CN102844665B - 调准及抗飘移机制 - Google Patents

调准及抗飘移机制 Download PDF

Info

Publication number
CN102844665B
CN102844665B CN200980162097.3A CN200980162097A CN102844665B CN 102844665 B CN102844665 B CN 102844665B CN 200980162097 A CN200980162097 A CN 200980162097A CN 102844665 B CN102844665 B CN 102844665B
Authority
CN
China
Prior art keywords
actuator
drift
measured
displacement sensors
institute
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN200980162097.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102844665A (zh
Inventor
黄英硕
胡恩德
汉斯·乌尔利·丹佐布林克
哈德莫·I
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Academia Sinica
Original Assignee
Academia Sinica
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Academia Sinica filed Critical Academia Sinica
Publication of CN102844665A publication Critical patent/CN102844665A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102844665B publication Critical patent/CN102844665B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065—Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself

Abstract

一种系统包括一位移传感器、一致动器及一回馈单元。其中，位移传感器用以测量介于位移传感器及一待测对象之间的一相对位置及一相对方位的至少其中之一；致动器连接位移感应器与/或待测对象；回馈单元接收来从位移传感器的一信号，其与测量所得的相对位置或相对方位有关，其中回馈单元依据所接收的信号的一飘移，控制致动器去移动位移传感器，而飘移是基于一环境状态的改变而产生。

