多功能纳米激光测量头制造技术

多功能纳米激光测量头，其特征是采用集成化的光学读取头，以其光学读取头中极光二极管作为激光光源器件，激光光束经光栅衍射后形成检测光，再经分光镜和准直透镜输出准直光源，各器件固装在壳体内，壳体对应位置上设置准直光输出端口；同时采用的有所述光学读取头中的经柱面像散透镜接收反射光的四象限光电二极管传感器；在壳体的外部，位于所述准直光输出端口上，设置可卸式物镜筒，全息透镜设置在物镜筒内，于准直光同轴。本实用新型专利技术精度高、稳定性好，可以采用手持的方式进行工作，独立具备离焦误差检测和准直激光光源的双重功能。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及纳米测量装置，更具体地说是应用在纳米定位与形貌测量中的激光测量头。
技术介绍
随着微细加工技术的不断进步，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现，需要对微结构表面形貌进行非破坏的测量，光学探针即可用于实现非接触测量，测量方法包括基于共焦显微镜原理的光学探针轮廓测量方法、外差干涉光学探针法、微分干涉光学探针法，以及离焦误差检测法等。在各种测量方法中，离焦误差检测法具有光路简单、使用方便的优势，其纵向分辨率可达1nm。但是，目前使用的离焦误差检测装置都是采用分立的光学器件进行装配，非集成化的结构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。准直激光光源在多种场合中得到应用，离焦误差检测装置也不例外地需要准直激光光源，但迄今为止还没有一种也可独立作为准直激光光源的离焦误差检测装置。已有的准直光源包括，气体激光器，例如He-Ne激光器，CO2激光器，半导体激光器等等，He-Ne与CO2激光器体积大，启动电压高，发热量高，功耗大，不利于集成于微型的精密测量系统。而半导体激光器具有体积小，功耗低，工作电压低，供电简单，可直接调制等优点，由于半导体激光器本身的特性，所有半导体激光器的输出光束都不是完整的球面波形，形成椭圆光束，为得到圆形的应用准直光，需要对光束进行整形，一般的半导体准直激光器是在半导体激光器后加上一光焦度相同的准直透镜，在很小的一段距离内为近似圆形，距离增大，光束逐渐成为椭圆，应用的距离相当小，且由于光功率控制精度不高，使得半导体激光器使用一段时间后，出现光强逐渐变弱，甚至烧毁。
技术实现思路
本技术是为避免上述现有技术所存在不足之处，提供一种精度高、稳定性好的多功能纳米激光测量头，该测量头可以采用手持的方式进行工作，独立具备离焦误差检测和准直激光光源的双重功能。本技术解决技术问题所采用的技术方案是本技术的结构特点是采用集成化的光学读取头，以其光学读取头中极光二极管作为激光光源器件，激光光束经光栅衍射后形成检测光，再经分光镜和准直透镜输出准直光源，所述各器件固装在壳体内，壳体对应位置上设置准直光输出端口；同时采用的有所述光学读取头中的经柱面像散透镜接收反射光的四象限光电二极管传感器；在壳体的外部，位于所述准直光输出端口上，设置可卸式物镜筒，全息透镜设置在物镜筒内，与准直光同轴。与已有技术相比，本技术的有益效果体现在1、本技术中的光学读取头是对已有的光碟读取头的巧妙应用，去除其中的音圈马达。光碟读取头制造厂商为了使平行激光束经全息聚焦透镜后能聚焦至最小的光点，以便于正确地读取高密度容量的资料轨迹，必须要求出射的激光具有极优良的高稳定功率、高平行性，且保持长距离仍是圆形的准直光束。因此，本技术的半导体准直光源除具有一般半导体激光器的各项优点外，加上制造厂商高精度镜片定位结构和校正半导体激光器椭圆光束为圆形光束的变光焦度准直透镜，并且可以通过设置功率控制电路，得到高稳定功率，高平行度，长距离保持圆形的高品质半导体准直激光器。2、本技术由于光学器件的集成化，整个装置体积小、重量轻，可以采用手持的工作方式，作为在工业与实验研究领域中手持振动测量。3、本技术设置可卸式物镜筒，通过装拆物镜筒即可在微器件三维形貌的测量与作为准直激光光源的两种功能之间实现转换，一物多用。附图说明图1为本技术结构示意图。图2为本技术光路原理图。图3为本技术功率控制电路原理图。图4为本技术信号放大运算电路原理图。图中标号1激光二极管、2光栅、3分光镜、4反射镜、5准直透镜、6转折反射镜、7壳体、8可拆卸式物镜筒、9全息物镜、10被测件、11柱面像散透镜、12四象限光电二极管传感器、13准直光输出端口。