CN105242074A - 一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件方法，该方法包括如下步骤：在纳米级位移平台运动之前记录下激光干涉位移计量系统的初始位移；接着其在垂直方向上快速产生一个适量的位移，在位移发生后通过零级条纹的移动量是否在阈值范围内来判断原子力探针是否定位到工件，而如果纳米级垂直位移平台在到达极限的位移运动时还未定位到工件，记录下其最终位置，并将纳米级垂直位移平台复位，重复上述步骤，直至定位到工件。按照本发明设定的自动定位的方法，不受原子力探针与工件之间的距离限制，同时在定位过程中对位移进行计量，可实现可溯源，而采用零级条纹的移动量来判断探针是否定位到工件具有定位快速和高精度的显著效果。

Description

一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件方法

技术领域

本发明属于超精密表面形貌测量技术领域。更具体地，是基于可溯源计量及白光干涉的一种自动定位工件的方法。

背景技术

白光干涉原子力扫描探针显微镜是用白光的零级条纹来量化原子力扫描探针的形变，从而间接得到工件表面的高度。而原子力扫描探针变形的原理是原子间的范德华力。在测量时，原子力扫描探针的针尖相当于一个原子，被测样件的表面的一个原子会与原子力扫描探针针尖相互作用，使得原子力扫描探针的悬臂发生形变。而在悬臂上形成的白光干涉条纹则会发生相应的移动，根据白光干涉零级条纹的移动量可以计算出原子力扫描探针的变形量。

可溯源白光干涉原子力扫描探针显微镜工作在原子力的接触模式，原子力扫描探针的悬臂非常小，能承受的力也在仅限于原子与原子之间的作用力。而原子与原子之间的作用力范围通常都在nm的单位量级，因此要达到准确的定位，要么借助高精度的测距仪器，要么只能靠人为操控。在白光干涉原子力扫描探针显微镜这样的紧凑仪器设备上安装高精度的测距仪器难以实现；而人为操控则需要耗费较多的时间，同时每次定位到工件的距离都很难控制，随机性比较大。因此需要一种自动高精度的控制策略，让原子力扫描探针定位到工件，由此实现高效精确地测量。

发明内容

要实现白光干涉原子力扫描探针自动定位工件，则需要控制好原子力扫描探针与工件之间的距离，在无法借助其他设备辅助的情况下，既要保证不损害原子力扫描探针，又要精确定位出工件。

按照本发明的一个方面，提供了一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件的方法，其中该标定方法涉及的所述白光干涉原子力探针标定装置包括面CCD测量系统、原子力扫描探针组件、白光干涉显微系统、纳米级垂直微位移平台、垂直电机位移平台、激光干涉计量系统以及控制主机；

所述纳米级垂直微位移平台以及垂直电机位移平台接收控制主机的控制分别产生精调和粗调的位移从而使所述原子力扫描探针组件中的探针发生形变；所述激光干涉计量系统的角锥棱镜设置于所述纳米级垂直微位移平台之上；白光干涉显微系统接收所述控制主机的控制产生测试的白光干涉光源传输于原子力扫描探针组件的微悬臂上形成白光干涉条纹，其包含所述原子力探针组件上的探针的形变信息；所述面CCD测量系统接收包含所述探针的形变信息的干涉条纹，所述控制主机连接所述面CCD测量系统，分析所述干涉条纹；其特征在于，该方法包括如下步骤：

(I)记录所述激光干涉计量系统以及所述垂直电机位移平台的初始位置；

(II)所述控制主机控制所述纳米级垂直位移平台在垂直方向上向所述工件的方向快速产生一个位移；

(III)在所述纳米级垂直位移平台的位移发生后通过白光干涉原子力探针上零级条纹的移动量是否在阈值范围内来判断原子力探针是否定位到工件；

(IV)若没有超过所述步骤(III)设定的阈值范围则控制所述纳米级垂直位移平台继续向所述工件方向下移，如果超过所述步骤(III)设定的阈值范围，则控制所述纳米级垂直位移平台向所述工件相反的方向运动所述步骤(II)的一半距离继续进入所述步骤(III)～(IV)；

(V)如果所述纳米级垂直位移平台在到达极限时还未定位到所述工件，此时记录所述激光干涉计量系统的最终位置，并将所述纳米级垂直位移平台复位；通过所述垂直电机位移平台向下发生一个所述激光干涉计量系统记录的位移值，重复所述步骤(I)～(V)，直至定位到工件。

进一步地，所述步骤(I)中调节所述原子力扫描探针到所述面CCD测量系统的位置为：所述原子力扫描探针全部在所述面CCD的成像区域上成像，并且所述原子力探针微悬臂与所述面CCD的夹角不超过7.5°。

进一步地，所述步骤(II)中的位移量计算规则如下：在所述步骤(I)的所述位置上产生的零级条纹从所述面CCD上超出其成像区域时所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L1，在所述步骤(I)的所述位置上产生的零级条纹宽度下所述原子力探针微悬臂发生最大变形量所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L2，取所述L1与所述L2中较小的值作为位移量。