Description

调准及抗飘移机制
相关申请案的交互参照资料
本申请案与2006年5月31日申请、并于2007年7月24日核准的美国专利第7,2487,827号(发明名称为待测物表面的高度、角度及变化的测量系统)相关，且与2006年10月21日核准的台湾专利第I264520号相关，其内容以全文引用方式并入本文中。
本申请案还与2009年10月19日申请的美国专利的共同申请案第_/_,_号(代理人案件編號70002-215001、发明名称为「光學影像系統」)相關，其内容以全文引用方式并入本文中。
技术领域
本发明是关于一种具有调准及抗飘移机制的系统及方法。
背景技术
多种量测方法，例如光杠杆(beam deflection)、像散侦测(astigmaticdetection)及电容测量(capacitance measurement)等方法，已经普遍的使用在待测对象于微米级及奈米级的位置或角度的测量。这些精密的位移测量系统很容易受到环境变化的影响，例如温度或湿度的变化，或者是系统内部构件的变化等环境变化。举例来说，光杠杆与像散侦测是使用光学测量的系统，其包括一光源(例如是一激光)、透镜及光传感器。其中，当系统周围的温度或湿度改变时，则光源所发出光的波长可能随著变化。在位移系统中，由热源(例如是光源)所形成的热梯度(thermal gradient)及/或在系统构件中的应力释放(stress relaxation)将造成在位移系统中不同构件的相对位置改变，而使得侦测信号产生飘移。此外，当周围温度或湿度改变时，将造成在电路中的信号改变，例如是在系统中的位移传感器的电路。另外，仪器的热容(heatcapacity)可以造成与温度有关飘移的时间延迟。一般而言，当在位移测量系统中的构件越多时，系统对于内部或外部环境的改变就会越敏感。
另外，热膨胀是造成信号飘移的主因。即使透过一稳固的机械装置固定一位移传感器仍无法改善其问题。这是因为传感器与待测对象之间的相对距离会缓慢的改变，因此，被侦测到的位移信号(其代表传感器与待测对象之间的相对距离)仍可能持续随时间飘移。举例来说，铝相较于其它材料来说，是较为便宜且易于加工，因此，被广泛的使用在制造仪器的框体上，而铝的热膨胀系数是22.2x 10-6K-1，换言之，如果两个构件固定在铝框体上，其分隔距离为10mm，当温度每增加一度则因框体的热膨胀效应，就会导致两个构件的相对距离会增加222nm。在相同的条件下，若使用钢取代铝来作为框体的材料，则两个构件的相对距离会增加130nm。再者，每个构件在一精密位移测量系统中，可能都具有不同的热膨胀率。因此，在位移测量中，要预测飘移的方向与大小通常并不容易，对于一具有奈米级分辨率的位移测量系统来说，数百奈米的热飘移将严重降低测量的精准性。
在许多位移测量系统中，样品的表面会被摆设在位移传感器的特定距离与角度范围以内。举例来说，一像散式侦测系统可以测量一个样品沿着一坐标轴的平移量，且可以测量样品分别绕两个坐标轴的角位移量。像散式侦测系统具有一光路径机构，其利用一激光束通过一透镜模块，并聚焦于待测对象的表面，然后待测对象将光反射以通过透镜模块，并且在一光传感器上形成一光点。经由光传感器所侦测到光点的形状及位置，可以分析出待测对象的平移量或角位移量。当待测对象表面接近于侦测光束的焦点及/或在像散式侦测系统中的聚焦误差信号的线性区域内，像散式侦测系统可以侦测待测对象的位移；聚焦误差信号的线性区域(以DVD光学读取头为例)一般约为6-8μm，因此，为了调整待测对象表面高度到像散式侦测系统的线性区域以内，可使用一精密的线性平移台。然而，即使用较精密的调整台，仍然会产生信号飘移的问题，而且待测对象表面的飘移，会使得待测对象脱离像散式侦测系统中位移传感器的侦测区域。
目前有许多应用于最小化或者避免微米级或奈米级位移测量系统中的信号飘移的方案。举例而言，可使用具有一低热膨胀系数的材料，如花岗岩(热膨胀系数为3.7x 10-6K-1)、镍铁合金(热膨胀系数为1.3x 10-6K-1)或微晶玻璃(热膨胀系数为0.02x 10-6K-1)，以便减少仪器的热膨胀，但是这些材料较为昂贵而且不易加工。另外，透过空调技术或其它周遭环境的控制系统，可以更小心的控制位移测量的环境状态。然而，这样的系统仅能维持温度与湿度于一特定的范围内。更进一步来说，在位移测量系统中的致动器与传感器，本身即是一种寄生热源，其创造一个局部时变的温度梯度。而这并非由一般的环境控制系统所能解决的问题。
发明内容
本发明的一种系统，其包括一位移传感器、一致动器及一回馈单元。其中，位移传感器用以测量介于位移传感器及一待测对象之间的一相对位置及一相对方位的至少其中之一；致动器连接于待测物及/或位移感应器之间；回馈单元接收来从位移传感器的一信号，其与测量所得的相对位置或相对方位有关，其中回馈单元依据所接收的信号的一飘移，控制致动器去移动位移传感器，此飘移是基于一环境状态的改变而产生。
