一种扫描近场光学检测台的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种扫描近场光学检测台，包括：本体（22）；所述本体包括相互垂直的XOY面、YOZ面以及ZOX面；所述XOY面、YOZ面以及ZOX面围成一个收容空间；收容于所述收容空间内用于放置工件（17）的矩形工作台（18）；所述矩形工作台包括底面以及相互垂直相邻的四个侧面；所述矩形工作台的底面四角设有与所述本体XOY面固定的四个液压驱动单元（21）；所述矩形工作台相邻的两个侧面分别设有与所述本体YOZ面以及ZOX面固定的两个液压驱动单元（11）；所述本体YOZ面上设有位于所述工件上方的用于实现所述工件在Z轴方向上的定位的喷嘴单元。本实用新型支柱伸长量可调、可测，因此工作台的位移精度较高且控制较为简单；工作台运动的有效行程较大。
【专利说明】一种扫描近场光学检测台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光学机械领域，尤其涉及扫描近场光学检测装置。
【背景技术】
[0002]随着现代光学系统集成度日益增高，光学设计结构的尺度在不断减小。对于亚波长光学结构而言，需要检测的光场范围通常为微米量级，光学显微镜由于衍射极限的限制已无法胜任。基于光学探针技术的扫描近场光学显微镜给出了一方案，其主要包含定位模块、位移模块和光场接收检测模块。它的主要工作原理为:光纤探针用来检测耦合的光场，其被固定在位移装置上，通过控制定位、位移装置使得光线探针在样品表面附近的一定范围内进行扫描，扫描结果经过计算机处理后便可得到光场分布。
[0003]三维扫描移动工作台是扫描近场光显微检测装置中的关键部件之一，要求具有纳米量级的运动精度(一般为数十纳米)，对其运动部件运动的直线性、正交性、重复性和稳定性具有极高的要求。现有的各类扫描近场光显微检测装置中，大多设计粗动和微动两套系统，其中的微动系统为各种类型的多维弹性铰链工作台，驱动则采用电晶体。较为常见的平行四边形弹性铰链机构模型如图1平行四边形柔性铰链机构示意图所示:刚性支柱3通过柔性铰链2分别与固定板4和运动板I相连形成一个平行四边形对称结构，由于柔性铰链2具有一个横截面面积相对于其他部分尺寸小得多的颈缩部分，因此可以认为工作过程中只有柔性铰链2产生变形，而其他部分视为刚性体(实际上是变形量极小而被忽略不计)。工作过程中要求作用力F沿运动板I平行的方向作用在运动板I的一端中心对称位置时，此时运动板I可相对于固定板4沿X轴方向作一维运动，在此运动过程中，仅柔性铰链2的颈缩部分可以产生微小的转角。实际工作中力F作用点位置和方向难免存在误差，柔性铰链机构的制造也难免存在误差，这些都会使得柔性铰链2的颈缩部分产生微小的伸缩变形和扭转变形，从而使得三维方向上的运动之间产生相互耦合，运动板I不能严格按X方向移动。
[0004]现有的三维扫描移动工作台一般有多个(一般为3个)相互正交设置的平行四边形柔性铰链，且各部件之间为固态联接，由于各维运动和受力存在着复杂的耦合，三维工作台的移动难免存在一定的误差，而且这种误差难以消除。现有的三维扫描移动工作台的微驱动一般采用压电晶体驱动器，这种驱动器有很高的驱动精度，但有效行程很小，因此需要配备一个粗动装置，机构较为复杂。
[0005]鉴于此，有必要提供一种新的扫描近场光学检测台以解决上述技术问题。
实用新型内容
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种扫描近场光学检测台，与现有同类设备相比，具有以下优点:支柱伸长量可调、可测，因此工作台的位移精度较高且控制较为简单；工作台运动的有效行程较大。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种扫描近场光学检测台，所述扫描近场光学检测台至少包括:本体；所述本体包括相互垂直的XOY面、YOZ面以及ZOX面；所述XOY面、YOZ面以及ZOX面围成一个收容空间；收容于所述收容空间内用于放置工件的矩形工作台；所述矩形工作台包括与XOY平行的底面以及垂直于所述底面且相互垂直相邻的四个侧面；所述矩形工作台的底面四角设有与所述本体XOY面固定的四个液压驱动单元；所述矩形工作台相邻的两个侧面分别设有与所述本体YOZ面以及ZOX面固定的两个液压驱动单元(11);所述本体YOZ面上设有位于所述工件上方的用于实现所述工件在Z轴方向上的定位的喷嘴单元。
