基于DVD光学读取头的大量程高精度扫描探头

　　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、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　Sig-nal，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。