在本发明的实施例中，还可以包括一个或者多个以下的特征：环境状态的改变包括一温度的改变及一湿度的改变的至少其中之一；环境状态的改变包括一局部温度的改变；所接收的信号的飘移还从系统中的一机械应力释放所产生。
另外，回馈单元依据所接收的信号的低频飘移，控制致动器，其中，低频飘移的频率是低于1Hz，或低频飘移的频率是介于低于1Hz及100mHz之间。
位移传感器包括一光传感器及一物镜，其位于待测对象及光传感器之间。回馈单元包括一积分器、一放大器及一噪声最小化单元。而相对位置包括一垂直或侧向相对距离，其位于位移传感器及待测对象之间。
致动器与物镜连接，且回馈单元控制致动器去移动物镜。其中，致动器包括多个堆栈的压电陶瓷或一音圈马达，且致动器包括一阻尼材料，其用以减少致动器的共振振幅及质量因子，或用以改变致动器的共振频率。
在另一实施例中，本发明亦揭露一种方法，其包括下列步骤：测量介于一位移传感器及一待测对象之间的一相对位置及一相对方位的至少其中之一；在一回馈单元中，接收一信号，其与测量所得的相对位置或相对方位有关；以及依据所接收的信号的一飘移，控制一致动器去移动位移传感器或待测物，其中飘移是基于一环境状态的改变而产生。
在本发明的实施例中，还可以包括一个或者多个以下的特征：本发明的方法还包括设定回馈单元的一设定值；控制致动器去移动位移传感器的步骤包括在设定值的一预先选择区域内，维持所接收的信号。另外，本发明的方法还包括设定回馈单元的一驱动速度与一驱动频宽的至少其中之一，其中驱动速度与驱动频宽是依据回馈单元的设定值及所接收的信号之间的一误差而改变。
承上所述，控制致动器去移动位移传感器的步骤包括维持位移传感器与待测对象之间的相对位置或相对方向实质上不变。另外，控制致动器去移动位移传感器的步骤包括减少位移传感器与待测对象之间的相对位置或相对方向的飘移。另外，控制致动器去移动位移传感器的步骤包括控制致动器相对于待测对象垂直的移动位移传感器。此外，控制致动器去移动位移传感器的步骤包括控制致动器去侧向的相对于待测对象移动位移传感器。
在本文中所描述的一种具有调准及抗飘移机制的系统及方法具有许多优点，例如：在精密的位移测量系统中，缓慢变化的信号飘移可以明显的减少，而且在这样的测量系统中，待测对象与位移传感器之间相对位置与相对方位可维持至少24小时的时间，使得无论在微米等级或者奈米等级下，仍可以做高解析测量，例如微机电或者奈机电组件及微型组件的机械动力特性等。再者，由于本文提出降低系统中的振动噪声的方法，因此即使用低机械刚性的致动器(例如用于CD或DVD光学读写头上的音圈马达)也可以应用在高分辨率的位移测量中。
附图说明
图1显示由位移传感器输出的信号随时间变化的关系图；
图2显示在一空调系统中，温度随时间变化的关系图；
图3是一示意图，显示一调准与抗飘移系统；
图4A显示周遭的温度变化示意图；
图4B显示在图4A的环境底下，调准及抗飘移系统中补偿效应的示意图；
图5是一示意图，显示一调准及抗飘移系统的回馈控制驱动器；
图6是一示意图，显示一像散式侦测系统，其与一调准及抗飘移系统配合使用；
图7A是一示意图，显示一像散式侦测系统，其与一调准及抗飘移机制配合使用；
图7B是一示意图，显示一具有阻尼致动器的调准及抗飘移系统；
图8显示一致动器的噪声频谱的频域；
图9显示各种不同像散式侦测系统下，信号飘移的示意图；以及
图10是一示意图，显示一激光全像单元，其与一调准及抗飘移系统配合使用。
具体实施方式
请参照图1所示，在一位移测量系统中，一输出信号100可快速的飘移，其中当系统开启(对应区域102)时，系统将会在数秒到数分钟内趋于稳定(对应区域104)。然而，输出信号100仍会于位移测量系统的操作期间，继续缓慢飘移。其中，大部份的信号飘移是由周遭温度的飘移所造成。如果位移测量系统在没有环境控制装置而且没有其它飘移补偿的状况下进行操作，输出信号的飘移大约与系统温度的飘移成正比，而且，信号可以依据在位移测量系统中材料的热膨胀特性及在系统中机械应力释放(relaxation of mechanicalstresses)的存在与否，而往正方向或者负方向飘移。
