專利名稱：小光斑物鏡的檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種小光斑物鏡的檢測(cè)儀。小光斑物鏡指大數(shù)值孔徑NA(＞0.5)的物鏡，如光盤驅(qū)動(dòng)器物鏡，光盤母盤刻錄機(jī)物鏡，顯微物鏡以及光刻物鏡。
檢測(cè)小光斑物鏡，包括其光強(qiáng)分布、大小、形狀和偏振狀態(tài)，是檢驗(yàn)小光斑物鏡質(zhì)量的最直接因而最有效的參量。因?yàn)樾」獍呶镧R的作用就是將激光束會(huì)聚成一個(gè)小光斑。小光斑的光強(qiáng)分布、大小、形狀和偏振狀態(tài)直接影響就像光盤驅(qū)動(dòng)器的讀寫性能或光盤母盤刻錄機(jī)刻出的母盤的質(zhì)量。在先技術(shù)中對(duì)小光斑的檢測(cè)比較好的是采用光學(xué)系統(tǒng)光遠(yuǎn)場(chǎng)參量的檢測(cè)裝置(參見(jiàn)專利ZL 00217937.7)。但該裝置有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是如何將光纖探針針尖調(diào)整到小光斑處(即光盤物鏡的像方焦點(diǎn)處)是比較困難的。光盤驅(qū)動(dòng)器物鏡的小光斑尺寸在1μm左右，光盤母盤刻錄機(jī)物鏡的小光斑則更小，這使手動(dòng)或電動(dòng)粗調(diào)變得十分困難。另外，小光斑周圍經(jīng)常存在一些強(qiáng)度相對(duì)比較弱的散斑，如果沒(méi)有適當(dāng)監(jiān)視機(jī)構(gòu)的話，很可能將針尖調(diào)整到某一散斑上，而不是要測(cè)的小光斑上。
本實(shí)用新型的目的是提供一種小光斑物鏡的檢測(cè)儀，它將能夠彌補(bǔ)在先技術(shù)中的小光斑檢測(cè)裝置存在的缺陷、能夠監(jiān)視調(diào)整狀況，從而能夠方便和準(zhǔn)確地檢測(cè)各種小光斑物鏡的小光斑。
本實(shí)用新型的小光斑物鏡的檢測(cè)儀如圖1所示。包括有激光光源7，有針尖1101露在外面的沿著放在調(diào)整架10上的壓電陶瓷掃描器9內(nèi)部中心軸線上置放的光纖探針11。光纖探針11的光信號(hào)經(jīng)探測(cè)組件12變成電信號(hào)后經(jīng)前置放大器13輸入計(jì)算機(jī)14。計(jì)算機(jī)14通過(guò)高壓放大器15與壓電陶瓷掃描器9相聯(lián)，也就是計(jì)算機(jī)14通過(guò)高壓放大器15控制壓電陶瓷掃描器9的掃描動(dòng)作。被測(cè)物鏡8是置于被測(cè)物鏡8的焦斑落在光纖探針11的針尖1101上的位置上。有中心點(diǎn)O0置于激光光源7光軸oo上的分光鏡6。分光鏡6的反射面與激光光源7的光軸oo成45°角。分光鏡6反射面的中心點(diǎn)O0與光纖探針11的針尖1101連線為垂直于激光光源7光軸oo的垂直線o′o′。有中心軸線與上述垂直線o′o′重合的置于垂直線o′o′上的帶有監(jiān)視器2的攝像機(jī)1。攝像機(jī)1的接收面101隔著分光鏡6與光纖探針11的針尖1101相對(duì)。在分光鏡6與攝像機(jī)1接收面101之間的垂直線o′o′上置有中心軸線與垂直線o′o′重合的鏡筒透鏡3，鏡筒透鏡3的焦點(diǎn)恰好落在攝像機(jī)1的接收面101上。在分光鏡6與鏡筒透鏡3之間的垂直線o′o′上置有中心點(diǎn)在垂直線o′o′上的半反半透分光鏡4。半反半透分光鏡4的反射面向著分光鏡6，反射面與垂直線o′o′成45°角。對(duì)著半反半透分光鏡4的反射面有白光光源5，白光光源5的中心軸線o″o″穿過(guò)半反半透分光鏡4的中心點(diǎn)與垂直線o′o′垂直，與激光光源7的光軸oo平行。
