磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种存取数据时磁头飞行对磁盘表面润滑膜的影响的实时观测装置，具有较大的观测范围。本实用新型可以模拟磁头读取数据时的完整过程，并且实现磁头从接触到离开磁盘完整过程的磁盘润滑膜的观测，从而快速精确地测量出在磁头飞行中磁盘表面润滑膜的厚度变化，改善了过去观测装置观测范围小的问题，可实现纳米级分辨力和160×160μm2范围的观测。本实用新型原理简单，操作简便，便于观测图像后期处理分析。
【专利说明】磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光学测量【技术领域】，尤其是涉及一种用于观测磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的装置。
【背景技术】
[0002]随着计算机在各个领域的广泛应用，人们对计算机的存储容量要求越来越大。随着计算机存储容量的增加，硬盘磁盘与磁头之间的距离越来越小，以至于在存取数据时磁头距离磁盘的飞行高度仅为l_2nm。在这一过程中，磁盘表面的液体润滑膜可能会与磁头发生结合，形成弯液面、润滑膜破损等等。因此，研究磁盘表面液体润滑膜的特性具有十分重要的意义，它关系到磁盘工作的稳定性和耐久性等关键特性。观察磁头存取数据时的磁盘表面润滑膜厚度变化状况，可以辅助研究润滑膜的特性，从而为润滑膜的改善提供基础。然而在过去的研究中，多数的润滑膜观测方法采用的是椭偏仪或者偏振光显微镜，光线通过润滑膜，照射到磁盘基底，并由磁盘基底反射回来，再次通过润滑膜，由于不同的膜厚对偏振光的反射强度不同，因此反射光线的强度随着膜厚的变化而变化，从而获得润滑膜厚信息。该方法有比较高的测量分辨力，然而由于物镜的倾斜设置，使得该方法的观测范围较小，同时物镜、照明系统与磁头均设计在被测面的同一侧，而由于显微镜物镜的工作距离较短，当磁头在润滑膜表面振动时，磁头将遮挡部分入射光，使成像不完整。为了获得完整的像，必须严格控制磁头振动的时间以及观测时间，使观测从磁头离开被测表面一定高度时开始。因此该方法只能观测磁头离开被测面后润滑膜的变化状况，而不能用于磁头存取过程中对磁盘表面润滑膜状态变化状况的实时观察。
【发明内容】
[0003]为解决上述问题，本实用新型公开了一种存取数据时磁头飞行对磁盘表面润滑膜的影响的实时观测装置，具有较大的观测范围。
[0004]为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案:
[0005]一种磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置，包括光源、第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜、分光棱镜、垂直物镜、载物台、实验材料、光纤探针、压电位移驱动器、检偏器、汇聚透镜、CXD相机和计算机；所述第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜、分光棱镜沿出射方向依次设置在光源的前方，分光棱镜的分光平面向平行光源倾斜并且与水平方向成45度，所述针孔位于第一汇聚透镜的前焦平面上，所述光源、第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜各光轴重合；所述垂直物镜设置在分光棱镜的正上方，所述载物台水平设置于垂直物镜正上方，所述检偏器设置在分光棱镜的正下方，所述第四汇聚透镜设置在检偏器的正下方，所述CCD相机设置在第四汇聚透镜的正下方；所述CCD相机的光轴、第四汇聚透镜的光轴、分光棱镜的竖直光轴、垂直物镜的光轴重合，所述平行光源、第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜的光轴偏离主光轴，所述CCD相机与计算机连接，所述计算机驱动压电位移驱动器控制光纤探针移动。
[0006]进一步的，所述实验材料包括盖玻片、盖玻片表面附着的DLC、以及DLC表面附着的润滑膜。
[0007]进一步的，所述起偏器角度使得图像光强与润滑膜厚度成正比。
[0008]本实用新型提供的观测装置，可以模拟磁头读取数据时的完整过程，并且实现磁头从接触到离开磁盘完整过程的磁盘润滑膜的观测，从而快速精确地测量出在磁头飞行中磁盘表面润滑膜的厚度变化，改善了过去观测装置观测范围小的问题，可实现纳米级分辨力和160X160 μ m2范围的观测。本实用新型原理简单，操作简便，便于观测图像后期处理分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本实用新型提供的用于磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置结构示意图；
