專利名稱：多功能納米激光測量頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及納米測量裝置，更具體地說是應用在納米定位與形貌測量中的激光測量頭。
背景技術：
隨著微細加工技術的不斷進步，微電路、微光學元件、微機械以及其它各種微結構不斷出現，需要對微結構表面形貌進行非破壞的測量，光學探針即可用于實現非接觸測量，測量方法包括基于共焦顯微鏡原理的光學探針輪廓測量方法、外差干涉光學探針法、微分干涉光學探針法，以及離焦誤差檢測法等。在各種測量方法中，離焦誤差檢測法具有光路簡單、使用方便的優勢，其縱向分辨率可達1nm。但是，目前使用的離焦誤差檢測裝置都是采用分立的光學器件進行裝配，非集成化的結構形式限制了成本的降低、不利于精度的提高，也不便于采用手持的工作方式。
準直激光光源在多種場合中得到應用，離焦誤差檢測裝置也不例外地需要準直激光光源，但迄今為止還沒有一種也可獨立作為準直激光光源的離焦誤差檢測裝置。
已有的準直光源包括，氣體激光器，例如He-Ne激光器，CO2激光器，半導體激光器等等，He-Ne與CO2激光器體積大，啟動電壓高，發熱量高，功耗大，不利于集成于微型的精密測量系統。而半導體激光器具有體積小，功耗低，工作電壓低，供電簡單，可直接調制等優點，由于半導體激光器本身的特性，所有半導體激光器的輸出光束都不是完整的球面波形，形成橢圓光束，為得到圓形的應用準直光，需要對光束進行整形，一般的半導體準直激光器是在半導體激光器后加上一光焦度相同的準直透鏡，在很小的一段距離內為近似圓形，距離增大，光束逐漸成為橢圓，應用的距離相當小，且由于光功率控制精度不高，使得半導體激光器使用一段時間后，出現光強逐漸變弱，甚至燒毀。
發明內容
本實用新型是為避免上述現有技術所存在不足之處，提供一種精度高、穩定性好的多功能納米激光測量頭，該測量頭可以采用手持的方式進行工作，獨立具備離焦誤差檢測和準直激光光源的雙重功能。
本實用新型解決技術問題所采用的技術方案是本實用新型的結構特點是采用集成化的光學讀取頭，以其光學讀取頭中極光二極管作為激光光源器件，激光光束經光柵衍射后形成檢測光，再經分光鏡和準直透鏡輸出準直光源，所述各器件固裝在殼體內，殼體對應位置上設置準直光輸出端口；同時采用的有所述光學讀取頭中的經柱面像散透鏡接收反射光的四象限光電二極管傳感器；在殼體的外部，位于所述準直光輸出端口上，設置可卸式物鏡筒，全息透鏡設置在物鏡筒內，與準直光同軸。
與已有技術相比，本實用新型的有益效果體現在1、本實用新型中的光學讀取頭是對已有的光碟讀取頭的巧妙應用，去除其中的音圈馬達。光碟讀取頭制造廠商為了使平行激光束經全息聚焦透鏡后能聚焦至最小的光點，以便于正確地讀取高密度容量的資料軌跡，必須要求出射的激光具有極優良的高穩定功率、高平行性，且保持長距離仍是圓形的準直光束。因此，本實用新型的半導體準直光源除具有一般半導體激光器的各項優點外，加上制造廠商高精度鏡片定位結構和校正半導體激光器橢圓光束為圓形光束的變光焦度準直透鏡，并且可以通過設置功率控制電路，得到高穩定功率，高平行度，長距離保持圓形的高品質半導體準直激光器。
2、本實用新型由于光學器件的集成化，整個裝置體積小、重量輕，可以采用手持的工作方式，作為在工業與實驗研究領域中手持振動測量。
3、本實用新型設置可卸式物鏡筒，通過裝拆物鏡筒即可在微器件三維形貌的測量與作為準直激光光源的兩種功能之間實現轉換，一物多用。
圖1為本實用新型結構示意圖。
圖2為本實用新型光路原理圖。
圖3為本實用新型功率控制電路原理圖。
圖4為本實用新型信號放大運算電路原理圖。
圖中標號1激光二極管、2光柵、3分光鏡、4反射鏡、5準直透鏡、6轉折反射鏡、7殼體、8可拆卸式物鏡筒、9全息物鏡、10被測件、11柱面像散透鏡、12四象限光電二極管傳感器、13準直光輸出端口。
具體實施方式
參見圖1、圖2，本實施例測量頭中采用集成化的光學讀取頭，以其光學讀取頭中激光二極管1作為激光光源器件，激光光束經光柵2衍射后形成檢測光，再經分光鏡3和準直透鏡5輸出準直光源。
具體實施中，上述各器件均固裝在殼體7內，殼體7對應位置上設置準直光輸出端口13，這種結構設置即形成了準直激光光源。
如圖1、圖2所示，本實施例中，同時采用的還有光學讀取頭中的經反射鏡4、柱面像散透鏡11接收反射光的四象限光電二極管傳感器12。在殼體7的外部，位于準直光輸出端口13上，設置可卸式物鏡筒8，全息物鏡9設置在可拆卸式物鏡筒8內，與準直光同軸，這種結構設置即形成了微器件三維形貌測量頭。
為了使整體結構更為緊湊，本實施例中，在殼體7中，位于準直透鏡5之后，設置90度轉折反射鏡6，這樣的結構設置可以使裝置外形更薄。