所說(shuō)的白光光源5包含在同一白光光源5中心軸線o″o″上由靠近至遠(yuǎn)離半反半透分光鏡4依次置有照明透鏡501，孔徑光闌502，視場(chǎng)光闌503，會(huì)聚透鏡504和白熾燈505。
所說(shuō)的激光光源7是激光器701，或者是激光器701加起偏器702。
所說(shuō)的探測(cè)組件12是光電探測(cè)器1201，或者是光電探測(cè)器1201加檢偏器1202。
所說(shuō)的分光鏡6是一表面上鍍有對(duì)激光光源7的波長(zhǎng)λ反射率大于95％的分光膜的平行平板，或者是偏振分光棱鏡。所說(shuō)的分光鏡6的反射面就是鍍有分光膜的表面。
本實(shí)用新型的檢測(cè)儀如上所述的結(jié)構(gòu)。激光光源7(光盤驅(qū)動(dòng)器及光盤母盤刻錄機(jī)均使用激光器)發(fā)射的單色(波長(zhǎng)為λ)平行光束G在前進(jìn)的方向上，中心點(diǎn)O0與激光光源7的光軸oo重合地置有分光鏡6。分光鏡6為平行平板時(shí)，其反射面與激光光源7的光軸oo成45°夾角。分光鏡6的反射面鍍了分光膜，該分光膜對(duì)激光光源7的波長(zhǎng)λ增反，即大于95％的激光光源7發(fā)射的光將被反射，對(duì)其他波長(zhǎng)的光則透過(guò)。激光光源7發(fā)射的平行光束G經(jīng)分光鏡6反射后成為平行光束G′。平行光束G′的中心光軸與通過(guò)分光鏡6的中心點(diǎn)O0與激光光源7的光軸oo垂直的垂直線o′o′重合。在平行光束G′前進(jìn)的方向上，中心軸線與垂直線o′o′相重合地置有壓電陶瓷掃描器9。沿著壓電陶瓷掃描器9內(nèi)部的中心軸線上置有光纖探針11，光纖探針11上的針尖1101露在壓電陶瓷掃描器9的外面而且對(duì)著平行光束G′前進(jìn)的方向。光纖探針11固定在壓電陶瓷掃描器9內(nèi)，并隨壓電陶瓷掃描器9的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)光纖探針11上的針尖1101對(duì)被測(cè)小光斑的掃描。壓電陶瓷掃描器9固定于用作粗調(diào)的調(diào)整架10(可手動(dòng)也可由電機(jī)帶動(dòng)的電動(dòng))上，并隨調(diào)整架10的移動(dòng)而移動(dòng)，通過(guò)手動(dòng)或電動(dòng)調(diào)整架10，將光纖探針11上的針尖1101粗調(diào)到被測(cè)小光斑的中心位置上。光纖探針11上的針尖1101采樣到的光信號(hào)通過(guò)光纖探針11的主體(除針尖1101外的光纖探針11)傳輸?shù)教綔y(cè)組件12上。探測(cè)組件12將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)前置放大器13的放大后輸入到計(jì)算機(jī)14中。隨著光纖探針11上的針尖1101對(duì)被測(cè)小光斑的掃描和光場(chǎng)采樣，計(jì)算機(jī)14可在其顯示器1401上顯示出被測(cè)小光斑的光強(qiáng)分布或偏振狀態(tài)。壓電陶瓷掃描器9通過(guò)高壓放大器15與計(jì)算機(jī)14相聯(lián)。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)14是通過(guò)控制高壓放大器15的輸出來(lái)控制壓電陶瓷掃描器9的掃描。計(jì)算機(jī)14不僅可以通過(guò)控制高壓放大器15的輸出幅度來(lái)控制壓電陶瓷掃描器9的掃描范圍；而且可以通過(guò)控制高壓放大器15的輸出偏量控制壓電陶瓷掃描器9實(shí)現(xiàn)光纖探針11上的針尖1101的精確定位(精調(diào))，即精調(diào)到被測(cè)小光斑的中心位置上。測(cè)量時(shí)，被測(cè)物鏡8置于分光鏡6與光纖探針11上的針尖1101之間。而且被測(cè)物鏡8的焦斑也就是被測(cè)小光斑應(yīng)該恰好落在針尖1101上。如圖1所示。
