基于DVD光學(xué)讀取頭的大量程高精度掃描探頭

李瑞君， 錢(qián)劍釗， 龔 偉， 黃強(qiáng)先

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化與信息工程系，安徽 合肥230051）

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(wèn)世，如微透鏡、微齒輪、微芯片、燃油噴油嘴等［1－2］。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)感測(cè)范圍和納米級(jí)感測(cè)精度的微位移感測(cè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了諸如激光干涉儀、電感測(cè)微儀、高精度電容式傳感器、霍爾式微位移傳感器等微位移感測(cè)設(shè)備，但是存在價(jià)格昂貴（如激光干涉儀）、精度偏低（如電感測(cè)微儀）和使用受限（如電容式很難做成掃描式測(cè)頭、霍爾式要求被測(cè)件具有導(dǎo)電性）等缺點(diǎn)。

市場(chǎng)上廣泛存在的、價(jià)格非常低廉但集成度非常高、性能非常好的DVD光學(xué)讀數(shù)頭被用來(lái)改裝成非接觸式微位移掃描探頭［3－7］，其中主要包括2類(lèi)，如文獻(xiàn)［3－6］為代表的做法是利用DVD光學(xué)讀取頭的自動(dòng)聚焦功能將被測(cè)位移轉(zhuǎn)化成DVD光學(xué)讀取頭聚焦透鏡位置的變化，再通過(guò)感測(cè)聚焦透鏡的位移而獲得被測(cè)位移的值。感測(cè)范圍可達(dá)600μm左右，但因驅(qū)動(dòng)透鏡運(yùn)動(dòng)的音圈電機(jī)具有磁滯特性，滿(mǎn)量程工作時(shí)經(jīng)過(guò)磁滯補(bǔ)償后的重復(fù)性誤差超過(guò)500nm［6］，探測(cè)范圍較大，但相對(duì)測(cè)量精度偏低。以文獻(xiàn)［7］為代表的做法是去掉音圈電機(jī)，將聚焦透鏡固定在某一位置，直接根據(jù)像散原理進(jìn)行感測(cè)［8］，獲得了小于10nm的重復(fù)定位標(biāo)準(zhǔn)差，但是線(xiàn)性感測(cè)范圍只有4μm左右，感測(cè)精度高，但是感測(cè)范圍太小。

本文在文獻(xiàn)［7］做法的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)DVD光學(xué)讀取頭的光學(xué)系統(tǒng)，在繞開(kāi)音圈電機(jī)磁滯影響的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了感測(cè)范圍的顯著擴(kuò)大，有效地克服了以上2種方法存在的不足。

1 測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)

DVD光學(xué)讀取頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。應(yīng)用自動(dòng)功率控制電路使激光二極管發(fā)射約0.5mW的650nm波長(zhǎng)的紅激光光束，經(jīng)光柵衍射后形成三束檢測(cè)光，再經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡，將激光束變成準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后便聚焦在反射面上（如DVD光盤(pán)）。經(jīng)反射面反射的光束則沿原光路經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡、分光鏡后穿越柱面像散透鏡，投射到四象限光電二極管傳感器 （four－quadrant photo detector）A、B、C、D上。四象限傳感器則根據(jù)光點(diǎn)在4個(gè)象限上的分布，輸出一聚焦誤差電壓信號(hào)FES（Focus Error Signal，簡(jiǎn)稱(chēng)FES）即（B＋D）－（A＋C）。這個(gè)聚焦誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大、補(bǔ)償處理，驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)VCM（Voice Coil Motor，簡(jiǎn)稱(chēng)VCM）并帶動(dòng)聚焦透鏡一起沿光軸方向運(yùn)動(dòng)，直到聚焦點(diǎn)恰好與反射面重合，從而達(dá)到自動(dòng)鎖焦的目的。

若將音圈電機(jī)去掉，使聚焦透鏡固定不動(dòng)，則系統(tǒng)輸出的聚焦誤差信號(hào)與聚焦點(diǎn)偏離反射面的距離在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖2所示。由于聚焦誤差信號(hào)具有高分辨率與高精度的特性，適合用來(lái)發(fā)展納米級(jí)的位移感測(cè)系統(tǒng)。

去掉DVD光學(xué)讀取頭上的音圈電機(jī)，用一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的鏡筒將聚集透鏡固定（保持光軸重合），為了減小整個(gè)系統(tǒng)的體積，用一個(gè)直角棱鏡對(duì)光路進(jìn)行了轉(zhuǎn)折，改造后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 DVD激光讀取頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 聚焦誤差信號(hào)的S曲線(xiàn)

圖3 改裝后的DVD光學(xué)讀取頭結(jié)構(gòu)

2 量程的擴(kuò)展

四象限感測(cè)器的面積很小，邊長(zhǎng)只有約84μm左右。從圖2可以看出，當(dāng)光點(diǎn)尺寸大于四象限的尺寸時(shí)聚焦誤差曲線(xiàn)則進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)域。因?yàn)镈VD光學(xué)讀取頭是一個(gè)高度集成的產(chǎn)品，所以通過(guò)更換面積更大的四象限感測(cè)器來(lái)增加聚焦誤差曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍（即該微位移感測(cè)系統(tǒng)的量程）的方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

