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1、(10)申请公布号 CN 103558419 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558419 A (21)申请号 201310574080.7 (22)申请日 2013.11.15 G01Q 60/18(2010.01) (71)申请人 江苏尚飞光电科技有限公司 地址 226009 江苏省南通市苏通科技产业园 纬 14 路 30 号 申请人 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 (72)发明人 黄海阳 武爱民 甘甫烷 盛振 李伟 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所 31219 代理人 李仪萍 (54) 发明名称 一种扫描近场光学检测台 (。
2、57) 摘要 本发明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。
3、用于实现所述工件 在 Z 轴方向上的定位的喷嘴单元。本发明支柱伸 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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103558419 A CN 103558419 A 1/1 页 2 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 ； 。
4、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 。
5、(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。
6、 （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。 权 利 要 求 书 CN 103558419 A 2 1/5 页 3 一种扫描近场光学检测台 技术领域 0001 本发明涉及。
7、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。
8、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1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。
9、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 1 平行的方向作用在运动板 1 的一端中心对称位置时， 此时 运动板 1 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 1 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， 。
10、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。 发明内容 0006 鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明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。 00。
11、07 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明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 说 明 书 CN 103558419 A 3 2/5 页 4 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。
12、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。
13、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， 本发明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， 因此本发明提。
14、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， 本发明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， 在本发明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，。
15、 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。 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 是本发明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 是本发明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 是本发明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 说 明 书 CN 103558419 A 4 3/5 页 5 0023 进气孔 11 喷嘴 12 0024 调节螺母 13。
16、 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发明的实施方式， 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发明的其他优点与功效。 本发明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。
17、项细节也可以基于不同观点与应用， 在没有背离 本发明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 说明本发明的基本构想， 遂图式中仅显示与本发明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 本发明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。
18、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。
19、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。
20、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 说 明 书 CN 103558419 A 5 4/5 页 6 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。
21、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。
22、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。
23、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 3。
24、7 ； 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。
25、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 1 毫米， 所设计的扫描近场光检测台结构如图 2、 图。
26、 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， 本发明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 说 明 书 CN 103558419 A 6 5/5 页 7 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， 因此本发明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、 。
27、稳定性较差以及误差纠 正能力差等缺陷。 0046 其次， 本发明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， 在本发明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， 本发明有效克服了。
28、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发明的原理及其功效， 而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下， 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发明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， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。 说 明 书 CN 103558419 A 7 1/6 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103558419 A 8 2/6 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103558419 A 9 3/6 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103558419 A 10 4/6 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103558419 A 11 5/6 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 103558419 A 12 6/6 页 13 图 6 说 明 书 附 图 CN 103558419 A 13 。