在垂直線o′o′上，分光鏡6的一邊，即隔著分光鏡6與光纖探針11相對(duì)的一邊，從靠近分光鏡6的地方起，依次置有半反半透分光鏡4、鏡筒透鏡3以及攝像機(jī)1。半反半透分光鏡4的中心點(diǎn)與垂直線o′o′重合。半反半透分光鏡4為平行平板，其表面與垂直線o′o′成45°夾角。半反半透分光鏡4的一表面上對(duì)白光鍍了半反半透膜，即白光的一半被其反射，另一半則透過(guò)，此表面為半反半透分光鏡4的反射面。通過(guò)半反半透分光鏡4的中心，與垂直線o′o′垂直與激光光源7光軸oo平行的有平行線o″o″。此平行線o″o″也就是白光光源5的中心軸線o″o″。半反半透分光鏡4的反射面對(duì)著白光光源5。則白光光源5發(fā)射的白光光束G″前進(jìn)的方向?qū)χ敕窗胪阜止忡R4的反射面。白光光束G″經(jīng)半反半透分光鏡4反射后的光束，其前進(jìn)的方向?qū)χ止忡R6，其反射后的白光光束G″的中心光軸與垂直線o′o′重合。白光光束G″經(jīng)半反半透分光鏡4的反射、分光鏡6的透過(guò)和被測(cè)物鏡8的聚焦后照射到針尖1101上，此為白光成像的照明光束。由針尖1101反射的光束再由被測(cè)物鏡8收集、經(jīng)分光鏡6的透過(guò)后，入射到半反半透分光鏡4上。透過(guò)半反半透分光鏡4后的光形成光束G，其光束G的中心光軸與垂直線o′o′重合。光束G經(jīng)中心軸線與垂直線o′o′重合的鏡筒透鏡3后，在鏡筒透鏡3的像方焦面上形成針尖1101的像。攝像機(jī)1的接收面101就在鏡筒透鏡3的像方焦面上，其中心點(diǎn)與垂直線o′o′重合。攝像機(jī)1將接收到的針尖1101的像送到監(jiān)視器2上顯示。如圖1所示。
所說(shuō)的激光光源7包括激光器701，在檢測(cè)被測(cè)物鏡8的小光斑的偏振狀態(tài)時(shí)需添加起偏器702。起偏器702位于激光器701與分光鏡6之間，起偏器702和激光器701的中心均位于同一光軸oo上。激光器701發(fā)射的光束通過(guò)起偏器702后將成為線偏振光，經(jīng)過(guò)分光鏡6進(jìn)入被測(cè)物鏡8。如圖1所示。
所說(shuō)的被測(cè)物鏡8，是指大數(shù)值孔徑NA(＞0.5)的小光斑物鏡，如光盤物鏡，或者是共軛距無(wú)窮遠(yuǎn)的顯微鏡物鏡，或者是光刻物鏡。
所說(shuō)的探測(cè)組件12包括光電探測(cè)器1201，在檢測(cè)被測(cè)物鏡8的小光斑的偏振狀態(tài)時(shí)需添加檢偏器1202。檢偏器1202位于光纖探針11的末端與光電探測(cè)器1201之間，檢偏器1202和光纖探針11的末端的中心均與探測(cè)組件12的中心軸線重合。由光纖探針11的末端輸出的光通過(guò)檢偏器1202后照射到光電探測(cè)器1201的接收面上。如圖1所示。當(dāng)激光光源7中含有起偏器702時(shí)，探測(cè)組件12中必須加檢偏器1202。
