基于DVD光学读取头的大量程高精度扫描探头

李瑞君， 钱剑钊， 龚 伟， 黄强先

（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽电气工程职业技术学院 自动化与信息工程系，安徽 合肥230051）

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，如微透镜、微齿轮、微芯片、燃油喷油嘴等［1－2］。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感测范围和纳米级感测精度的微位移感测技术的发展，出现了诸如激光干涉仪、电感测微仪、高精度电容式传感器、霍尔式微位移传感器等微位移感测设备，但是存在价格昂贵（如激光干涉仪）、精度偏低（如电感测微仪）和使用受限（如电容式很难做成扫描式测头、霍尔式要求被测件具有导电性）等缺点。

市场上广泛存在的、价格非常低廉但集成度非常高、性能非常好的DVD光学读数头被用来改装成非接触式微位移扫描探头［3－7］，其中主要包括2类，如文献［3－6］为代表的做法是利用DVD光学读取头的自动聚焦功能将被测位移转化成DVD光学读取头聚焦透镜位置的变化，再通过感测聚焦透镜的位移而获得被测位移的值。感测范围可达600μm左右，但因驱动透镜运动的音圈电机具有磁滞特性，满量程工作时经过磁滞补偿后的重复性误差超过500nm［6］，探测范围较大，但相对测量精度偏低。以文献［7］为代表的做法是去掉音圈电机，将聚焦透镜固定在某一位置，直接根据像散原理进行感测［8］，获得了小于10nm的重复定位标准差，但是线性感测范围只有4μm左右，感测精度高，但是感测范围太小。

本文在文献［7］做法的基础上，通过改进DVD光学读取头的光学系统，在绕开音圈电机磁滞影响的同时，实现了感测范围的显著扩大，有效地克服了以上2种方法存在的不足。

1 测量原理及结构

DVD光学读取头的内部结构，如图1所示。应用自动功率控制电路使激光二极管发射约0.5mW的650nm波长的红激光光束，经光栅衍射后形成三束检测光，再经分光镜、准直透镜，将激光束变成准直光束，准直光束经过聚焦透镜后便聚焦在反射面上（如DVD光盘）。经反射面反射的光束则沿原光路经过准直透镜、分光镜后穿越柱面像散透镜，投射到四象限光电二极管传感器 （four－quadrant photo detector）A、B、C、D上。四象限传感器则根据光点在4个象限上的分布，输出一聚焦误差电压信号FES（Focus Error Signal，简称FES）即（B＋D）－（A＋C）。这个聚焦误差信号经过运算放大、补偿处理，驱动音圈电机VCM（Voice Coil Motor，简称VCM）并带动聚焦透镜一起沿光轴方向运动，直到聚焦点恰好与反射面重合，从而达到自动锁焦的目的。

若将音圈电机去掉，使聚焦透镜固定不动，则系统输出的聚焦误差信号与聚焦点偏离反射面的距离在一定范围内呈线性关系，如图2所示。由于聚焦误差信号具有高分辨率与高精度的特性，适合用来发展纳米级的位移感测系统。

去掉DVD光学读取头上的音圈电机，用一个专门设计的镜筒将聚集透镜固定（保持光轴重合），为了减小整个系统的体积，用一个直角棱镜对光路进行了转折，改造后的结构如图3所示。

图1 DVD激光读取头内部结构

图2 聚焦误差信号的S曲线

图3 改装后的DVD光学读取头结构

2 量程的扩展

四象限感测器的面积很小，边长只有约84μm左右。从图2可以看出，当光点尺寸大于四象限的尺寸时聚焦误差曲线则进入非线性区域。因为DVD光学读取头是一个高度集成的产品，所以通过更换面积更大的四象限感测器来增加聚焦误差曲线的线性范围（即该微位移感测系统的量程）的方法实现起来比较困难。

从准直透镜出来的平行光经过聚焦透镜后汇聚于焦点，如图4所示。对于一个确定的四象限传感器和一个确定的聚焦透镜，在保持FES曲线为线性（即打在四象限感测器上的光斑大小不超出四象限的感测范围）的前提下，允许反射镜在焦点前后移动的距离也是确定的，亦即允许打在反射镜的光斑的最大直径是确定的。假设数值孔径（NA）为α的聚焦透镜，其线性感测范围为2a。在此前提下，如果将透镜的数值孔径角减小，在保持反射镜上最大光斑直径不变的情况下，反射镜在焦点前后的可移动范围就更大，从而使该扫描探头的线性感测范围（量程）变大，如图5所示。

图4 孔径角为α的透镜聚焦示意图

图5 孔径角为β的透镜聚焦示意图

3 实验验证

测量FES曲线结构原理图，如图6所示。以SIOS激光干涉仪作为位移测量标准，驱动器是德国PI公司生产的E－861。固定改装后的DVD光学读取头不动，使用纳米微动工作台［9］承载反射镜由远到近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NI公司的数据采集卡（PCI－6251）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。首先装DVD光学读取头自带的聚焦透镜（NA＝0.60，文献［3－7］中使用的都是这种聚焦透镜）进行实验，得到如图7a所示位移S与FES关系曲线，从图7a中可以看出，线性好的部分大约只有4μm左右。再装上一个NA＝0.16的聚焦透镜进行实验，得到图7b所示的位移S与FES关系曲线，从中可以看出，线性好的部分至少有90μm，相比图7a放大了22.5倍多。这说明减小DVD光学读取头聚焦物镜NA的方式，可以有效地扩大其聚焦误差曲线的线性感测范围，从而增大扫描探头的量程。但同时在分辨率上有所牺牲，在图7b中间线性比较好的90μm范围内，电压范围为＋3.8～－4.4V，由此可算出灵敏度约为11.0nm／mV或0.1mV／nm。经硬件滤波后的信号噪声约为20mV，再经软件平均滤波后的信号噪声如图8所示，从图8中可以看出任意相邻2点的电压差均小于0.2mV，故该系统可以达到2nm的分辨力。数据采集速度大于10 000／s，滑动平均滤波窗口为30，系统动态相应时间小于10ms。

图6 测量FES曲线结构原理图

图7 不同NA值聚焦透镜对应的FES曲线

图8 经软件平均滤波后的信号噪声

去掉图6中的干涉仪系统，将DVD感测系统放到一个纳米测量恒温箱中，保持DVD和反射镜不动，待恒温箱中的温度场稳定（20±0.025℃）后，开始采集DVD输出的电压信号，采集到的电压数据及其对应的位移数据见表1所列，20min的稳定性误差为88nm。

在实际使用中，可以根据感测范围和精度的要求，选择合适的聚焦透镜，以获得最佳的测量效果。

表1 扫描探头稳定性测试数据

4 结束语

本文以DVD光学读取头为基础，通过更换NA值为0.16的聚焦透镜，开发出一种线性感测范围超过90μm，20min的稳定性误差为82.5nm，体积小、成本低的非接触式扫描探头。

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