CN102353333B - 一种大量程高精度微纳米扫描探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大量程高精度微纳米扫描探头，包括多功能微纳米激光测量头，多功能微纳米激光测量头物镜筒中的聚焦透镜的数值孔径值介于0.16-—0.6之间。本发明通过更换多功能纳米激光测量头中聚焦透镜，选择数值孔径值介于0.16-0.6的聚焦透镜，可以得到量程介于5微米到120微米之间的测量范围，同时可以获得更高的测量分辨力。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米测量装置领域，具体为一种大量程高精度微纳米扫描探头。
背景技术
随着微机电系统（MEMS）技术的快速发展，尺寸介于毫米和微米之间的微型器件相继问世。同时，很多场合需要对表面粗糙度、微震动、微应变、定位精度等微位移进行测量。由此带动了具有微米级测量范围和纳米级测量精度的微位移感测技术的发展。
中国专利号为200520069705.5的专利公开了一种多功能纳米激光测量头。如图1所示，它包括外壳（7），外壳（7）中有作为激光光源器件的激光二极管（1），激光二极管（1）的出射光经过光栅（2）衍射后入射至分光镜（3），衍射光被分光镜（3）反射至反射镜（4），反射镜（4）将一部分入射光90度反射至准直透镜（5），经过准直透镜（5）准直后，再被直角棱镜（6）90度转折后入射至安装在外壳（7）上的物镜筒（8），并通过物镜筒（8）中的聚焦透镜（9）聚焦后出射，同时反射镜（4）将另一部分入射光沿原光路反射至分光镜（3），被分光镜（3）透射后入射至柱面象散透镜（10），经过柱面象散透镜（10）透射后入射至四象限光电二极管传感器（11）。这种探测头精度高，稳定性好，可采用手持的方式进行工作，具备离焦误差检测和准直激光光源的双重功能，但其通常配备的聚焦透镜的数值孔径值为0.6，存在着测量范围小的缺点，制约了多功能微纳米激光测量头的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种大量程高精度微纳米扫描探头，克服了现有技术偏见，申请人在实际使用中有新的灵感与发现，通过配备多个数值孔径值不同的聚焦透镜，以解决现有技术的多功能微纳米激光测量头测量范围小的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种大量程高精度微纳米扫描探头，包括多功能微纳米激光测量头，其特征在于：所述多功能纳米激光测量头物镜筒中安装有聚焦透镜，所述的多功能纳米激光测量头配备有多个数值孔径值不同的聚焦透镜更换使用，各聚焦透镜的数值孔径值介于0.16-—0.6之间。
本发明采用专利号为200520069705.5的多功能微纳米激光测量头的结构。
本发明通过更换多功能纳米激光测量头中聚焦透镜，选择数值孔径值较小的聚焦透镜，可以得到量程超过120微米，稳定性误差小于100nm，体积小、成本低的微位移计。通过更换数值孔径值介于0.16－0.6之间的聚焦透镜，还可以获得介于5微米到120微米之间的测量范围，这样在满足测量范围的同时可以获得更高的测量分辨力。
附图说明
图1为多功能微纳米激光测量头光路原理图。
图2为多功能微纳米激光测量头测量FES曲线结构原理图。
图3为用数值孔径值NA＝0.6的聚焦透镜实验得到的FES曲线图。
图4为用数值孔径值NA＝0.4的聚焦透镜实验得到的FES曲线图。
图5为用数值孔径值NA＝0.3的聚焦透镜实验得到的FES曲线图。
图6为用数值孔径值NA＝0.16的聚焦透镜实验得到的FES曲线图。
具体实施方式
一种大量程高精度微纳米扫描探头，包括专利号为200520069705.5的多功能微纳米激光测量头，结构见图1，多功能微纳米激光测量头物镜筒中安装有聚焦透镜，该多功能微纳米激光测量头配备有多个数值孔径值不同的聚焦透镜更换使用，各聚焦透镜的数值孔径值介于0.16-—0.6之间。
如图2所示。对多功能纳米激光测量头进行FES曲线测量的装置包括光学反射镜 、双频激光干涉仪、精密移动台、PC。以HP5529型双频激光干涉仪作为位移测量标准，驱动器是以色列Nanomotion公司生产的HR4。固定多功能纳米激光测量头不动，使用精密移动工作台承载光学反射镜由远及近的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6位半精密数字万用表采集每一位置经过信号运算放大处理模块的聚焦误差信号电压值，并通过串口程序传入PC的测量程序。先装上多功能纳米激光测量头自带的聚焦透镜（NA＝0.6，专利号为200520069705.5的多功能微纳米激光测量头中使用的就是这种聚焦透镜）进行实验，得到如图3所示位移与电压关系曲线，从图3上可以看出，线性部分大约只有5微米左右。再装上一个NA＝0.4的聚焦透镜进行实验，得到图4所示的位移与电压关系曲线，从图4可以看出，线性部分至少有12微米左右，较图3明显放大。再装上一个NA＝0.3的聚焦透镜进行实验，得到图5所示的位移与电压关系曲线，从图5可以看出，线性部分将近有50微米，又较图4有显著放大。再装上一个NA＝0.16的聚焦透镜进行实验，得到图6所示的位移与电压关系曲线，从图6可以看出，线性部分至少有120微米，较图5有显著放大，较图3放大了24倍多。说明通过减小多功能纳米激光测量头聚焦物镜NA的方式，可以有效的扩大其聚焦误差曲线的线性感测范围（聚焦透镜NA值与聚焦误差曲线的线性感测范围之间是反向的非线性关系，NA值越小时，减小NA值引起的线性感测范围增加越快），从而增大微位移计的量程。但同时在分辨率上有所牺牲，在图4中间线性比较好的120微米范围内，电压从正4.2伏变化到负4.8伏，由此可算出分辨率约为13.3nm/mV。测量稳定性的测试数据如表1所示，20分钟的稳定性最大误差为106.4nm，标准差为68.85nm。当然在实际使用中，可以根据测量范围和精度的要求，选择合适的聚焦透镜，以获得最佳的测量效果。
表1：微位移计稳定性测试数据
| 时间（分钟） | 电压值（V） | 位移（nm） |
| 0 | 2.260 | 0 |
| 5 | 2.257 | 39.9 |
| 10 | 2.252 | 106.4 |
| 15 | 2.255 | 66.5 |
| 20 | 2.254 | 79.8 |
Claims (1)
1.一种大量程高精度微纳米扫描探头，包括多功能微纳米激光测量头，其特征在于：所述多功能微纳米激光测量头物镜筒中安装有聚焦透镜，所述的多功能微纳米激光测量头配备有多个数值孔径值不同的聚焦透镜更换使用，各聚焦透镜的数值孔径值介于0.16-—0.6之间。
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