所說(shuō)的白光光源5包括照明透鏡501、孔徑光闌502、視場(chǎng)光闌503、會(huì)聚透鏡504和白熾燈505，它們的中心均位于平行線o″o″上，并從靠近半反半透分光鏡4的地方起依次排列。白熾燈505發(fā)射的白光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡504的會(huì)聚，入射到照明透鏡501上，由照明透鏡501形成平行的白光光束G″。視場(chǎng)光闌503位于照明透鏡501的物方焦點(diǎn)處，它控制著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)?？讖焦怅@502控制白光光束G″的口徑，因而控制著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和焦深。如圖1所示。
測(cè)量過(guò)程中，如上述圖1的結(jié)構(gòu)，將被測(cè)物鏡8置于分光鏡6和光纖探針11上的針尖1101之間。然后打開白熾燈505、攝像機(jī)1和監(jiān)視器2的電源。這時(shí)，由白光光源5發(fā)射的白光光束G″入射到半反半透分光鏡4上，由其反射后入射到分光鏡6上，透過(guò)分光鏡6入射到被測(cè)物鏡8上。此時(shí)，被測(cè)物鏡8在光路中相當(dāng)于一個(gè)顯微鏡物鏡，它將入射到它上面的光束會(huì)聚到光纖探針11上的針尖1101中心及其附近的表面上，由光纖探針11上的針尖1101中心及其附近的表面反射散射的光再由被測(cè)物鏡8收集，沿原路返回，透過(guò)分光鏡6和半反半透分光鏡4后，由鏡筒透鏡3將光纖探針11上的針尖1101中心及其附近的表面成像在攝像機(jī)1接收面101上。監(jiān)視器2將光纖探針11上的針尖1101中心及其附近表面的像顯示出來(lái)。如果光纖探針11上的針尖1101不在被測(cè)物鏡8的像方焦平面上或附近或(和)不在垂直線o′o′的附近，那么監(jiān)視器2顯示的圖像將不清晰或沒(méi)有。這時(shí)，先將視場(chǎng)光闌503調(diào)至最大、孔徑光闌502調(diào)小，增大視場(chǎng)和焦深，即增大觀察的三維范圍，當(dāng)然此時(shí)分辨率有所下降。左右、前后和上下調(diào)節(jié)調(diào)整架10，一直到監(jiān)視器2中央出現(xiàn)清晰的光纖探針11上的針尖1101的像。再將視場(chǎng)光闌503調(diào)小、孔徑光闌502調(diào)至最大，縮小觀察區(qū)域、減小焦深、提高分辨率，并仔細(xì)地左右、前后和上下調(diào)節(jié)調(diào)整架10，一直到監(jiān)視器2中央再次出現(xiàn)更清晰的針尖1101的像，這表明光纖探針11上的針尖1101已被粗調(diào)到被測(cè)物鏡8的焦斑上，即是被測(cè)物鏡8產(chǎn)生的小光斑的中心位置上。
打開激光光源7、探測(cè)組件12中的光電探測(cè)器1201、前置放大器13、計(jì)算機(jī)14和高壓放大器15的電源，使其處于工作狀態(tài)。然后對(duì)被測(cè)物鏡8的小光斑進(jìn)行初掃，觀察顯示器1401上小光斑的大小和位置。通過(guò)計(jì)算機(jī)14控制高壓放大器15的輸出偏量，使壓電陶瓷掃描器9作三維的偏移(精調(diào))，最終使顯示器1401上小光斑最小并位于中心位置，這時(shí)光纖探針11上的針尖1101就精確定位在被測(cè)物鏡8的小光斑中心位置上了。