专利名称：小光斑物镜的检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种小光斑物镜的检测仪。小光斑物镜指大数值孔径NA(＞0.5)的物镜，如光盘驱动器物镜，光盘母盘刻录机物镜，显微物镜以及光刻物镜。
检测小光斑物镜，包括其光强分布、大小、形状和偏振状态，是检验小光斑物镜质量的最直接因而最有效的参量。因为小光斑物镜的作用就是将激光束会聚成一个小光斑。小光斑的光强分布、大小、形状和偏振状态直接影响就像光盘驱动器的读写性能或光盘母盘刻录机刻出的母盘的质量。在先技术中对小光斑的检测比较好的是采用光学系统光远场参量的检测装置(参见专利ZL 00217937.7)。但该装置有一个缺点，那就是如何将光纤探针针尖调整到小光斑处(即光盘物镜的像方焦点处)是比较困难的。光盘驱动器物镜的小光斑尺寸在1μm左右，光盘母盘刻录机物镜的小光斑则更小，这使手动或电动粗调变得十分困难。另外，小光斑周围经常存在一些强度相对比较弱的散斑，如果没有适当监视机构的话，很可能将针尖调整到某一散斑上，而不是要测的小光斑上。
本实用新型的目的是提供一种小光斑物镜的检测仪，它将能够弥补在先技术中的小光斑检测装置存在的缺陷、能够监视调整状况，从而能够方便和准确地检测各种小光斑物镜的小光斑。
本实用新型的小光斑物镜的检测仪如图1所示。包括有激光光源7，有针尖1101露在外面的沿着放在调整架10上的压电陶瓷扫描器9内部中心轴线上置放的光纤探针11。光纤探针11的光信号经探测组件12变成电信号后经前置放大器13输入计算机14。计算机14通过高压放大器15与压电陶瓷扫描器9相联，也就是计算机14通过高压放大器15控制压电陶瓷扫描器9的扫描动作。被测物镜8是置于被测物镜8的焦斑落在光纤探针11的针尖1101上的位置上。有中心点O0置于激光光源7光轴oo上的分光镜6。分光镜6的反射面与激光光源7的光轴oo成45°角。分光镜6反射面的中心点O0与光纤探针11的针尖1101连线为垂直于激光光源7光轴oo的垂直线o′o′。有中心轴线与上述垂直线o′o′重合的置于垂直线o′o′上的带有监视器2的摄像机1。摄像机1的接收面101隔着分光镜6与光纤探针11的针尖1101相对。在分光镜6与摄像机1接收面101之间的垂直线o′o′上置有中心轴线与垂直线o′o′重合的镜筒透镜3，镜筒透镜3的焦点恰好落在摄像机1的接收面101上。在分光镜6与镜筒透镜3之间的垂直线o′o′上置有中心点在垂直线o′o′上的半反半透分光镜4。半反半透分光镜4的反射面向着分光镜6，反射面与垂直线o′o′成45°角。对着半反半透分光镜4的反射面有白光光源5，白光光源5的中心轴线o″o″穿过半反半透分光镜4的中心点与垂直线o′o′垂直，与激光光源7的光轴oo平行。
所说的白光光源5包含在同一白光光源5中心轴线o″o″上由靠近至远离半反半透分光镜4依次置有照明透镜501，孔径光阑502，视场光阑503，会聚透镜504和白炽灯505。
所说的激光光源7是激光器701，或者是激光器701加起偏器702。
所说的探测组件12是光电探测器1201，或者是光电探测器1201加检偏器1202。
所说的分光镜6是一表面上镀有对激光光源7的波长λ反射率大于95％的分光膜的平行平板，或者是偏振分光棱镜。所说的分光镜6的反射面就是镀有分光膜的表面。
本实用新型的检测仪如上所述的结构。激光光源7(光盘驱动器及光盘母盘刻录机均使用激光器)发射的单色(波长为λ)平行光束G在前进的方向上，中心点O0与激光光源7的光轴oo重合地置有分光镜6。分光镜6为平行平板时，其反射面与激光光源7的光轴oo成45°夹角。分光镜6的反射面镀了分光膜，该分光膜对激光光源7的波长λ增反，即大于95％的激光光源7发射的光将被反射，对其他波长的光则透过。激光光源7发射的平行光束G经分光镜6反射后成为平行光束G′。平行光束G′的中心光轴与通过分光镜6的中心点O0与激光光源7的光轴oo垂直的垂直线o′o′重合。