一種大量程高精度微納米掃描探頭的製作方法

2023-09-13 13:57:35

專利名稱：一種大量程高精度微納米掃描探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及微納米測量裝置領域，具體為一種大量程高精度微納米掃描探頭。
背景技術：
隨著微機電系統(MEMS)技術的快速發展，尺寸介於毫米和微米之間的微型器件相繼問世。同時，很多場合需要對表面粗糙度、微震動、微應變、定位精度等微位移進行測量。 由此帶動了具有微米級測量範圍和納米級測量精度的微位移感測技術的發展。中國專利號為200520069705. 5的專利公開了一種多功能納米雷射測量頭。如圖 1所示，它包括外殼(7)，外殼(7)中有作為雷射光源器件的雷射二極體(1)，雷射二極體(1) 的出射光經過光柵(2)衍射後入射至分光鏡(3)，衍射光被分光鏡(3)反射至反射鏡(4)，反射鏡(4)將一部分入射光90度反射至準直透鏡(5)，經過準直透鏡(5)準直後，再被直角稜鏡(6 ) 90度轉折後入射至安裝在外殼(7 )上的物鏡筒(8 )，並通過物鏡筒(8 )中的聚焦透鏡 (9)聚焦後出射，同時反射鏡(4)將另一部分入射光沿原光路反射至分光鏡(3)，被分光鏡透射後入射至柱面象散透鏡(10)，經過柱面象散透鏡(10)透射後入射至四象限光電二極體傳感器(11)。這種探測頭精度高，穩定性好，可採用手持的方式進行工作，具備離焦誤差檢測和準直雷射光源的雙重功能，但其通常配備的聚焦透鏡的數值孔徑值為0. 6，存在著測量範圍小的缺點，制約了多功能微納米雷射測量頭的應用。

發明內容
本發明的目的是提供一種大量程高精度微納米掃描探頭，克服了現有技術偏見， 申請人:在實際使用中有新的靈感與發現，通過配備多個數值孔徑值不同的聚焦透鏡，以解決現有技術的多功能微納米雷射測量頭測量範圍小的問題。為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為
一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括多功能微納米雷射測量頭，其特徵在於所述多功能納米雷射測量頭物鏡筒中安裝有聚焦透鏡，所述的多功能納米雷射測量頭配備有多個數值孔徑值不同的聚焦透鏡更換使用，各聚焦透鏡的數值孔徑值介於0. 16-0. 6之間。本發明採用專利號為200520069705. 5的多功能微納米雷射測量頭的結構。本發明通過更換多功能納米雷射測量頭中聚焦透鏡，選擇數值孔徑值較小的聚焦透鏡，可以得到量程超過120微米，穩定性誤差小於lOOnm，體積小、成本低的微位移計。通過更換數值孔徑值介於0. 16-0.6之間的聚焦透鏡，還可以獲得介於5微米到120微米之間的測量範圍，這樣在滿足測量範圍的同時可以獲得更高的測量分辨力。


圖1為多功能微納米雷射測量頭光路原理圖。圖2為多功能微納米雷射測量頭測量FES曲線結構原理圖。圖3為用數值孔徑值NA = 0. 6的聚焦透鏡實驗得到的FES曲線圖。
圖4為用數值孔徑值NA = 0. 4的聚焦透鏡實驗得到的FES曲線圖。圖5為用數值孔徑值NA = 0. 3的聚焦透鏡實驗得到的FES曲線圖。圖6為用數值孔徑值NA = 0. 16的聚焦透鏡實驗得到的FES曲線圖。
具體實施例方式一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括專利號為200520069705. 5的多功能微納米雷射測量頭，結構見圖1，多功能微納米雷射測量頭物鏡筒中安裝有聚焦透鏡，該多功能微納米雷射測量頭配備有多個數值孔徑值不同的聚焦透鏡更換使用，各聚焦透鏡的數值孔徑值介於0. 16 —0.6之間。如圖2所示。對多功能納米雷射測量頭進行FES曲線測量的裝置包括光學反射鏡 、雙頻雷射幹涉儀、精密移動臺、PC。以HP55^型雙頻雷射幹涉儀作為位移測量標準，驅動器是以色列Nanomotion公司生產的HR4。固定多功能納米雷射測量頭不動，使用精密移動工作檯承載光學反射鏡由遠及近的靠近測頭的光學焦點，工作檯移動的位移使用雷射幹涉儀進行校正，同時使用6位半精密數字萬用表採集每一位置經過信號運算放大處理模塊的聚焦誤差信號電壓值，並通過串口程序傳入PC的測量程序。先裝上多功能納米雷射測量頭自帶的聚焦透鏡(NA = 0. 6，專利號為200520069705. 5的多功能微納米雷射測量頭中使用的就是這種聚焦透鏡)進行實驗，得到如圖3所示位移與電壓關係曲線，從圖3上可以看出，線性部分大約只有5微米左右。再裝上一個NA = 0. 4的聚焦透鏡進行實驗，得到圖4 所示的位移與電壓關係曲線，從圖4可以看出，線性部分至少有12微米左右，較圖3明顯放大。再裝上一個NA = 0. 3的聚焦透鏡進行實驗，得到圖5所示的位移與電壓關係曲線，從圖5可以看出，線性部分將近有50微米，又較圖4有顯著放大。再裝上一個NA = 0. 16的聚焦透鏡進行實驗，得到圖6所示的位移與電壓關係曲線，從圖6可以看出，線性部分至少有120微米，較圖5有顯著放大，較圖3放大了 M倍多。說明通過減小多功能納米雷射測量頭聚焦物鏡NA的方式，可以有效的擴大其聚焦誤差曲線的線性感測範圍(聚焦透鏡NA值與聚焦誤差曲線的線性感測範圍之間是反向的非線性關係，NA值越小時，減小NA值引起的線性感測範圍增加越快)，從而增大微位移計的量程。但同時在解析度上有所犧牲，在圖4 中間線性比較好的120微米範圍內，電壓從正4. 2伏變化到負4. 8伏，由此可算出解析度約為13. 3nm/mV。測量穩定性的測試數據如表1所示，20分鐘的穩定性最大誤差為106. 4nm, 標準差為68. 85nm。當然在實際使用中，可以根據測量範圍和精度的要求，選擇合適的聚焦透鏡，以獲得最佳的測量效果。表1 微位移計穩定性測試數據
權利要求
1. 一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括多功能微納米雷射測量頭，其特徵在於 所述多功能微納米雷射測量頭物鏡筒中安裝有聚焦透鏡，所述的多功能微納米雷射測量頭配備有多個數值孔徑值不同的聚焦透鏡更換使用，各聚焦透鏡的數值孔徑值介於0. 16-0. 6之間。
全文摘要
本發明公開了一種大量程高精度微納米掃描探頭，包括多功能微納米雷射測量頭，多功能微納米雷射測量頭物鏡筒中的聚焦透鏡的數值孔徑值介於0.16--0.6之間。本發明通過更換多功能納米雷射測量頭中聚焦透鏡，選擇數值孔徑值介於0.16-0.6的聚焦透鏡，可以得到量程介於5微米到120微米之間的測量範圍，同時可以獲得更高的測量分辨力。
文檔編號G01B11/02GK102353333SQ20111017760
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者周斌, 李瑞君, 楊聖春, 程真英, 錢劍釗, 陶為明 申請人:安徽電氣工程職業技術學院