參見圖1、圖2和圖3，在光學讀取頭中的激光二極管1對外提供有三個端子(圖2所示)，分別是控制信號輸入端LD、光檢測反饋信號輸出端PD和接地端GND。本實施例中針對該激光二極管1設置激光二極管自動光功率控制電路(圖1所示)，以使光學讀取頭發出穩定的激光，圖3中示出，激光二極管自動光功率控制電路由運算放大器U9和功放三極管Q1構成，運算放大器U9的正向輸入端為基準信號端，以運算放大器U9的反向輸入端接激光二極管1的光檢測反饋信號輸出端PD，功放三極管Q1的集電極通過電感L1接激光二極管1的控制信號輸入端LD。圖中示出，由電阻R14、R16和變阻器R15構成電位調節器，設置反向跟隨器U8，通過變阻器R15調節反向跟隨器U8的輸出作為運算放大U9的正向輸入端基準信號。該基準信號與PD信號在運算放大器U9中進行相減運算并放大，并通過功放三極管Q1驅動激光二極管1發光。當激光二極管1的輸出光功率受影響而發生變化時，由運算放大器U9和功放三極管Q1進行反饋控制，自動調節驅動激光二極管的電流大小，使激光二極管的發光功率恒定，減少環境的干擾與影響。從而實現利用PD端信號判斷激光的輸出功率，并由此為反饋源，提供LD端的電流大小反饋控制的功率自動控制。
參見圖4，具體實施中，在光學讀取頭的四象限光電二極管傳感器的電壓信號A、B、C、D輸出端，設置四象限信號放大運算電路，由運算放大器U1和串接在其后的兩級放大U2、U3，以及積分保持電路U4構成。其中，多級放大以提高信號的穩定性，積分保持電路可提高輸出失焦信號的信噪比，每片芯片的供電端都連接一濾波電容，以提高電源的抗干擾性。四象限電壓信號按照(A+C)-(B+D)的運算方式分別接入在運算放大器U1的正反向輸入端，失焦信號在積分保持電路U4的輸出端輸出，并通過DSP信號處理系統的完成信號自動處理。
根據離焦誤差檢測法的測量原理以被測件為反射面，當反射面位于焦點位置時，在四象限光電二極管傳感器上的成像光點是圓形，四象限失焦信號(A+C)-(B+D)輸出為零，當反射面處于離焦位置時，輸出的四象限失焦信號不為零。通過對失焦信號進行多級放大處理以提高信號處理的信噪比，得到放大處理后的失焦信號。當被測件表面在失焦信號范圍內移動時，可以得到不同位置的失焦電壓信號，從而可以獲得被測件在失焦范圍內的表面形貌。
權利要求1.多功能納米激光測量頭，其特征是采用集成化的光學讀取頭，以其光學讀取頭中極光二極管(1)作為激光光源器件，激光光束經光柵(2)衍射后形成檢測光，再經分光鏡(3)和準直透鏡(5)輸出準直光源，所述各器件固裝在殼體(7)中，殼體(7)對應位置上設置準直光輸出端口(13)；同時采用的有所述光學讀取頭中的經反射鏡(4)、柱面像散透鏡(11)接收反射光的四象限光電二極管傳感器(12)；在殼體(7)的外部，位于所述準直光輸出端口(13)上，設置可卸式物鏡筒(8)，全息物鏡(9)設置在物鏡筒內(8)中，與準直光同軸。
2.根據權利要求1所述的多功能納米激光測量頭，其特征是在所述殼體(7)中，位于準直透鏡(5)之后，設置90度轉折反射鏡(6)。
3.根據權利要求1所述的多功能納米激光測量頭，其特征是針對所述激光二極管設置功率控制電路，由運算放大器(U9)和功放三極管(Q1)構成，運算放大器(U9)的正向輸入端為基準信號端，以運算放大器(U9)的反向輸入端接所述光學讀取頭中激光二極管的光檢測反饋信號輸出端(PD)，功放三極管(Q1)的集電極通過電感(L1)接激光二極管的控制信號輸入端(LD)。
4.根據權利要求1所述的多功能納米激光測量頭，其特征是在所述光學讀取頭的四象限光電二極管傳感器的電壓信號(A、B、C、D)輸出端，設置信號放大運算電路，由運算放大器(U1)和串接在其后的兩級放大(U2、U3)，以及積分保持電路(U4)構成，所述四象限電壓信號按照(A+C)-(B+D)的運算方式接入在運算放大器(U1)的正反向輸入端，失焦信號在積分保持電路U4的輸出端輸出。
專利摘要多功能納米激光測量頭，其特征是采用集成化的光學讀取頭，以其光學讀取頭中極光二極管作為激光光源器件，激光光束經光柵衍射后形成檢測光，再經分光鏡和準直透鏡輸出準直光源，各器件固裝在殼體內，殼體對應位置上設置準直光輸出端口；同時采用的有所述光學讀取頭中的經柱面像散透鏡接收反射光的四象限光電二極管傳感器；在殼體的外部，位于所述準直光輸出端口上，設置可卸式物鏡筒，全息透鏡設置在物鏡筒內，于準直光同軸。本實用新型精度高、穩定性好，可以采用手持的方式進行工作，獨立具備離焦誤差檢測和準直激光光源的雙重功能。
文檔編號G02B27/30GK2769850SQ20052006970
公開日2006年4月5日 申請日期2005年3月7日 優先權日2005年3月7日
發明者范光照, 陳葉金, 趙靜, 劉玉圣 申請人:合肥工業大學