm。實驗結構如圖7所示。

圖7 實驗結構圖

5 結 論

本文對市售藍光DVD光學讀取頭加以改進,將其作為位移傳感器,通過更換NA值為0.85的聚焦透鏡,又按照共焦光路原理,對聚焦誤差曲線進行標定,設計了一臺高精度、低成本的非接觸式探頭,并利用實雙頻激光干涉儀和PI驅動臺對探頭進行標定。以2 μm標準高度的器件測試探頭高度測量性能,測量分辨率小于1 nm,重復測量標準差為21 nm。

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[13] 姚素英.單片全集成RC有源濾波器的設計[D].天津:天津大學,2007.

(責任編輯 張淑艷)

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

安徽省高等學校自然科學研究重點資助項目(KJ2015A410);安徽電氣工程職業技術學院重點科研資助項目(2015zdxm05)

程 琳(1975-),男,安徽無為人,安徽電氣工程職業技術學院講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.05.006

TH741.3

A

1003-5060(2017)05-0606-04