进一步地，所述步骤(IV)中的阈值为所述步骤(II)中的位移量的0.1-0.15倍之间的范围。

按照本发明的自动定位方法能够在让白光干涉原子力探针扫描显微镜在不借助其他辅助设备下实现快速高效的自动定位工件。并且采用激光干涉位移计量系统，实现可溯源标定，总而言之，本发明具有如下的有益效果：

(1)实现高精度，本发明引入了激光干涉计量系统，如果实现自动，单纯采用垂直电机平台，很难准确地发生一个纳米级的位移，容易造成原子力扫描探针的损坏，而如果单纯采用纳米级位移平台则会让定位的范围有限，而纳米级垂直位移平台和垂直电机工作平台发生位移的频率都可以非常高，由此实现不受范围限制的高精度快速的自动定位；

(2)本发明提供了利用零级条纹的移动量来进行判断是否达到工件的定位方法，由于当探针向下运动定位到工件时会与工件之间产生作用力，这种作用力为范德华力，原子力探针微悬臂在这种作用力下会发生形变，引起探针微悬臂上的零级条纹移动，而根据理论和试验可以得出一个合适的零级条纹移动阈值范围来判断是都定位好工件，利用零级条纹的参照系来获取探针定位工件的的方法，具有定位分辨力高，可以达到纳米级的分辨力，反馈速度快等显著地优势；

(3)本发明设计了较为灵活的垂直电机平台的位移规则形式，通过激光干涉计量系统来设计出垂直电机平台的运动量，由此实现定位的快速实现以及可溯源可控制。

附图说明

图1为按照本发明实现的可溯源白光干涉原子力探针自动定位系统的结构系统示意图；

图2为按照本发明实现的激光干涉位移计量系统的结构示意图。

在所有的附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中：

1-待测工件2-原子力扫描探针3-原子力扫描探针组件4-干涉物镜5-纳米级垂直位移平台6-垂直电机位移平台7-面CCD成像系统8-激光干涉计量系统9-白光干涉显微系统10-控制主机11-半导体激光器12-偏振片13-1/4波片14-分光镜15-角锥棱镜16-反射镜17-参考镜18-放大镜19-光电阵列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明方法中的结构示意图，如图1所示，按照本发明一个实施例实现的白光干涉原子力扫描探针自动定位系统中包括：原子力扫描探针2，原子力扫描探针组件3，干涉物镜4，纳米级垂直微位移平台5，垂直电机位移平台6，面CCD成像系统7，激光干涉位移计量系统8，白光干涉显微系统9，控制主机10。白光干涉显微系统，经过内部的光路系统和干涉物镜4后在原子力扫描探针2的微悬臂上形成白光干涉条纹，再由面CCD成像系统7将干涉图像传送给控制主机10上用于图像采集和实时显示，当纳米级垂直微位移平台5完成一步位移之后控制主机10发出命令采集激光干涉计量系统8计量得到的位移值以及计算干涉图像中零级条纹在面CCD成像系统7的位置值。

纳米级垂直位移平台5主要组成部分是高精密压电陶瓷和柔性铰链两部分。压电陶瓷在接收到控制主机10的位移信号后会产生一个精确的位移量，而柔性铰链的作用将位移进行传递和放大，在本实施例中将纳米级垂直位移平台5中的柔性铰链部分的几何放大比设置为2，四个对称设置的叠层式平行平板柔性铰链导向，能够保证柔性铰链动块只沿垂直方向微动，这样能够保证垂直方向上纳米级的运动。

垂直电机平台6主要是带动纳米级垂直位移平台5整体实现上下移动，由此实现粗调，而纳米级垂直位移平台5实现垂直上下方向的细调，其中垂直电机平台6的主要组成为步进电机，滚珠丝杆和滑块，纳米级垂直位移平台5就是固定在垂直电机平台6中的滑块上。其作用是扩大自动定位的范围，使得白光干涉原子力扫描探针2定位工件不会受到距离的限制，同样也能够提高定位的速度。

图2为图1中所示激光干涉位移计量系统结构示意图，其中包括：半导体激光器11，偏振片12，1/4波片13，分光镜14，角锥棱镜15，反射镜16，参考镜17，放大镜18，光电阵列19。由半导体激光器10发出的激光经分光镜13被分为两束，分别经过参考镜16和反射镜15反射后沿原路返回，并在分光点处重新相遇，发生干涉，干涉条纹经过放大镜18放大后由田字型四象限光电阵列19接收。激光干涉位移计量系统8的角锥棱镜15是固定在纳米级垂直位移平台5上，其下端与纳米级垂直位移平台5的柔性铰链的位移发生处相连，当位移平台发生位移时，角锥棱镜15相应地也会发生位移，此时激光干涉条纹就会发生移动，光电阵列19接收到的信号就会发生变化，引起电信号发生变化，控制主机10将光电阵列19接收到的信号转化为位移信号，从而完成对纳米级垂直微位移平台5位移的计量。

下面将具体描述利用按照本发明的定位方法进行自动定位的步骤：

(1)首先，调节好激光干涉位移计量系统8的计量信号，以保证其采集到的数据是准确可靠的；在调节好激光干涉位移计量系统8的信号之后，将原子力扫描探针2调节到面CCD成像系统7坐标系中一个比较理想的位置；在该理想位置上，根据理论计算与实验验证的位置要求探针全部在面CCD成像区域上成像，并且原子力探针微悬臂与面CCD相机水平夹角不超过7.5°；