然后由計(jì)算機(jī)14控制高壓放大器15的輸出幅度，縮小壓電陶瓷掃描器9的掃描范圍，提高空間掃描的分辨率，繼續(xù)掃描檢測(cè)，得到最終的結(jié)果，包括被測(cè)物鏡8的小光斑的光強(qiáng)分布、大小、形狀和偏振狀態(tài)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)首先，通過(guò)分光鏡6、白光光源5、半反半透分光鏡4、被測(cè)物鏡8、鏡筒透鏡3、攝像機(jī)1以及監(jiān)視器2組成了一個(gè)顯微鏡式的監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)視光纖探針11上的針尖1101是否被粗調(diào)到被測(cè)物鏡8的小光斑的中心位置上，以利于光纖探針11的粗調(diào)并防止針尖1101位于不需要的散斑處，使調(diào)整方便準(zhǔn)確。從而能夠方便和準(zhǔn)確地檢測(cè)光盤物鏡的小光斑。另外將光纖探針11上的針尖1101粗調(diào)到被測(cè)物鏡8的小光斑的中心位置，可減小壓電陶瓷掃描器9的擺動(dòng)帶來(lái)的影響(該影響是指在掃描被測(cè)物鏡8的小光斑邊緣時(shí)，光纖探針11上的針尖1101會(huì)有輕微的離焦)。其次，檢測(cè)的范圍廣。不僅可以檢驗(yàn)光盤物鏡，也可以檢驗(yàn)共軛距無(wú)窮遠(yuǎn)的顯微鏡物鏡。不僅可以檢驗(yàn)?zāi)骋还ぷ鞑ㄩL(zhǎng)的物鏡，也可以檢驗(yàn)其他工作波長(zhǎng)的物鏡(此時(shí)只需更換激光光源7、分光鏡6)。不僅可以檢驗(yàn)軸上的小光斑(光斑位于垂直線o′o′上)，也可以檢驗(yàn)軸外的小光斑(光斑不位于垂直線o′o′上)，后者在測(cè)量的過(guò)程中只需傾斜被測(cè)物鏡8。


圖1是本實(shí)用新型的小光斑物鏡檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光光源7中的激光器701采用半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)λ=650nm，加準(zhǔn)直和整形光學(xué)件，發(fā)射光束G口徑8mm。被測(cè)物鏡8為DVD-ROM光盤驅(qū)動(dòng)器物鏡(數(shù)值孔徑NA=0.6)。光纖探針11(1720-00型)的針尖1101小孔直徑50nm。壓電陶瓷掃描器9的掃描范圍8μm。探測(cè)組件12中的光電探測(cè)器1201為光電倍增管(H6780-04型)。鏡筒透鏡3焦距200mm。攝像機(jī)1為彩色CCD攝像頭(VCC-3912P型)。監(jiān)視器2為十四英寸彩色監(jiān)視器(SCM-14MM型)。按上述步驟調(diào)整和測(cè)量小光斑，光纖探針11上的針尖1101的粗調(diào)誤差＜0.5μm，小光斑檢測(cè)的空間分辨率可達(dá)50nm，光信號(hào)測(cè)量精度優(yōu)于1％。比在先技術(shù)方便可靠。
權(quán)利要求1．一種小光斑物鏡的檢測(cè)儀，包括<1>有激光光源(7)，有針尖(1101)露在外面的沿著放在調(diào)整架(10)上的壓電陶瓷掃描器(9)內(nèi)部中心軸線上置放的光纖探針(11)，光纖探針(11)的光信號(hào)經(jīng)探測(cè)組件(12)變成電信號(hào)后經(jīng)前置放大器(13)輸入計(jì)算機(jī)(14)，計(jì)算機(jī)(14)通過(guò)高壓放大器(15)與壓電陶瓷掃描器(9)相聯(lián)，被測(cè)物鏡(8)置于被測(cè)物鏡(8)的焦斑落在光纖探針(11)的針尖(1101)上的位置上；其特征在于<2>有中心點(diǎn)(O0)置于激光光源(7)光軸(oo)上的分光鏡(6)，分光鏡(6)的反射面與激光光源(7)的光軸(oo)成45°角，分光鏡(6)反射面的中心點(diǎn)(O0)與光纖探針