测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路双频激光干涉测量方法技术方案

本发明专利技术公开了属于光学测量技术领域的一种测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路双频激光干涉测量方法。包括横向塞曼激光器、依次放置在激光器发射端轴线上的低反射分光平片、半反射分光平片和反射镜构成的可调分束角结构、渥拉斯顿偏振分光棱镜，大口径长焦距透镜，放置在透镜后焦面上的磁头磁盘结构；还包括分别放置在两路两路干涉测量光和参考光返回合束光方向的高反射镜、检偏器、光电探测器。本发明专利技术提高测量精度、分辨率以及采样频率，改进补偿由于盘片稳态位置变化引入的阿贝误差，满足磁头相对玻璃模拟盘飞行高度测量研究，并适合在生产线检测磁头相对真实盘片的飞行姿态。具有较低成本，广泛应用于硬盘工业检测、微机械器件振动检测等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量
，特别涉及包括采用玻璃盘模拟盘片或真实盘片测试条件下对磁头滑块法向运动的测量的一种。
技术介绍
磁存储技术以其可擦写、高速度、高稳定性、高性价比等优势，在今后一段时间内，仍然是最常用的数据存储方式。从目前磁存储技术发展趋势来看，提高磁存储产品(如硬盘)的存储密度及读写速度，仍有较大的商业价值和科研潜力。有国外学者认为，磁存储面密度有望达到1Tb/in2，约160Gb/cm2。这就要求进一步减少磁头磁盘间隙从目前的10nm左右到3nm。纳米级间隙的高分辨率、高频率响应测量是实现这一目标的必要技术之一。硬盘的磁头磁盘间隙测量方法分为采用玻璃盘片透射测量和真实盘片反射测量两种。透射测量采用透明玻璃盘代替真实商品硬盘盘片，通过测量玻璃盘与磁头滑块表面的绝对间隙得到模拟条件下的硬盘磁头飞行高度，主要采用光强干涉法，包括多波长干涉法和偏振干涉法。光强干涉法测量绝对间隙小于10nm的飞行高度时测量灵敏度不足，此外由于需要引入机械缩进进行光强标定，仪器安装调试要求较高，系统鲁棒性和准确性不高，不利于生产线检测。反射测量适合于采用真实盘片的磁头飞行高度测量，原理上更接近硬盘工作条件。该测量方法多采用激光多普勒测速仪和激光外差干涉法，可以达到较高采样频率和纳米级测量分辨率，但目前技术已不能满足磁头小于10nm飞行高度亚纳米测量精度的要求。由于反射测量方法本身通过测量硬盘启动到稳态过程中磁头磁盘之间的差分距离(differential spacing)变化得到磁头相对于磁盘的飞行高度，原理上需要补偿不同转速下盘片倾斜变化引入的阿贝误差的影响，然而以往研究却未补偿这一影响。传统的反射测量方法原理如图1所示，图1为已有的差分距离测量原理图。图中A为测量光束在磁头滑块内表面的投影点；B为参考光束与盘片的投影点(磁头移开后测量光投射于盘面上B点)，C点为参考光透射在盘片表面上的参考点，S表示盘片倾斜度。A、C点之间的距离(差分距离)包含两部分，其中一部分是B、C两点间盘片的倾斜度(阿贝误差)，另一部分是A、B间距离，即磁头滑块相对于盘片的飞行高度。为了消除盘片倾斜影响(阿贝误差)，假定盘片较低速转动下磁头接触盘片时飞行高度为零，通过测量盘片极低速转动条件下的差分距离假定为盘片固有的倾斜影响，然后将正常转速下的测量结果减去低速测量结果从而得到飞行高度。实际上，这种补偿阿贝误差的方法存在原理上的缺陷。由于硬盘盘片轴系存在微米级间隙，轴承在极低速条件下盘片回转平衡位置与稳态高速运转下平衡位置存在几十微弧度量级的差异，由于差动距离测点间距一般在毫米量级，上述平衡位置角度的变化将对测量结果产生几十纳米级的原理误差影响。此外，商品硬盘广泛采用的螺旋槽流体动压轴承主轴系统具有较为复杂的运动，在不同稳定高速旋转下转子所在的平衡位置存在差异。有研究表明这一差异在转速3600-7200rpm范围内时，涡动平衡轨迹平均半径变化0.075微米，由此产生的盘片倾斜平衡轨迹变化约15μrad，这一变化也将对测量结果产生十几纳米级的影响。