[0008]优选地，所述液压驱动单元(21)包括设有腔体的管体、密封所述腔体的上端盖和下端盖、位于所述上端盖和所述下端盖上用于连接所述本体的柔性铰链、位于所述下端盖内与所述腔体连通的进油通道、与所述进油通道连通的进油管接头以及均匀分布在管体外的电阻应变片。
[0009]优选地，所述喷嘴单元包括与所述本体固定的喷嘴支架、设置于所述喷嘴支架一端、设有进气孔和出气孔的喷嘴；所述喷嘴和所述喷嘴支架之间套设有调节螺母；所述喷嘴下端套设有螺母；所述螺母与所述调节螺母之间设有压缩弹簧。
[0010]优选地，与所述本体固定的喷嘴支架采用螺钉固定。
[0011]优选地，所述每个液压驱动单元与所述本体通过两个螺钉固定。
[0012]优选地，所述上端盖和下端盖采用焊接的方式密封所述腔体。
[0013]与现有的压电晶体驱动器相比，本实用新型提出的可实时检测驱动位移值的液压驱动单元采用向密封的圆柱形管状腔体内充进一定压力的液体使得圆柱形管状腔体产生相应的轴向伸长来实现微位移驱动，用贴在圆柱形管状腔体外壁的电阻应变片实时测量圆柱形管状腔体产生的轴向伸长量并反馈控制供给液压驱动器的液体压力以实现对输出位移量误差的控制，因此本实用新型提出的基于液压驱动的扫描近场光检测台具有驱动行程大、驱动过程平稳以及驱动精度较高等优点，克服了压电晶体驱动行程小、稳定性较差以及误差纠正能力差等缺陷。
[0014]其次，本实用新型在液压驱动单元的上下两端设置有柔性铰链，并将之用作支撑工作台的支柱，将柔性铰链机构中的驱动与支撑集成为一体，形成一种支撑长度可调的柔性铰链机构，以便于调整工作台位置误差，从而既简化了柔性铰链机构的结构，又降低了制造精度要求。
[0015]此外，在本实用新型提出的基于液压驱动的扫描近场光检测台中采用测量流经喷嘴的压缩空气流量来检测喷嘴与工件之间的间隙大小，实现工件表面在Z轴方向上的定位测量，这种测量方式具有结构简单、不伤害工件表面、稳定性好以及抗干扰能力强等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1显示为现有的平行四边形柔性铰链机构示意图。
[0017]图2是本实用新型提出的基于液压驱动的扫描近场光检测台主视图。
[0018]图3是图2中的A向视图。
[0019]图4是本实用新型提出的一种基于液压驱动的扫描近场光检测台俯视图。
[0020]图5是本实用新型液压驱动单元机构示意图。
[0021]图6是图5中的B-B剖面图。
[0022]元件标号说明[0023]进气孔11喷嘴12
[0024]调节螺母13压缩弹簧14
[0025]螺母15喷嘴出气孔16
[0026]工件17工作台18
[0027]螺钉19、20、23 液压驱动单元21
[0028]本体22喷嘴支架24
[0029]柔性铰链31腔体32
[0030]进油通道33下端盖34
[0031]螺钉联接通孔35进油管接头36
[0032]电阻应变片37圆柱管38
[0033]上端盖39
【具体实施方式】
[0034]以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的`精神下进行各种修饰或改变。
[0035]请参阅图1至图6所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0036]本实用新型提供一种扫描近场光学检测台，所述扫描近场光学检测台至少包括:本体22 ;所述本体包括相互垂直的XOY面、YOZ面以及ZOX面；所述XOY面、YOZ面以及ZOX面围成一个收容空间；收容于所述收容空间内用于放置工件17的矩形工作台18 ;所述矩形工作台包括底面以及垂直于所述底面的四个侧面；所述矩形工作台的底面四角设有与所述本体XOY面固定的四个液压驱动单元21 ;所述矩形工作台相邻的两个侧面分别设有与所述本体YOZ面以及ZOX面固定的两个液压驱动单元11 ;所述本体YOZ面上设有位于所述工件上方的用于实现所述工件在Z轴方向上的定位的喷嘴单元。