(11)的針尖(1101)連線為垂直于激光光源(7)光軸(oo)的垂直線(o′o′)；<3>有中心軸線與上述垂直線(o′o′)重合的置于垂直線(o′o′)上的帶有監(jiān)視器(2)的攝像機(jī)(1)，攝像機(jī)(1)的接收面(101)隔著分光鏡(6)與光纖探針(11)的針尖(1101)相對(duì)；<4>在分光鏡(6)與攝像機(jī)(1)接收面(101)之間的垂直線(o′o′)上置有中心軸線與垂直線(o′o′)重合的鏡筒透鏡(3)，鏡筒透鏡(3)的焦點(diǎn)恰好落在攝像機(jī)(1)的接收面(101)上；<5>在分光鏡(6)與鏡筒透鏡(3)之間的垂直線(o′o′)上置有中心點(diǎn)在垂直線(o′o′)上的半反半透分光鏡(4)，半反半透分光鏡(4)的反射面向著分光鏡(6)，反射面與垂直線(o′o′)成45°角；<6>對(duì)著半反半透分光鏡(4)的反射面有白光光源(5)，白光光源(5)的中心軸線(o″o″)穿過(guò)半反半透分光鏡(4)的中心點(diǎn)與垂直線(o′o′)垂直，與激光光源(7)的光軸(oo)平行。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的小光斑物鏡的檢測(cè)儀，其特征在于所說(shuō)的白光光源(5)包含在同一白光光源(5)中心軸線(o″o″)上由靠近至遠(yuǎn)離半反半透分光鏡(4)依次置有照明透鏡(501)，孔徑光闌(502)，視場(chǎng)光闌(503)，會(huì)聚透鏡(504)和白熾燈(505)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的小光斑物鏡的檢測(cè)儀，其特征在于所說(shuō)的激光光源(7)是激光器(701)，或者是激光器(701)加起偏器(702)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的小光斑物鏡的檢測(cè)儀，其特征在于所說(shuō)的探測(cè)組件(12)是光電探測(cè)器(1201)，或者是光電探測(cè)器(1201)加檢偏器(1202)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的小光斑物鏡的檢測(cè)儀，其特征在于所說(shuō)的分光鏡(6)是一表面上鍍有對(duì)激光光源(7)的波長(zhǎng)λ反射率大于95％分光膜的平行平板，或者是偏振分光棱鏡。
專利摘要一種小光斑物鏡的檢測(cè)儀,包括由激光光源發(fā)射的激光束照射被測(cè)物鏡產(chǎn)生的小光斑被光纖探針的針尖探測(cè)后由探測(cè)組件轉(zhuǎn)變成電信號(hào)經(jīng)前置放大器輸入計(jì)算機(jī)。有白光光源發(fā)射的白光光束透過(guò)被測(cè)物鏡照射到光纖探針的針尖上,將被測(cè)物鏡的像方焦斑上的針尖反射到攝像機(jī)的接收面上。在聯(lián)接到攝像機(jī)上的監(jiān)視器上能夠觀察到調(diào)整光纖探針針尖對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物鏡的狀況,從而能夠精確而方便地調(diào)整針尖探測(cè)的位置。
文檔編號(hào)G01J1/42GK2453432SQ00259520
公開日2001年10月10日 申請(qǐng)日期2000年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月8日
發(fā)明者徐文東, 干福熹, 林強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所