[0010]图2为压电位移驱动器驱动光纤探针模拟磁头读取数据的完整过程分步示意图，其中，(a)为探针悬浮于被观测润滑膜表面状态图，(b)为探针与被测润滑膜弹性接触并沿平行于被测面方向振动状态图，(C)为探针与被测面发生固体接触并振动状态图，(d)为探针离开被测表面状态图；
[0011]图3为偏振元件的透光轴角度示意图；
[0012]附图标记列表:
[0013]I一平行光源，2一第一汇聚透镜，3一针孔,4一第二汇聚透镜，5一起偏器，6一 1/4波片，7—第二汇聚透镜，8—分光棱镜，9一垂直物镜，10一载物台，11 一实验材料，12一光纤探针，13—压电位移驱动器，14一计算机，15一检偏器，16一第四汇聚透镜，17 —CCD相机。
【具体实施方式】
[0014]以下将结合具体实施例对本实用新型提供的技术方案进行详细说明，应理解下述【具体实施方式】仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
[0015]图1为本实用新型提供的用于磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置，采用物镜垂直放置方案设计偏振光显微镜测量方法，并且将物镜安置于被观测润滑薄膜的背对面的方法，以实现磁头飞行同时对润滑膜状态进行观察的目的。具体包括光源1、第一汇聚透镜2、针孔3、第二汇聚透镜4、起偏器5、1/4波片6、第三汇聚透镜7、分光棱镜8、垂直物镜9、载物台10、实验材料11、光纤探针12、压电位移驱动器13、检偏器15、汇聚透镜16、CCD相机17和计算机14。所述第一汇聚透镜2、针孔3、第二汇聚透镜4、起偏器5、1/4波片6、第三汇聚透镜7、分光棱镜8沿出射方向顺次设置在平行光源的前方，分光棱镜8的分光平面向平行光源I倾斜并且与水平方向成45度，所述针孔3位于第一汇聚透镜2的前焦平面上，所述光源1、第一汇聚透镜2、针孔3、第二汇聚透镜4、起偏器5、1/4波片6、第三汇聚透镜7各光轴重合。所述垂直物镜9设置在分光棱镜8的正上方，所述载物台10水平设置于垂直物镜9正上方，所述检偏器15设置在分光棱镜8的正下方，所述第四汇聚透镜16设置在检偏器15的正下方，所述CXD相机17设置在第四汇聚透镜16的正下方。所述CXD相机17的光轴、第四汇聚透镜16的光轴、分光棱镜8的竖直光轴、垂直物镜9的光轴重合，所述平行光源1、第一汇聚透镜2、针孔3、第二汇聚透镜4、起偏器5、1/4波片6、第三汇聚透镜7的光轴偏离与分光棱镜的光轴重合的主光轴，上述平行光源I?第三汇聚透镜7共轴且都偏离分光棱镜的主光轴，这样可以减小这些部件中透镜，偏振片的直径，从而降低成本。所述CCD相机连接到计算机。本例中，所述照明光源采用单色大功率平行光源，其波长为460nm，输出功率46 μ w ;所述垂直物镜放大率为50 X，工作距离为5.2mm，数值孔径NA = 0.75。
[0016]由于采用背对润滑薄膜的方向进行观察，如果用硬盘直接观测，复折射率过高，光线不能透射，不能观测背面，因此本实用新型对观察用实验材料进行了改进。根据测量需要，采用盖玻片表面附着DLC (Diamond-like carbon类金刚石碳)模拟硬盘盘片，并对其表面附着Fomblin-Z03型全氟聚醚润滑剂。并采用直径为100微米的光纤探针12模拟磁头，并且光纤探针表面也附着DLC。光纤探针12由压电位移驱动器13驱动，计算机上与压电位移驱动器13连接，从而控制压电位移驱动器13能够分别控制光纤探针12沿被测表面的平行与垂直两个方向运动，从而模拟磁头与润滑膜接触以及磁头在磁盘表面的飞行过程。所述光纤探针12垂直悬置于载物台9正上方，由于用于观测的显微系统(CCD相机侧)与模拟磁头飞行的光纤探针12分别设置于被测实验材料的上下两侧，避免了显微系统物镜工作距离短所造成的光纤探针12与样品润滑薄膜接触过程与观测过程不同步问题。本例中，采用厚度0.17mm的盖玻片单面附着厚度约为3nm的DLC作为底板模拟硬盘盘片，DLC表面均匀附着纳米级厚度的Z03液体润滑膜。优选的，所述压电位移驱动器13为二维压电微位移驱动器，移动距离非常精确，便于控制。
[0017]基于上述观测装置，在观测时具体包括如下步骤:
[0018]步骤A，经过模拟计算，在所述装置中，CXD检测到的光强由公式I得到:
[0019]
V ~ I
/ = —-{r2 cos2 j + 2rsin /i cos Jsin^/3 +Δ) +sin2 A]⑴
[0020]其中，P为起偏器的角度，A为检偏器的角度。