然而，请参照图2所示，即使位移测量系统设置于温控室中，由于温控系统精准度的差异，温控室仍会有微小的温度飘移。举例来说，假如一具有精准度为±0.2℃的温度控制系统维持控温室的温度在25℃，此时，控温室的温度将会呈正弦曲线的变动(如同曲线200)而维持一平均温度在25℃，而且周期为30分钟。在这个例子中，周遭温度改变的频率是0.55mHz。这个低频温度变动造成在位移测量系统(系统是设置于温控室中)中的位移传感器的输出信号具有一缓慢的飘移。其中，输出信号的飘移速度，无论是位移测量系统中构件的机械应力释放或者是位移传感器中电子特性的改变，使得输出信号的飘移速度具有相近似的数量级。欲量测的位移信号与待测对象的机械运动有关，且位移信号的频率是100mHz的数量级或者更高，相较之下，比飘移速度更快。因此，当测量快速变化的位移信号及由其衍伸的其它信号时，位移信号所具有缓慢变化的飘移是可能被补偿的。
请参照图3所示，一个调准及抗飘移系统300(以下简称为抗飘移系统300)，其用于一位移测量系统，用来调准一位移传感器302及待测对象306的上表面304之间的相对位置及/或方位；同时，抗飘移系统300也对位移传感器302的输出信号的飘移作出补偿。在本实施例中，抗飘移系统300包括一低速回馈控制驱动器308、一致动器310及一位移传感器302。位移传感器302可以是任何与精密位移测量系统兼容的位移传感器，例如是一对焦传感器(focus sensor)或是一像散传感器(astigmatic detection sensor)。其中，位移传感器302可以测量位移传感器302与待测对象306的上表面的相对位置或方位，并产生一输出信号，以输出至回馈控制驱动器308。回馈控制驱动器308依据所接收到的信号，驱动致动器310以调整或维持位移传感器302与待测对象306的上表面的相对位置或方位。举例来说，为了最小化或者消除信号飘移，可以透过致动器310的作动，以维持位移传感器302的一恒定时间平均位移信号。在部分实施例中，为了最小化测量的不确定性以及最大化位移传感器的灵敏度，抗飘移系统300会维持位移传感器302中具有线性或准线性的响应特性的区域所产生的输出信号。在像散式侦测系统中，聚焦误差信号与待测对象表面的平移量之间具有一线性侦测区域，在这线性区域中，测量到的位移信号对于待测对象的位移具有较高的灵敏度。
请参照图3、图4A及图4B所示，一种位移测量系统设置于一具有温度飘移曲线400温控室，若未对飘移(温度飘移)作补偿，则位移传感器302的输出信号具有显著的变化(如同曲线402)。当位移测量系统具有抗飘移系统300时，位移传感器302与待测对象306之间的距离是可以被维持的(在此假设没有待测对象本身的机械震动的条件下)。因此，位移传感器302的输出信号将更稳定(如同曲线404)。
位移传感器302的输出信号可以分成两个部分，其一是高频部分，其二是低频部分。其中，高频部分(快速变化)包括了待测对象306的机械运动的讯息，并作为后续测量使用；低频部分(缓慢变化)是有关信号飘移，并作为回馈控制驱动器308的输入信号。
请参照图5所示，低速回馈控制驱动器308包括一积分器502、一放大器504及一噪声抑制单元506。其中，噪声抑制单元506包括一低通滤波器、一被动分压器或其它噪声抑制的构成组件以最佳化回馈控制驱动器的讯杂比。在部分实施例中，一低通滤波器及一被动分压器两者可同时的使用，以最小化回馈控制驱动器308中的噪声。低通滤波器是由低噪声组件所构成，低噪声组件例如金属膜电阻器(metal film resistor)及薄膜电容(foil capacitors)，且低通滤波器是位于回馈控制驱动器308与被动分压器之间。被动分压器是由低噪声金属膜电阻器所构成。回馈控制驱动器308可以是一模拟控制电路(analog-controller based circuit)、一数字信号处理系统(digital signalprocessing(DSP)-based system)或任何其它具有软件为基础的控制器或者结合适合致动驱动器(actuator driver)的控制器的数位板或平台。
位移传感器302与待测对象306上表面的相对位置与方位可以透过选择回馈控制驱动器308的一设定值(set point)而调整。一旦设定值被选定后，将可设定回馈控制驱动器308的驱动速度(driving speed)及/或驱动频宽(driving bandwidth)，以达到预设的测量条件，且于整个位移测量的过程，都会被固定。低驱动速度或驱动频宽将减少被已测量位移信号的噪声。然而，在降低追踪及/或初始调准位移传感器302相对于待测对象306至一预设位置或方位的条件下，回馈控制驱动器308的响应是较为缓慢的。因此，在部分实施例中，回馈控制驱动器308的驱动速度与驱动频宽是可以依据算法而调整，例如，驱动速度与驱动频宽可以依据被侦测到的位移信号与设定值之间的偏差而改变。当偏差大的时候(例如在测量的开始阶段)，因考虑到快速的初始调准，则使用一高驱动速度或驱动频宽；当偏差小的时候，则使用一低驱动速度或驱动频宽。