在平行光束G′前进的方向上，中心轴线与垂直线o′o′相重合地置有压电陶瓷扫描器9。沿着压电陶瓷扫描器9内部的中心轴线上置有光纤探针11，光纤探针11上的针尖1101露在压电陶瓷扫描器9的外面而且对着平行光束G′前进的方向。光纤探针11固定在压电陶瓷扫描器9内，并随压电陶瓷扫描器9的运动而运动，以实现光纤探针11上的针尖1101对被测小光斑的扫描。压电陶瓷扫描器9固定于用作粗调的调整架10(可手动也可由电机带动的电动)上，并随调整架10的移动而移动，通过手动或电动调整架10，将光纤探针11上的针尖1101粗调到被测小光斑的中心位置上。光纤探针11上的针尖1101采样到的光信号通过光纤探针11的主体(除针尖1101外的光纤探针11)传输到探测组件12上。探测组件12将光信号转化为电信号，电信号通过前置放大器13的放大后输入到计算机14中。随着光纤探针11上的针尖1101对被测小光斑的扫描和光场采样，计算机14可在其显示器1401上显示出被测小光斑的光强分布或偏振状态。压电陶瓷扫描器9通过高压放大器15与计算机14相联。也就是说，计算机14是通过控制高压放大器15的输出来控制压电陶瓷扫描器9的扫描。计算机14不仅可以通过控制高压放大器15的输出幅度来控制压电陶瓷扫描器9的扫描范围；而且可以通过控制高压放大器15的输出偏量控制压电陶瓷扫描器9实现光纤探针11上的针尖1101的精确定位(精调)，即精调到被测小光斑的中心位置上。测量时，被测物镜8置于分光镜6与光纤探针11上的针尖1101之间。而且被测物镜8的焦斑也就是被测小光斑应该恰好落在针尖1101上。如图1所示。
在垂直线o′o′上，分光镜6的一边，即隔着分光镜6与光纤探针11相对的一边，从靠近分光镜6的地方起，依次置有半反半透分光镜4、镜筒透镜3以及摄像机1。半反半透分光镜4的中心点与垂直线o′o′重合。半反半透分光镜4为平行平板，其表面与垂直线o′o′成45°夹角。半反半透分光镜4的一表面上对白光镀了半反半透膜，即白光的一半被其反射，另一半则透过，此表面为半反半透分光镜4的反射面。通过半反半透分光镜4的中心，与垂直线o′o′垂直与激光光源7光轴oo平行的有平行线o″o″。此平行线o″o″也就是白光光源5的中心轴线o″o″。半反半透分光镜4的反射面对着白光光源5。则白光光源5发射的白光光束G″前进的方向对着半反半透分光镜4的反射面。白光光束G″经半反半透分光镜4反射后的光束，其前进的方向对着分光镜6，其反射后的白光光束G″的中心光轴与垂直线o′o′重合。白光光束G″经半反半透分光镜4的反射、分光镜6的透过和被测物镜8的聚焦后照射到针尖1101上，此为白光成像的照明光束。由针尖1101反射的光束再由被测物镜8收集、经分光镜6的透过后，入射到半反半透分光镜4上。透过半反半透分光镜4后的光形成光束G，其光束G的中心光轴与垂直线o′o′重合。光束G经中心轴线与垂直线o′o′重合的镜筒透镜3后，在镜筒透镜3的像方焦面上形成针尖1101的像。摄像机1的接收面101就在镜筒透镜3的像方焦面上，其中心点与垂直线o′o′重合。摄像机1将接收到的针尖1101的像送到监视器2上显示。如图1所示。
所说的激光光源7包括激光器701，在检测被测物镜8的小光斑的偏振状态时需添加起偏器702。起偏器702位于激光器701与分光镜6之间，起偏器702和激光器701的中心均位于同一光轴oo上。激光器701发射的光束通过起偏器702后将成为线偏振光，经过分光镜6进入被测物镜8。如图1所示。
所说的被测物镜8，是指大数值孔径NA(＞0.5)的小光斑物镜，如光盘物镜，或者是共轭距无穷远的显微镜物镜，或者是光刻物镜。
所说的探测组件12包括光电探测器1201，在检测被测物镜8的小光斑的偏振状态时需添加检偏器1202。检偏器1202位于光纤探针11的末端与光电探测器1201之间，检偏器1202和光纤探针11的末端的中心均与探测组件12的中心轴线重合。由光纤探针11的末端输出的光通过检偏器1202后照射到光电探测器1201的接收面上。如图1所示。当激光光源7中含有起偏器702时，探测组件12中必须加检偏器1202。