從準(zhǔn)直透鏡出來(lái)的平行光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡后匯聚于焦點(diǎn)，如圖4所示。對(duì)于一個(gè)確定的四象限傳感器和一個(gè)確定的聚焦透鏡，在保持FES曲線(xiàn)為線(xiàn)性（即打在四象限感測(cè)器上的光斑大小不超出四象限的感測(cè)范圍）的前提下，允許反射鏡在焦點(diǎn)前后移動(dòng)的距離也是確定的，亦即允許打在反射鏡的光斑的最大直徑是確定的。假設(shè)數(shù)值孔徑（NA）為α的聚焦透鏡，其線(xiàn)性感測(cè)范圍為2a。在此前提下，如果將透鏡的數(shù)值孔徑角減小，在保持反射鏡上最大光斑直徑不變的情況下，反射鏡在焦點(diǎn)前后的可移動(dòng)范圍就更大，從而使該掃描探頭的線(xiàn)性感測(cè)范圍（量程）變大，如圖5所示。

圖4 孔徑角為α的透鏡聚焦示意圖

圖5 孔徑角為β的透鏡聚焦示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)量FES曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖6所示。以SIOS激光干涉儀作為位移測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)器是德國(guó)PI公司生產(chǎn)的E－861。固定改裝后的DVD光學(xué)讀取頭不動(dòng)，使用納米微動(dòng)工作臺(tái)［9］承載反射鏡由遠(yuǎn)到近靠近測(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NI公司的數(shù)據(jù)采集卡（PCI－6251）采集每一位置經(jīng)過(guò)信號(hào)運(yùn)算放大處理模塊的聚焦誤差信號(hào)電壓值。首先裝DVD光學(xué)讀取頭自帶的聚焦透鏡（NA＝0.60，文獻(xiàn)［3－7］中使用的都是這種聚焦透鏡）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如圖7a所示位移S與FES關(guān)系曲線(xiàn)，從圖7a中可以看出，線(xiàn)性好的部分大約只有4μm左右。再裝上一個(gè)NA＝0.16的聚焦透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到圖7b所示的位移S與FES關(guān)系曲線(xiàn)，從中可以看出，線(xiàn)性好的部分至少有90μm，相比圖7a放大了22.5倍多。這說(shuō)明減小DVD光學(xué)讀取頭聚焦物鏡NA的方式，可以有效地?cái)U(kuò)大其聚焦誤差曲線(xiàn)的線(xiàn)性感測(cè)范圍，從而增大掃描探頭的量程。但同時(shí)在分辨率上有所犧牲，在圖7b中間線(xiàn)性比較好的90μm范圍內(nèi)，電壓范圍為＋3.8～－4.4V，由此可算出靈敏度約為11.0nm／mV或0.1mV／nm。經(jīng)硬件濾波后的信號(hào)噪聲約為20mV，再經(jīng)軟件平均濾波后的信號(hào)噪聲如圖8所示，從圖8中可以看出任意相鄰2點(diǎn)的電壓差均小于0.2mV，故該系統(tǒng)可以達(dá)到2nm的分辨力。數(shù)據(jù)采集速度大于10 000／s，滑動(dòng)平均濾波窗口為30，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間小于10ms。

圖6 測(cè)量FES曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)原理圖

圖7 不同NA值聚焦透鏡對(duì)應(yīng)的FES曲線(xiàn)

圖8 經(jīng)軟件平均濾波后的信號(hào)噪聲

去掉圖6中的干涉儀系統(tǒng)，將DVD感測(cè)系統(tǒng)放到一個(gè)納米測(cè)量恒溫箱中，保持DVD和反射鏡不動(dòng)，待恒溫箱中的溫度場(chǎng)穩(wěn)定（20±0.025℃）后，開(kāi)始采集DVD輸出的電壓信號(hào)，采集到的電壓數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列，20min的穩(wěn)定性誤差為88nm。

在實(shí)際使用中，可以根據(jù)感測(cè)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 掃描探頭穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以DVD光學(xué)讀取頭為基礎(chǔ)，通過(guò)更換NA值為0.16的聚焦透鏡，開(kāi)發(fā)出一種線(xiàn)性感測(cè)范圍超過(guò)90μm，20min的穩(wěn)定性誤差為82.5nm，體積小、成本低的非接觸式掃描探頭。

［1］李 勇，周兆英，葉雄英.微型泵和微型閥的發(fā)展［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1996，17（1）：56－60.

［2］苑偉政，馬炳和.微機(jī)械與微細(xì)加工技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000：13－17.

［3］Akuta T，Negishi Y.Development of an automatic 3－D shape measuring system using a new auto－focusing method［J］.Measurement，1991，9（3）：98－103.

［4］吳曉峰.激光自動(dòng)聚焦三維形狀測(cè)量系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，1996，17（2）：129－131.

［5］Fan K C，Chu C L，Mou J I.Development of a low－cost auto focusing probe for profile measurement［J］.Measurement Science ＆ Technology，2001，12（1）：2137－2146.

［6］陳葉金，范光照，劉玉圣.微器件表面3D形貌的新型微／納米探頭測(cè)量系統(tǒng)［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2006，27（1）：12－17.

［7］Fan K C，Cheng F，Wang W L，et al.A scanning contact probe for a micro coordinate measuring machines（CMM）［J］.Measurement Science ＆ Technology，2010，21（5）：054002.

［8］賀鋒濤，白永林，馮曉強(qiáng)，等.像散法對(duì)微位移和微振動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量［J］.光子學(xué)報(bào)，2003，32（10）：1208－1210.

［9］奚 琳，余曉芬，范 偉.新型Nano－CMM二維定位平臺(tái)研究［J］.合 肥 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)：自 然 科 學(xué) 版，2006，29（12）：1605－1608.