由于待测对象306的机械运动，使得回馈控制驱动器308驱动致动器310以一速度作动，其中前述速度慢于位移速度，但是快于位移传感器302的信号的飘移速度。在本实施例中，致动器310的作动速度小于100mHz，或介于1Hz–100mHz之间。在部分状况下，待测对象的振动或者位移在大于100mHz或100nm/s的速度下(快于补偿速度)，抗飘移机制不会对位移传感器的测量结果造成的影响。
在部分实施例中，致动器310是一机械刚性高的结构，例如压电陶瓷致动器。因为刚性高的致动器可以快速响应，以便后续作回馈控制，所以回馈控制单元308的驱动频宽可以相对的快速以补偿信号的飘移。在其它实施例中，致动器310是一个低刚性的结构，例如是一使用在DVD读写头中的音圈马达。此时，音圈马达就如同是一机械共振器，且容易与环境的振动耦合，进而影响到位移量测信号。在这个例子中，为了最小化测量噪声，回馈控制驱动器308的驱动频宽宁可相对较低，但仍然比热飘移速度来的快。在部分实施例中，致动器310的振动可透过施加一阻尼材料或者藉由其它的阻尼方法(像是涡电流阻尼或磁流)而进行阻尼。
请参照图6所示，一种具有调准及抗飘移机制的系统被结合到像散式侦测系统3中，用以测量待测对象4表面的高度、角度及其变化。一光源31，例如是一激光二极管，发出一光束604，其被分光器32所反射，以通过一准直器33到达物镜34。物镜34将光束聚焦成为一聚焦侦测光点，而形成在待测对象的表面。待测对象4将光反射通过物镜34、准直器33及分光器32，而聚焦在位置灵敏感测模块35上。位置灵敏感测模块35是由四个四分之一圆35a、35b、35c及35d(四象限位置灵敏传感器)架设于光传感器上所构成，以分别输出测量信号SA、SB、SC、SD。待测对象4的平移量及角位移量可以依据聚焦于位置灵敏感测模块35上的光点的位置与形状而决定。其中，透过处理测量信号SA、SB、SC、SD，以得到待测对象4位移的算法已经被揭露于美国专利第7,247,827号中，在此容不赘述。
请参照图6及图7A所示，在一抗飘移机制600被结合到像散式侦测系统3中，物镜34被固定在一致动器602上，致动器例如是一音圈马达，其可沿着照射侦测光束604的方向(例如是Z方向)移动，以改变物镜34的焦点的垂直位置。像散式侦测系统3及待测对象4被一稳固的机械装置固定，例如是一金属框体5。一回馈控制驱动器608接收从像散式侦测系统3的位置灵敏感测模块35中已处理的位移信号，其中回馈控制驱动器608控制致动器602的Z轴运动，以控制物镜34的焦点位置，为了使位置灵敏感测模块35中已处理的位移信号维持在一个固定的操作点(避免飘移)。调准及抗飘移机制维持聚焦误差信号在灵敏感测模块35具有最灵敏线性位移的一区域范围内及/或一具有局部不变的梯度区域范围内。那就是说，待测对象4的表面高度被保持在接近于侦测光束的焦点位置。在部分实施例中，致动器602也提供沿着X轴及Y轴的运动，以在待测对象4表面的不同位置上，进行侦测光束的多轴线性调准。
请参照图7B所示，假设像散式侦测系统3的致动器602是低刚性的，则外部的振动将会引发像散式侦测系统34与待测对象4表面间不必要的运动，因此，透过使用具有特定黏度阻尼材料36的致动器602，可以有效的减少这些不必要的运动。另外，致动器602的工作速度可以透过选择一适当的阻尼材料及适当的数量而进行调整，而应用一高黏度的阻尼材料，将减少系统对于外部振动的灵敏性，但是也会降低致动器的工作速度或工作频宽。相反的，应用低阻尼材料，或者使用具有低黏性的阻尼材料将会增加致动器的工作频宽或者工作速度，但是也会使得系统更容易受到外在振动的影响。一般来说，可适当的选择阻尼材料，使得致动器工作频宽或者工作速度大于周遭飘移速度，以维持补偿信号飘移的能力。
请参照图8所示，像散式侦测系统3中侦测到的聚焦误差信号的噪声频谱，其中曲线802表示没有阻尼材料的致动器，而曲线804表示有阻尼材料的致动器。其中，致动器可以是音圈马达，待测对象4表面的振动(单位是m/Hz1/2)被显示在频域中。在本实施例中，阻尼材料可以是如奶油般的油(cream-likeoil)具有一温度20℃(68°F)下介于0.1–100mm2/s的动黏性(kinematicviscosity)，阻尼材料可以使用一些商业上容易购得的产品(例如，DC-976DowCorning high vacuum grease or GPL 223Anti-CorrosionPerfluorinated Polyether Grease manufactured by DuPont)。此外，阻尼材料将会降低致动器602的共振振幅及质量因子，及改变致动器的共振频率。在曲线802的区域(没有阻尼材料)，噪声约在100Hz以下，而机械振动是在10-8m/Hz1/2的数量级；在曲线804的区域(有阻尼材料)，这个低频噪声将被减少三个数量级，因此，对致动器602作适当的阻尼处理，将可增加系统的稳定性，且减少在致动器中对系统所产生的外部振动所产生的噪声。