具体实施方式参见图1、图2，本实施例测量头中采用集成化的光学读取头，以其光学读取头中激光二极管1作为激光光源器件，激光光束经光栅2衍射后形成检测光，再经分光镜3和准直透镜5输出准直光源。具体实施中，上述各器件均固装在壳体7内，壳体7对应位置上设置准直光输出端口13，这种结构设置即形成了准直激光光源。如图1、图2所示，本实施例中，同时采用的还有光学读取头中的经反射镜4、柱面像散透镜11接收反射光的四象限光电二极管传感器12。在壳体7的外部，位于准直光输出端口13上，设置可卸式物镜筒8，全息物镜9设置在可拆卸式物镜筒8内，与准直光同轴，这种结构设置即形成了微器件三维形貌测量头。为了使整体结构更为紧凑，本实施例中，在壳体7中，位于准直透镜5之后，设置90度转折反射镜6，这样的结构设置可以使装置外形更薄。参见图1、图2和图3，在光学读取头中的激光二极管1对外提供有三个端子(图2所示)，分别是控制信号输入端LD、光检测反馈信号输出端PD和接地端GND。本实施例中针对该激光二极管1设置激光二极管自动光功率控制电路(图1所示)，以使光学读取头发出稳定的激光，图3中示出，激光二极管自动光功率控制电路由运算放大器U9和功放三极管Q1构成，运算放大器U9的正向输入端为基准信号端，以运算放大器U9的反向输入端接激光二极管1的光检测反馈信号输出端PD，功放三极管Q1的集电极通过电感L1接激光二极管1的控制信号输入端LD。图中示出，由电阻R14、R16和变阻器R15构成电位调节器，设置反向跟随器U8，通过变阻器R15调节反向跟随器U8的输出作为运算放大U9的正向输入端基准信号。该基准信号与PD信号在运算放大器U9中进行相减运算并放大，并通过功放三极管Q1驱动激光二极管1发光。当激光二极管1的输出光功率受影响而发生变化时，由运算放大器U9和功放三极管Q1进行反馈控制，自动调节驱动激光二极管的电流大小，使激光二极管的发光功率恒定，减少环境的干扰与影响。从而实现利用PD端信号判断激光的输出功率，并由此为反馈源，提供LD端的电流大小反馈控制的功率自动控制。参见图4，具体实施中，在光学读取头的四象限光电二极管传感器的电压信号A、B、C、D输出端，设置四象限信号放大运算电路，由运算放大器U1和串接在其后的两级放大U2、U3，以及积分保持电路U4构成。其中，多级放大以提高信号的稳定性，积分保持电路可提高输出失焦信号的信噪比，每片芯片的供电端都连接一滤波电容，以提高电源的抗干扰性。四象限电压信号按照(A+C)-(B+D)的运算方式分别接入在运算放大器U1的正反向输入端，失焦信号在积分保持电路U4的输出端输出，并通过DSP信号处理系统的完成信号自动处理。根据离焦误差检测法的测量原理以被测件为反射面，当反射面位于焦点位置时，在四象限光电二极管传感器上的成像光点是圆形，四象限失焦信号(A+C)-(B+D)输出为零，当反射面处于离焦位置时，输出的四象限失焦信号不为零。通过对失焦信号进行多级放大处理以提高信号处理的信噪比，得到放大处理后的失焦信号。当被测件表面在失焦信号范围内移动时，可以得到不同位置的失焦电压信号，从而可以获得被测件在失焦范围内的表面形貌。权利要求1.多功能纳米激光测量头，其特征是采用集成化的光学读取头，以其光学读取头中极光二极管(1)作为激光光源器件，激光光束经光栅(2)衍射后形成检测光，再经分光镜(3)和准直透镜(5)输出准直光源，所述各器件固装在壳体(7)中，壳本文档来自技高网...

【技术保护点】
多功能纳米激光测量头，其特征是采用集成化的光学读取头，以其光学读取头中极光二极管（１）作为激光光源器件，激光光束经光栅（２）衍射后形成检测光，再经分光镜（３）和准直透镜（５）输出准直光源，所述各器件固装在壳体（７）中，壳体（７）对应位置上设置准直光输出端口（１３）；同时采用的有所述光学读取头中的经反射镜（４）、柱面像散透镜（１１）接收反射光的四象限光电二极管传感器（１２）；在壳体（７）的外部，位于所述准直光输出端口（１３）上，设置可卸式物镜筒（８），全息物镜（９）设置在物镜筒内（８）中，与准直光同轴。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范光照，陈叶金，赵静，刘玉圣，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：实用新型
国别省市：34[中国|安徽]