因此，采用传统的反射测量磁头相对盘片飞行高度时，由于存在盘片平衡位置变化引入的误差，测量准确度难以提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有各种磁头飞行高度测量技术的不足，融合双频激光干涉法和相位测量技术的特点提供一种测量硬盘磁头飞行高度的系统及共光路激光干涉测量方法。可对真实硬盘磁头飞行高度进行在线光波长溯源测量，具有误差自补偿、高稳定性、高分辨率、高采样频率的特点。此外，该系统还可兼容透射式玻璃盘片模拟场合下的硬盘磁头飞行高度测量。所述测量硬盘磁头飞行高度系统包括一个输出一对偏振态正交的双频激光的横向塞曼双频激光器；一个由相位计和工控计算机组成的信号处理部分，具有对两对测量参考信号进行同步测相采集、分析以及显示的功能，用于对上述相位计输出测量信号进行在线补偿测量阿贝误差，对磁头飞行高度结果进行分析；其特征在于该系统还包括一个干涉光路部分；所述干涉光路部分为一个分束器，用于对横向塞曼双频激光器输出的一对偏振态正交双频激光进行分光探测，形成参考信号；一个分束角可调机构，由一个分束器和反射镜构成，用于将入射光L分为强度相同的两束光L1和L2，调节其汇聚夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；一个渥拉斯顿棱镜，用于将入射光分为参考光和测量光；一个大口径长焦距透镜，用于将参考光和测量光分别聚焦在盘片和磁头滑块上；两个全反射镜，用于调整光束进入探测器；三个带有检偏器探测器，用于检偏探测拍频信号；所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统具体结构是，依次放置在横向塞曼激光器1发射端轴线上的分束器2、分束器3和反射镜12构成的分束角可调机构、渥拉斯顿棱镜5、大口径长焦距透镜6、放置在透镜6后焦面上的硬盘盘片7和磁头滑块8组成磁头盘片结构；反射镜4、9，带检偏器探测器10、11分别放置在两路干涉测量光和参考光返回合束光方向上，及带检偏器探测器13放置在分束器2反射光方向上。所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统的硬盘磁头飞行高度的测量方法包括以下步骤1)横向塞曼双频激光器1其输出正交线偏振的双频入射光L(包括频率不同的p光和s光)，由分光平片2分成两束L1、L2，反射光经与p偏振方向成45度检偏后进入PIN探测器13形成参考拍频信号；2)透射光经分束器3与反射镜4构成的可调分束角机构，调节出射两束光夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；3)调节渥拉斯顿角度以及前后距离，使两束光角平分线与渥拉斯顿棱镜表面法线重合，并转动渥拉斯顿棱镜使棱镜两双折射晶体楔块快轴方向(正交)分别与入射光的偏振方向重合，以确保双频激光两偏振态经过渥拉斯顿棱镜后偏振混叠最小，最终使两束光相交进入渥拉斯顿棱镜后L1光路p偏振态与L2光路s偏振态重合出射，L1光路s偏振态与L2的p偏振态对称于渥拉斯顿棱镜法线方向出射；4)调节透镜6与渥拉斯顿棱镜之间距离以及角度，确保渥拉斯顿棱镜偏振分束面在透镜6前焦平面上，使重合后的L1的p偏振光和L2的s偏振光平行于大口径凸透镜6光轴入射，聚焦在磁头滑块上为两干涉光路公共测量点，L1的s偏振光和L2的p偏振光对称倾斜于透镜6光轴入射，分别聚焦在硬盘盘片上为参考点。两路干涉光路形成的两个参考点关于公共测量点成线型对称布置，因而测量光路、参考光以相同角度入射在磁头滑块和硬盘盘片上。5)调节盘面使位于透镜6后焦平面上，参考光和测量光反射后返回，经透镜6、渥拉斯顿棱镜5后自然合束，以45度入射到反射镜9，进入贴有检偏方向45度偏振片的PIN探测器10，输出测量拍频信号。6)测量信号与前述参考信号输入高速相位计中，得到反映测量点与参考点之间光程差量的信号相位差值；7)启动硬盘从静止加速到稳态旋转过程，相位计输出两路干涉同步测量结果，然后计算的磁头与盘片差分距离随时间变化；8)对L1、L2两路干涉测量结果进行补偿处理，得到磁头磁盘相对飞行高度，即盘片从静态到稳态转动状态下，磁头飞行高度变化量。上述进行补偿的信号处理即为阿贝误差补偿方法，可补偿盘片转动平衡位置变化对磁头滑块飞行高度测量结果的影响，也可对两路干涉测量结果系统误差进行补偿。