请参照图9所示，针对具有不同控制机构的像散式侦测系统的DVD光学读写头，而做出测量得到的聚焦误差信号的比较。在第一个机构中(曲线902)，具有一不受控制的音圈马达致动器，而且并没有启动抗飘移控制以及阻尼材料，其中，聚焦误差信号的飘移约是4nm/s，由外部振动所产生的高频变动在信号中是明显可见的。在第二个机构中(曲线904)，音圈马达透过黏着剂被固定在像散式侦测系统，并没有安装抗飘移回馈控制，在这个例子中，因为结构刚性较佳，使得高频变动有效的被减少，不过，聚焦误差信号仍然会飘移，其速度约为0.25nm/s。在第三个机构中(曲线906)，像散式侦测系统具有调准及抗飘移机制(如同图7B所示)，那就是说，阻尼材料可以被施加到致动器且用一低速回馈控制驱动器来控制致动器，其中，像散式侦测系统的聚焦误差信号是趋近于0，而且在测量期间，几乎没有飘移产升，更进一步来说，在具有一些飘移的待测对象表面上，透过调准以及抗飘移机制有效的对侦测光束进行调准及抗飘移，可以维持超过24小时。
请参照图10所示，具有调准及抗飘移机制的像散式侦测系统3与激光全像单元6的对焦传感器配合使用，例如是应用在CD或者DVD光学驱动器中。其中，一激光二极管62发出一光束，其通过一准直器65及物镜64，而且投射到待测对象4的表面，或者是接近物镜64的焦点，以在待测对象4的表面上形成一侦测光束，被待测对象4反射的光束通过物镜64、准直器63及一全像光组件61，而且被聚焦在光检测器63，透过计算从光检测器63所侦测的信号，待测对象4的表面的Z方向位移可以由聚焦误差信号而决定。
承上所述，物镜64被设置在致动器70，例如为音圈马达，致动器70至少可以沿着照射侦测光束的方向移动(例如Z方向)。其中，致动器70可以被低速回馈驱动器(图中未示)所控制，以在Z方向上，移动物镜64去改变聚焦的状态，以使得光侦测器63的输出可以被维持在一个预设的数值。在部分实施例中，致动器70也提供额外沿着X轴及/或Y轴的一维或二维运动，以在待测对象4表面的不同位置上，进行已聚焦侦测光束的多轴线性调准。
在这里所描述的调准及抗飘移机制可用以侦测微型悬臂或其它微机电系统中的组件的机械运动(例如平移或者角位移)，而这个机构亦可应用在原子力显微镜上以及基于微/奈机电系统中悬臂梁结构静态形变及动态运动侦测机制的化学或生物传感器。当应用到这些技术的时候，待测对象4可以是指原子力显微镜的悬臂或者是在微机电系统中或者奈机电系统中的悬空组件。此外，待测对象4也可以是一般的样品，举例来说，如同图6所示，具有一表面轮廓仪的调准及抗飘移机制可用于侦测样品4的表面高度及/或倾斜角。其中，当样品被快速扫瞄时，调准及抗飘移机制可以调准样品表面已聚焦的侦测光束，而且补偿缓慢变化的信号飘移。
在上述实施例中，位移传感器可侦测介于传感器与待测对象表面之间的垂直高度，例如是介于传感器与待测对象之间的相对距离，调准与抗飘移机制能够调整高度到一预设的位置而且维持高度没有产生飘移，这个机构也能够用以调整及维持待测对象的侧向位置(lateral position)。在部分实施例中，待测对象的侧向位置可以被维持，透过使用影像处理去计算出待测对象缓慢的飘移，而这个技术已经被揭露在2009年10月19日申请的美国专利的共同申请案中(代理人案件編號70002-215001、发明名称为「光學影像系統」)，在此容不赘述。在部分实施例中，可以使用特定的方法，使得待测对象的侧向位置可以被维持及调整，而这个技术已经被揭露在另一篇美国专利申请(申请案公开号第2009/0225305号、发明名称为「光学多轴线性位移测量系统其及方法」)中。在部分实施例中，调准与抗飘移机制用以调准及维持物体表面相较于位移传感器的光束行进方向的倾斜角(例如垂直于传感器光束的方向)，而位移传感器能够用来侦测倾斜角，且致动器能够用来调整倾斜角。在部分实施例中，同时调准及维持高度及倾斜角是有可能的。而在部分实施例中，可以同时采用多个回馈控制(multiple feedback control)驱动器的方式，其中，每个驱动器控制一个致动器，举例来说，一些DVD光学读写头配置有音圈马达，其可用来做二维线性位移的调整(例如沿着光束行进的方向及垂直于光束行进的方向)，而且做一维或二维物镜倾斜度的调整。调准及反漂流机构被应用在这些DVD光学读写头中，能够调准及维持在一维中的平移位置及二维中待测对象相对光学读写头光轴的倾斜角。
以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims (23)