[0037]所述液压驱动单元21包括设有腔体32的管体38、密封所述腔体的上端盖39和下端盖34、位于所述上端盖和所述下端盖上用于连接所述本体的柔性铰链31、位于所述下端盖内与所述腔体连通的进油通道33、与所述进油通道连通的进油管接头36以及均匀分布在管体外的电阻应变片37。本实施例中，优选为电阻应变片37粘贴在管体外四周。
[0038]所述喷嘴单元包括与所述本体22固定的喷嘴支架24、设置于所述喷嘴支架一端、设有进气孔11和出气孔16的喷嘴12 ;所述喷嘴和所述喷嘴支架之间套设有调节螺母13 ；所述喷嘴下端套设有螺母15 ;所述螺母与所述调节螺母之间设有压缩弹簧14。
[0039]与所述本体固定的喷嘴支架采用螺钉23固定。所述每个液压驱动单元与所述本体通过两个螺钉20固定。所述上端盖和下端盖采用焊接的方式密封所述腔体。
[0040]具体的，请参照图2、图3和图4表达的一种基于液压驱动的扫描近场光检测台所示。设置三维直角坐标系O-X-Y-Z如图所示，具有矩形六面体结构的工作台18通过8只液压驱动单元21与本体22相连，其中:所述本体包括相互垂直的XOY面、YOZ面以及ZOX面；所述XOY面、YOZ面以及ZOX面围成一个收容空间；本体底面用4只与Z轴平行的液压驱动单元21与本体22相连，两个相邻的侧面分别用2只与X轴和Y轴平行的液压驱动单元21与本体相连，螺钉19联接液压驱动单元21的上端盖39与工作台18，螺钉20联接液压驱动单元21的下端盖34与本体22 ;喷嘴支架24通过螺钉23与本体22相联接；在喷嘴支架端部沿Z轴方向设置的螺纹孔中安装有调节螺母13，在调节螺母13的内孔中安装有喷嘴12，喷嘴12与调节螺母13的内空之间为滑动配合；喷嘴12的下端安装有螺母15，螺母15将安装在喷嘴12上的压缩弹簧14压紧在调节螺母13的下端面上，当喷嘴出气口 16的端面受到较大的轴向力时，喷嘴12可以向上移动，以免喷嘴与工件表面发生剧烈碰撞；向喷嘴12的进气孔11供给恒定压力的压缩空气，压缩空气经喷嘴出气孔16以及喷嘴与安放在工作台18上的工件17之间的间隙流出，流经喷嘴12的气体流量与喷嘴-工件之间的间隙具有一一对应的关系，因此通过测量流进喷嘴12的气体流量得出喷嘴-工件之间间隙量的大小，从而实现工件17在Z轴方向的定位。
[0041]工作时，先向每只液压驱动单元供给恒定压力的液体，当需要工作台18沿某个座标轴方向移动时，增大或减小该方向上液压驱动单元的供给液体压力即可实现；由于每只液压驱动单元能实时检测实际产生的位移量，并根据每只液压驱动单元的实际位移量反馈控制其供给端的液体压力，实时修正实际位移量的误差，因此可以实现较高的位移精度；
[0042]图5和图6是图2至图4中所述的液压驱动单元21的详细结构示意图。在图5和图6所表达的液压驱动单元中，圆柱管38的上下两端分别联接上端盖39和下端盖34，圆柱管38与上端盖39以及下端盖34之间均采用焊接的方式进行密封联接，形成密闭的腔体32 ;在上端盖39和下端盖34上分别设计有柔性铰链31以及用于螺钉联接的4个螺钉联接通孔35 ;在圆柱管38的外表面上对称粘贴有4个完全相同的电阻应变片37 ;在下端盖34上设置有进油管接头36，下端盖34与进油管接头36之间密封安装，并且使得进油管接头36中的内孔通道与下端盖34中的进油通道33相连通。
[0043]工作时，将压力油接入进油管接头36，压力油便可进入腔体32，圆柱管38在压力油的作用下产生微小的伸长，改变供油压力可使得圆柱管38产生所需要的伸长量；电阻应变片37可实时测出圆柱管38的伸长量并将信号反馈给供油系统，当圆柱管38的伸长量误差超过允许值时，供油系统根据反馈信号调节供油压力，使圆柱管38的伸长量误差回到允许值范围以内。圆柱管38的伸长量(位移量程)及精度与管壁厚度、管长、液体压力控制精度有关，适当选取各参数，可获得所需要的位移精度和量程。该液压驱动单元具有实时测量驱动位移量功能以及设置有反馈机制，因此驱动精度较高。