本专利技术具有以下特点及良好效果本专利技术通过共光路差动双频激光外差干涉系统，可实时进行硬盘磁头飞行高度的高精度动态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量硬盘磁头滑块飞行高度系统。所述实时测量硬盘磁头滑块飞行高度系统包括一个输出一对偏振态正交的双频激光的横向塞曼双频激光器；一个由相位计和工控计算机组成的信号处理部分，具有对两对测量参考信号进行同步测相采集、分析以及显示 的功能，用于对上述相位计输出测量信号进行在线补偿测量阿贝误差，对磁头飞行高度结果进行分析；其特征在于：该系统还包括一个干涉光路部分；所述干涉光路部分为一个分束器，用于对横向塞曼双频激光器输出的一对偏振态正交双频激光进行分光探 测，形成参考信号；一个分束角可调机构，由一个分束器和反射镜构成，用于将入射光分为强度相同的两束光，调节其汇聚夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；一个渥拉斯顿棱镜，用于将入射光分为参考光和测量光；一个大口径长焦距透镜，用于将参 考光和测量光分别聚焦在盘片和磁头滑块上；两个全反射镜，用于调整光束进入探测器；三个带有检偏器探测器，用于检偏探测拍频信号；所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统具体结构是，依次放置在横向塞曼激光器（１）发射端轴线上的分束器 （２）、分束器（３）和反射镜（１２）构成的分束角可调机构、渥拉斯顿棱镜（５），大口径长焦距透镜（６），放置在透镜（６）后焦面上的硬盘盘片（７）、磁头滑块（８）组成磁头盘片结构；反射镜（４）、（９），带检偏器探测器（１０）、（１１）分别放置在两路干涉测量光和参考光返回合束光方向上，及带检偏器探测器（１３）放置在分束器（２）反射光方向上。...

【技术特征摘要】
1.一种测量硬盘磁头滑块飞行高度系统。所述实时测量硬盘磁头滑块飞行高度系统包括一个输出一对偏振态正交的双频激光的横向塞曼双频激光器；一个由相位计和工控计算机组成的信号处理部分，具有对两对测量参考信号进行同步测相采集、分析以及显示的功能，用于对上述相位计输出测量信号进行在线补偿测量阿贝误差，对磁头飞行高度结果进行分析；其特征在于该系统还包括一个干涉光路部分；所述干涉光路部分为一个分束器，用于对横向塞曼双频激光器输出的一对偏振态正交双频激光进行分光探测，形成参考信号；一个分束角可调机构，由一个分束器和反射镜构成，用于将入射光分为强度相同的两束光，调节其汇聚夹角等于渥拉斯顿棱镜分束角；一个渥拉斯顿棱镜，用于将入射光分为参考光和测量光；一个大口径长焦距透镜，用于将参考光和测量光分别聚焦在盘片和磁头滑块上；两个全反射镜，用于调整光束进入探测器；三个带有检偏器探测器，用于检偏探测拍频信号；所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统具体结构是，依次放置在横向塞曼激光器(1)发射端轴线上的分束器(2)、分束器(3)和反射镜(12)构成的分束角可调机构、渥拉斯顿棱镜(5)，大口径长焦距透镜(6)，放置在透镜(6)后焦面上的硬盘盘片(7)、磁头滑块(8)组成磁头盘片结构；反射镜(4)、(9)，带检偏器探测器(10)、(11)分别放置在两路干涉测量光和参考光返回合束光方向上，及带检偏器探测器(13)放置在分束器(2)反射光方向上。2.权利要求1所述测量硬盘磁头滑块飞行高度系统进行硬盘磁头飞行高度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤1)横向塞曼双频激光器(1)其输出正交线偏振的双频入射光L，包括频率不同的p光和s光，由分光平片(2)分成两束L1、L2，反射光经与p偏振方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟永钢，林德教，岳兆阳，宋南海，殷纯永，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]