1.一种具有调准及抗飘移机制的系统，包括：
一位移传感器，用以测量介于所述位移传感器及一待测对象之间的一相对位置及一相对方位的至少其中之一，所述位移传感器输出一信号，所述信号具有一高频部分及一低频部分，所述高频部分包括所述待测对象的机械运动的讯息，所述低频部分是关于所述信号的一飘移；
一致动器，连接所述位移感应器及待测对象；以及
一回馈单元，接收来从所述位移传感器的所述信号的所述低频部分，所述信号与测量所得的所述相对位置或所述相对方位有关，其中所述回馈单元依据所述低频部分，控制所述致动器去移动所述位移传感器，所述回馈单元的一驱动速度与一驱动频宽是依据所述回馈单元的一设定值及所接收的所述信号之间的一误差而改变，而所述飘移是基于一环境状态的改变而产生。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述环境状态的改变包括一温度的改变及一湿度的改变的至少其中之一。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述环境状态的改变包括一局部温度的改变。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所接收的所述信号的所述飘移还从所述系统中的一机械应力释放所产生。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述低频飘移的频率是低于1Hz。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述低频飘移的频率是介于1Hz及100mHz之间。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述位移传感器包括一对焦传感器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述位移传感器包括：
一光传感器；及
一物镜，其中所述物镜位于所述待测对象及所述光传感器之间。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述致动器与所述物镜连接，且所述回馈单元控制所述致动器去移动所述物镜。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动器包括压电陶瓷致动器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动器包括一音圈马达。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动器包括一阻尼材料。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述阻尼材料系用以减少所述致动器的共振振幅及品质因子。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述阻尼材料系用以改变所述致动器的共振频率。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述回馈单元包括：
一积分器；
一放大器；及
一噪声最小化单元。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相对位置包括一垂直分隔物，其位于所述位移传感器及所述待测对象之间。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相对位置包括所述位移传感器相对于所述待测对象的一侧向位置。
18.一种具有调准及抗飘移机制的方法，包括：
测量介于一位移传感器及一待测对象之间的一相对位置及一相对方位的至少其中之一；
在一回馈单元中，接收一信号，所述信号具有一高频部分及一低频部分，所述高频部分包括所述待测对象的机械运动的讯息，所述低频部分是关于所述信号的一飘移，所述信号与测量所得的所述相对位置或所述相对方位有关；
依据所接收的所述信号的所述飘移，控制一致动器去移动所述位移传感器，所述飘移是基于一环境状态的改变而产生；
设定所述回馈单元的一设定值；以及
设定所述回馈单元的一驱动速度与一驱动频宽的至少其中之一，
其中所述驱动速度与所述驱动频宽是依据所述回馈单元的所述设定值及所接收的所述信号之间的一误差而改变。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，控制所述致动器去移动所述位移传感器的步骤包括在所述设定值的一预先选择区域内，维持所接收的所述信号。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，控制所述致动器去移动所述位移传感器的步骤包括维持所述位移传感器与所述待测对象之间的所述相对位置或所述相对方向实质上不变。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，控制所述致动器去移动所述位移传感器的步骤包括减少所述位移传感器与所述待测对象之间的所述相对位置或所述相对方向中的所述飘移。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，控制所述致动器去移动所述位移传感器的步骤包括控制所述致动器去垂直的相对于所述待测对象移动所述位移传感器。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，控制所述致动器去移动所述位移传感器的步骤包括控制所述致动器去侧向的相对于所述待测对象移动所述位移传感器。
CN200980162097.3A 2009-10-23 2009-10-23 调准及抗飘移机制 Expired - Fee Related CN102844665B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2009/061822 WO2011049577A1 (en) 2009-10-23 2009-10-23 Alignment and anti-drift mechanism