[0044]具体的，一种用于SOI片上亚波长结构表面发射光场强度检测的扫描近场光检测台，要求在X、Y、Z方向上能够产生精度为10纳米量级、最大行程为2毫米的位移运动，此外在Z方向上能够测量出SOI片表面与某基准面(光纤探针端面或与之相关的基准面)之间的准确值，测量精度0.1微米，量程I毫米，所设计的扫描近场光检测台结构如图2、图3、图4所示，其中的液压驱动单元如图5和图6所示。
[0045]与现有的压电晶体驱动器相比，本实用新型提出的可实时检测驱动位移值的液压驱动单元采用向密封的圆柱形管状腔体内充进一定压力的液体使得圆柱形管状腔体产生相应的轴向伸长来实现微位移驱动，用贴在圆柱形管状腔体外壁的电阻应变片实时测量圆柱形管状腔体产生的轴向伸长量并反馈控制供给液压驱动器的液体压力以实现对输出位移量误差的控制，因此本实用新型提出的基于液压驱动的扫描近场光检测台具有驱动行程大、驱动过程平稳以及驱动精度较高等优点，克服了压电晶体驱动行程小、稳定性较差以及误差纠正能力差等缺陷。
[0046]其次，本实用新型在液压驱动单元的上下两端设置有柔性铰链，并将之用作支撑工作台的支柱，将柔性铰链机构中的驱动与支撑集成为一体，形成一种支撑长度可调的柔性铰链机构，以便于调整工作台位置误差，从而既简化了柔性铰链机构的结构，又降低了制造精度要求。
[0047]此外，在本实用新型提出的基于液压驱动的扫描近场光检测台中采用测量流经喷嘴的压缩空气流量来检测喷嘴与工件之间的间隙大小，实现工件表面在Z轴方向上的定位测量，这种测量方式具有结构简单、不伤害工件表面、稳定性好以及抗干扰能力强等优点。
[0048]综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0049]上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种扫描近场光学检测台，其特征在于，所述扫描近场光学检测台至少包括: 本体(22);所述本体包括相互垂直的XOY面、YOZ面以及ZOX面；所述XOY面、YOZ面以及ZOX面围成一个收容空间； 收容于所述收容空间内用于放置工件(17)的矩形工作台(18);所述矩形工作台包括与XOY平行的底面以及垂直于所述底面且相互垂直相邻的四个侧面； 所述矩形工作台的底面四角设有与所述本体XOY面固定的四个液压驱动单元(21);所述矩形工作台相邻的两个侧面分别设有与所述本体YOZ面以及ZOX面固定的两个液压驱动单元(11)； 所述本体YOZ面上设有位于所述工件上方的用于实现所述工件在Z轴方向上的定位的喷嘴单元。
2.根据权利要求1所述的扫描近场光学检测台，其特征在于，所述液压驱动单元(21)包括设有腔体(32)的管体(38)、密封所述腔体的上端盖(39)和下端盖(34)、位于所述上端盖和所述下端盖上用于连接所述本体的柔性铰链(31)、位于所述下端盖内与所述腔体连通的进油通道(33)、与所述进油通道连通的进油管接头(36)以及均匀分布在管体外的电阻应变片(37)。
3.根据权利要求1所述的扫描近场光学检测台，其特征在于，所述喷嘴单元包括与所述本体(22)固定的喷嘴支架(24)、设置于所述喷嘴支架一端、设有进气孔(11)和出气孔(16)的喷嘴(12);所述喷嘴和所述喷嘴支架之间套设有调节螺母(13);所述喷嘴下端套设有螺母(15);所述螺母与所述调节螺母之间设有压缩弹簧(14)。
4.根据权利要求3所述的扫描近场光学检测台，其特征在于，与所述本体固定的喷嘴支架采用螺钉(23)固定。
5.根据权利要求1所述的扫描近场光学检测台，其特征在于，所述每个液压驱动单元与所述本体通过两个螺钉(20)固定。
6.根据权利要求2所述的扫描近场光学检测台，其特征在于，所述上端盖和下端盖采用焊接的方式密封所述腔体。
【文档编号】G01Q60/18GK203551595SQ201320724059
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】黄海阳, 武爱民, 甘甫烷, 盛振, 李伟 申请人:江苏尚飞光电科技有限公司, 中科院南通光电工程中心, 中国科学院上海微系统与信息技术研究所