所说的白光光源5包括照明透镜501、孔径光阑502、视场光阑503、会聚透镜504和白炽灯505，它们的中心均位于平行线o″o″上，并从靠近半反半透分光镜4的地方起依次排列。白炽灯505发射的白光经过会聚透镜504的会聚，入射到照明透镜501上，由照明透镜501形成平行的白光光束G″。视场光阑503位于照明透镜501的物方焦点处，它控制着监测系统的视场。孔径光阑502控制白光光束G″的口径，因而控制着监测系统的数值孔径和焦深。如图1所示。
测量过程中，如上述图1的结构，将被测物镜8置于分光镜6和光纤探针11上的针尖1101之间。然后打开白炽灯505、摄像机1和监视器2的电源。这时，由白光光源5发射的白光光束G″入射到半反半透分光镜4上，由其反射后入射到分光镜6上，透过分光镜6入射到被测物镜8上。此时，被测物镜8在光路中相当于一个显微镜物镜，它将入射到它上面的光束会聚到光纤探针11上的针尖1101中心及其附近的表面上，由光纤探针11上的针尖1101中心及其附近的表面反射散射的光再由被测物镜8收集，沿原路返回，透过分光镜6和半反半透分光镜4后，由镜筒透镜3将光纤探针11上的针尖1101中心及其附近的表面成像在摄像机1接收面101上。监视器2将光纤探针11上的针尖1101中心及其附近表面的像显示出来。如果光纤探针11上的针尖1101不在被测物镜8的像方焦平面上或附近或(和)不在垂直线o′o′的附近，那么监视器2显示的图像将不清晰或没有。这时，先将视场光阑503调至最大、孔径光阑502调小，增大视场和焦深，即增大观察的三维范围，当然此时分辨率有所下降。左右、前后和上下调节调整架10，一直到监视器2中央出现清晰的光纤探针11上的针尖1101的像。再将视场光阑503调小、孔径光阑502调至最大，缩小观察区域、减小焦深、提高分辨率，并仔细地左右、前后和上下调节调整架10，一直到监视器2中央再次出现更清晰的针尖1101的像，这表明光纤探针11上的针尖1101已被粗调到被测物镜8的焦斑上，即是被测物镜8产生的小光斑的中心位置上。
打开激光光源7、探测组件12中的光电探测器1201、前置放大器13、计算机14和高压放大器15的电源，使其处于工作状态。然后对被测物镜8的小光斑进行初扫，观察显示器1401上小光斑的大小和位置。通过计算机14控制高压放大器15的输出偏量，使压电陶瓷扫描器9作三维的偏移(精调)，最终使显示器1401上小光斑最小并位于中心位置，这时光纤探针11上的针尖1101就精确定位在被测物镜8的小光斑中心位置上了。然后由计算机14控制高压放大器15的输出幅度，缩小压电陶瓷扫描器9的扫描范围，提高空间扫描的分辨率，继续扫描检测，得到最终的结果，包括被测物镜8的小光斑的光强分布、大小、形状和偏振状态。
本实用新型的优点首先，通过分光镜6、白光光源5、半反半透分光镜4、被测物镜8、镜筒透镜3、摄像机1以及监视器2组成了一个显微镜式的监视系统，监视光纤探针11上的针尖1101是否被粗调到被测物镜8的小光斑的中心位置上，以利于光纤探针11的粗调并防止针尖1101位于不需要的散斑处，使调整方便准确。从而能够方便和准确地检测光盘物镜的小光斑。另外将光纤探针11上的针尖1101粗调到被测物镜8的小光斑的中心位置，可减小压电陶瓷扫描器9的摆动带来的影响(该影响是指在扫描被测物镜8的小光斑边缘时，光纤探针11上的针尖1101会有轻微的离焦)。其次，检测的范围广。不仅可以检验光盘物镜，也可以检验共轭距无穷远的显微镜物镜。不仅可以检验某一工作波长的物镜，也可以检验其他工作波长的物镜(此时只需更换激光光源7、分光镜6)。不仅可以检验轴上的小光斑(光斑位于垂直线o′o′上)，也可以检验轴外的小光斑(光斑不位于垂直线o′o′上)，后者在测量的过程中只需倾斜被测物镜8。
图1是本实用新型的小光斑物镜检测仪的结构示意图。