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102844665A CN102844665A (zh) 2012-12-26
CN102844665B true CN102844665B (zh) 2015-04-29

Family

ID=43900588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980162097.3A Expired - Fee Related CN102844665B (zh) 2009-10-23 2009-10-23 调准及抗飘移机制

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2491407A4 (zh)
CN (1) CN102844665B (zh)
WO (1) WO2011049577A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107238361B (zh) * 2017-06-08 2019-09-06 蔡银花 一种音圈马达位移精度及可靠性检测方法
CN107228621A (zh) * 2017-06-08 2017-10-03 重庆腾毅兴精密电子有限公司 一种音圈马达摆动检测装置及其方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5661548A (en) * 1994-11-30 1997-08-26 Nikon Corporation Projection exposure method and apparatus including a changing system for changing the reference image-formation position used to generate a focus signal
US6078044A (en) * 1996-05-13 2000-06-20 Seiko Instruments Inc. Probe scanning apparatus
US5852232A (en) * 1997-01-02 1998-12-22 Kla-Tencor Corporation Acoustic sensor as proximity detector
US6323483B1 (en) * 1999-09-20 2001-11-27 Veeco Instruments Inc. High bandwidth recoiless microactuator
US6590208B2 (en) * 2001-01-19 2003-07-08 Veeco Instruments Inc. Balanced momentum probe holder
JP2003215018A (ja) * 2002-01-23 2003-07-30 Jeol Ltd 表面情報測定方法及び表面情報測定装置
KR100501893B1 (ko) * 2002-11-14 2005-07-25 한국전자통신연구원 주파수 응답 분리 방식을 이용한 비접촉식 측정 장치 및그 측정 방법
US6845655B2 (en) * 2003-03-17 2005-01-25 Wisconsin Alumni Research Foundation Heterodyne feedback system for scanning force microscopy and the like
US7247827B1 (en) * 2006-05-31 2007-07-24 Academia Sinica System for measurement of the height, angle and their variations of the surface of an object
US8904560B2 (en) * 2007-05-07 2014-12-02 Bruker Nano, Inc. Closed loop controller and method for fast scanning probe microscopy

Also Published As

Publication number Publication date
EP2491407A4 (en) 2014-03-26
EP2491407A1 (en) 2012-08-29
WO2011049577A1 (en) 2011-04-28
CN102844665A (zh) 2012-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5172002A (en) Optical position sensor for scanning probe microscopes
US8606426B2 (en) Alignment and anti-drift mechanism
CN101952706B (zh) 扫描探针显微镜
Lee et al. Optical heterodyne grating interferometry for displacement measurement with subnanometric resolution
Fan et al. Design and verification of micro/nano-probes for coordinate measuring machines
Lee et al. Positioning control effectiveness of optical knife edge displacement sensor-embedded monolithic precision stage
CN102844665B (zh) 调准及抗飘移机制
Zhan et al. A high-resolution optical displacement detection method for piezoelectric microvibratory stage
CN108227487A (zh) 基于预测模型切换摩擦力补偿自抗扰控制方法及运动平台
Chu et al. Two-dimensional optical accelerometer based on commercial DVD pick-up head
Li et al. Design of a large-scanning-range contact probe for nano-coordinate measurement machines
Schroedter et al. Microcontroller based closed-loop control of a 2D quasi-static/resonant microscanner with on-chip piezo-resistive sensor feedback
Liu et al. Development of an optical accelerometer for low-frequency vibration using the voice coil on a DVD pickup head
Wasmeier et al. Inductive sensors based on embedded coil technology for nanometric inter-segment position sensing of the E-ELT
Schmidt et al. Investigations and calculations into decreasing the uncertainty of a nanopositioning and nanomeasuring machine (NPM-Machine)
US9644720B2 (en) Orientation independent focus mechanisms for laser radar
JP6198393B2 (ja) 接触式三次元形状測定装置及びプローブ制御方法
CN115183930A (zh) 一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置及其测量方法
RU2498356C1 (ru) Способ выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре и устройство для его осуществления
Bartoli et al. Optical profilometer with a standalone scanning sensor head
Lei et al. Design of optical accelerometer using four-quadrant photodetector
JP2001249018A (ja) 表面機械特性測定装置及びその測定方法
Vo et al. Improving accuracy of high precision displacement measurement system with optical pickup head by using differential astigmatism focus error detection
Haikka Implementation of a cantilever deflection measurement for a do-it-yourself atomic force microscope
Hermann et al. Construction of tactile measuring probes for coordinate measurement

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: ACADEMIA SINICA

Free format text: FORMER OWNER: LIANG QIMING

Effective date: 20150325

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20150325

Address after: Nangang District Institute of Taiwan city Taipei two Chinese Road No. 128

Applicant after: ACADEMIA SINICA

Address before: Nangang District Institute of Taiwan city Taipei two Chinese Road No. 128

Applicant before: Liang Qiming

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150429

Termination date: 20211023