[0021]根据实验材料的复折射率(式(2)、式(3))计算出观测装置在消光条件下起偏器，检偏器的角度值:
[0022]2Pd+Ad=^-
[0023](2)
[0024]rdcosAd+sinAd = O (3)
[0025]步骤B，通过改变起偏器和检偏器的角度可以改变C⑶检测到的光强与磁盘表面润滑膜厚度的对应关系。由于采用玻璃、DLC和Z03润滑膜三层膜结构，我们可以利用MATLAB拟合，利用2X2矩阵算法对膜厚测量进行模拟计算，推导出膜厚与偏振元件角度之间的关系。在实际操作中，还需要固定检偏器的角度，通过旋转起偏器，轻微改变起偏器的角度(例如一次改变0.1度)，并在每个角度下在载物台上放置多组玻璃、DLC和Z03润滑膜三层膜结构实验材料，这些实验材料中样品润滑膜厚度不同(这些薄膜厚度可预先用其他方式进行测量)，盖玻片以及DLC厚度固定，调整载物台的高度，观察CCD相机的实时图像进行对焦，通过电脑获取图像信息，并进行图像处理和存储，获取图像各点的光强信息，进行图像处理后获得平均光强数据，分析在起偏器不同角度下CCD相机采集到的三层膜厚度测量数值和光强信息，根据盖玻片，DLC的厚度和复折射率以及润滑膜的复折射率，采用2x2矩阵算法得到润滑膜的厚度结果，并绘制曲线，得到使光强与润滑薄膜厚度成正比的起偏器角度，并获得正比公式。在调整起偏器并进行观测的过程中，光纤探针应不与实验材料接触。
[0026]如图3所示，首先调整1/4波片和检偏器的角度分别为45°和351.2°，分段调整起偏器角度，并分别进行不同厚度润滑薄膜的图像光强信息采集，经过数据分析，最终将起偏器角度调整为24.4°，此时薄膜厚度与CXD相机接收到的光强度成正比。
[0027]步骤C，调整起偏器角度为使光强与薄膜厚度成正比时的角度值，将实验材料(玻璃、DLC和Z03润滑膜三层结构)放置于载物台上；
[0028]步骤D，调整载物台高度，观察CXD相机的实时图像进行对焦；
[0029]步骤E，调整光纤探针高度，使其完成与实验材料的弹性接触-振动-固体接触-分离全过程(如图2所示)，同时CCD相机实时获取图像信息并传输至计算机；
[0030]步骤E，图像处理和存储；
[0031]步骤F，获取在步骤E过程中获得的图像各点的光强信息，进行图像处理后获得平均光强数据，根据上述正比公式快速计算出模拟磁头飞行过程中样品润滑薄膜在不同阶段下的相应的润滑膜厚度值。
[0032]必须说明的是，计算机中进行数据计算可以看成是本系统的一种改进实现方案，实际上，计算机也可仅仅实现数据存储功能，薄膜的厚度计算和处理也可以脱离本系统中的计算机实现。
[0033]本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置，其特征在于:包括光源、第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜、分光棱镜、垂直物镜、载物台、实验材料、光纤探针、压电位移驱动器、检偏器、汇聚透镜、CCD相机和计算机；所述第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜、分光棱镜沿出射方向依次设置在光源的前方，分光棱镜的分光平面向平行光源倾斜并且与水平方向成45度，所述针孔位于第一汇聚透镜的前焦平面上，所述光源、第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜各光轴重合；所述垂直物镜设置在分光棱镜的正上方，所述载物台水平设置于垂直物镜正上方，所述检偏器设置在分光棱镜的正下方，所述第四汇聚透镜设置在检偏器的正下方，所述CCD相机设置在第四汇聚透镜的正下方；所述CCD相机的光轴、第四汇聚透镜的光轴、分光棱镜的竖直光轴、垂直物镜的光轴重合，所述平行光源、第一汇聚透镜、针孔、第二汇聚透镜、起偏器、1/4波片、第三汇聚透镜的光轴偏离主光轴，所述CCD相机与计算机连接，所述计算机驱动压电位移驱动器控制光纤探针移动。
2.根据权利要求1所述的磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置，其特征在于:所述实验材料包括盖玻片、盖玻片表面附着的DLC、以及DLC表面附着的润滑膜。
3.根据权利要求1或2所述的磁头飞行中磁盘表面润滑膜变化的观测装置，其特征在于:所述起偏器角度使得图像光强与润滑膜厚度成正比。
【文档编号】G01N21/21GK204007525SQ201420417660
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】刘卿卿, 李冉 申请人:南京信息工程大学