实施例检测仪的结构如图1所示。激光光源7中的激光器701采用半导体激光器，波长λ=650nm，加准直和整形光学件，发射光束G口径8mm。被测物镜8为DVD-ROM光盘驱动器物镜(数值孔径NA=0.6)。光纤探针11(1720-00型)的针尖1101小孔直径50nm。压电陶瓷扫描器9的扫描范围8μm。探测组件12中的光电探测器1201为光电倍增管(H6780-04型)。镜筒透镜3焦距200mm。摄像机1为彩色CCD摄像头(VCC-3912P型)。监视器2为十四英寸彩色监视器(SCM-14MM型)。按上述步骤调整和测量小光斑，光纤探针11上的针尖1101的粗调误差＜0.5μm，小光斑检测的空间分辨率可达50nm，光信号测量精度优于1％。比在先技术方便可靠。
权利要求1．一种小光斑物镜的检测仪，包括<1>有激光光源(7)，有针尖(1101)露在外面的沿着放在调整架(10)上的压电陶瓷扫描器(9)内部中心轴线上置放的光纤探针(11)，光纤探针(11)的光信号经探测组件(12)变成电信号后经前置放大器(13)输入计算机(14)，计算机(14)通过高压放大器(15)与压电陶瓷扫描器(9)相联，被测物镜(8)置于被测物镜(8)的焦斑落在光纤探针(11)的针尖(1101)上的位置上；其特征在于<2>有中心点(O0)置于激光光源(7)光轴(oo)上的分光镜(6)，分光镜(6)的反射面与激光光源(7)的光轴(oo)成45°角，分光镜(6)反射面的中心点(O0)与光纤探针(11)的针尖(1101)连线为垂直于激光光源(7)光轴(oo)的垂直线(o′o′)；<3>有中心轴线与上述垂直线(o′o′)重合的置于垂直线(o′o′)上的带有监视器(2)的摄像机(1)，摄像机(1)的接收面(101)隔着分光镜(6)与光纤探针(11)的针尖(1101)相对；<4>在分光镜(6)与摄像机(1)接收面(101)之间的垂直线(o′o′)上置有中心轴线与垂直线(o′o′)重合的镜筒透镜(3)，镜筒透镜(3)的焦点恰好落在摄像机(1)的接收面(101)上；<5>在分光镜(6)与镜筒透镜(3)之间的垂直线(o′o′)上置有中心点在垂直线(o′o′)上的半反半透分光镜(4)，半反半透分光镜(4)的反射面向着分光镜(6)，反射面与垂直线(o′o′)成45°角；<6>对着半反半透分光镜(4)的反射面有白光光源(5)，白光光源(5)的中心轴线(o″o″)穿过半反半透分光镜(4)的中心点与垂直线(o′o′)垂直，与激光光源(7)的光轴(oo)平行。
2．根据权利要求1所述的小光斑物镜的检测仪，其特征在于所说的白光光源(5)包含在同一白光光源(5)中心轴线(o″o″)上由靠近至远离半反半透分光镜(4)依次置有照明透镜(501)，孔径光阑(502)，视场光阑(503)，会聚透镜(504)和白炽灯(505)。
3．根据权利要求1所述的小光斑物镜的检测仪，其特征在于所说的激光光源(7)是激光器(701)，或者是激光器(701)加起偏器(702)。
4．根据权利要求1所述的小光斑物镜的检测仪，其特征在于所说的探测组件(12)是光电探测器(1201)，或者是光电探测器(1201)加检偏器(1202)。
5．根据权利要求1所述的小光斑物镜的检测仪，其特征在于所说的分光镜(6)是一表面上镀有对激光光源(7)的波长λ反射率大于95％分光膜的平行平板，或者是偏振分光棱镜。
专利摘要一种小光斑物镜的检测仪,包括由激光光源发射的激光束照射被测物镜产生的小光斑被光纤探针的针尖探测后由探测组件转变成电信号经前置放大器输入计算机。有白光光源发射的白光光束透过被测物镜照射到光纤探针的针尖上,将被测物镜的像方焦斑上的针尖反射到摄像机的接收面上。在联接到摄像机上的监视器上能够观察到调整光纤探针针尖对准被测物镜的状况,从而能够精确而方便地调整针尖探测的位置。
文档编号G01J1/42GK2453432SQ00259520
公开日2001年10月10日 申请日期2000年12月8日 优先权日2000年12月8日
发明者徐文东, 干福熹, 林强 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所