(2)对好焦距将白光干涉条纹调节在原子力扫描探针2微悬臂上述步骤(1)中的比较理想的位置上，调节后记录下此时激光位移计量系统8的位置值，同时让纳米级垂直位移平台5发生预先计算好的一个步距的位移，该预先计算好的计算规则如下：在步骤(1)的所述位置上产生的零级条纹从面CCD上超出其成像区域时所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L1，在步骤(1)的所述位置上产生的零级条纹宽度下所述原子力探针微悬臂发生最大变形量所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L2，取所述L1与所述L2中较小的值作为位移量，稳定后采集此时干涉图像，计算出零级条纹的相对移动的距离是否在预先设定的阈值范围内，该阈值的上限应当与上述计算好的步距的位移一致，理论上大于零小于最大步距均可，但为了满足测量需求，应将该阈值的下线取值接近零，同时根据多次按照本方法的步骤来进行定位工件的方法来实施后，该阈值范围取值在0.1-0.15倍之间的步距范围为最佳；

(3)如果没有，继续重复上述步骤，如果在预先设定的范围内，则自动定位工件成功，特别需要说明的是，如果初始位置距离工件较远，则需要将纳米级垂直位移平台5复位，让垂直电机平台6向下走前面纳米级垂直位移平台5发生位移的总和。同时也需要说明的是，如果纳米级垂直位移平台5发生一个步距的位移超出了预先设定的阈值范围，则需要将纳米级垂直位移平台5向上移动半个步距，该处选用半个步距是基于二分法查找的原理，能够在最快的时间内定位到阈值单位内，继续判断是否在阈值范围内，直至自动定位结束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件的方法，其中该标定方法涉及的所述白光干涉原子力探针标定装置包括面CCD测量系统(7)、原子力扫描探针组件(3)、白光干涉显微系统(9)、纳米级垂直微位移平台(5)、垂直电机位移平台(6)、激光干涉计量系统(8)以及控制主机(10)；

所述纳米级垂直微位移平台(5)以及垂直电机位移平台(6)接收控制主机(10)的控制分别产生精调和粗调的位移从而使所述原子力扫描探针组件(1)中的探针发生形变；所述激光干涉计量系统(8)的角锥棱镜(14)设置于所述纳米级垂直微位移平台(5)之上；白光干涉显微系统(9)接收所述控制主机(10)的控制产生测试的白光干涉光源传输于原子力扫描探针组件(1)的微悬臂上形成白光干涉条纹，其包含所述原子力探针组件(1)上的探针(2)的形变信息；所述面CCD测量系统(7)接收包含所述探针(2)的形变信息的干涉条纹，所述控制主机(10)连接所述面CCD测量系统(7)，分析所述干涉条纹；其特征在于，该方法包括如下步骤：

(I)记录所述激光干涉计量系统(8)以及所述垂直电机位移平台(6)的初始位置，并将所述原子力扫描探针(2)调节到所述面CCD测量系统(7)的一个位置；

(II)所述控制主机(10)控制所述纳米级垂直位移平台(5)在垂直方向上向所述工件的方向快速产生一个位移；

(III)在所述纳米级垂直位移平台(5)的位移发生后通过白光干涉原子力探针上零级条纹的移动量是否在阈值范围内来判断原子力探针是否定位到工件；

(IV)若没有超过所述步骤(III)设定的阈值范围则控制所述纳米级垂直位移平台(5)继续向所述工件方向下移，如果超过所述步骤(III)设定的阈值范围，则控制所述纳米级垂直位移平台(5)向所述工件相反的方向运动所述步骤(II)的一半距离继续进入所述步骤(III)～(IV)；

(V)如果所述纳米级垂直位移平台(5)在到达极限时还未定位到所述工件，此时记录所述激光干涉计量系统(8)的最终位置，并将所述纳米级垂直位移平台(5)复位；通过所述垂直电机位移平台(6)向下发生一个所述激光干涉计量系统(8)记录的位移值，重复所述步骤(I)～(V)，直至定位到工件。

2.如权利要求1所述的可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件的方法，其特征在于，所述步骤(I)中调节所述原子力扫描探针(2)到所述面CCD测量系统(7)的位置为：所述原子力扫描探针(2)全部在所述面CCD的成像区域上成像，并且所述原子力探针微悬臂与所述面CCD的夹角不超过7.5°。

3.如权利要求2所述的可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件的方法，其特征在于，所述步骤(II)中的位移量计算规则如下：在所述步骤(I)的所述位置上产生的零级条纹从所述面CCD上超出其成像区域时所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L1，在所述步骤(I)的所述位置上产生的零级条纹宽度下所述原子力探针微悬臂发生最大变形量所述纳米级垂直位移平台发生的位移量，记为L2，取所述L1与所述L2中较小的值作为位移量。

4.如权利要求3所述的可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件的方法，其特征在于，所述步骤(IV)中的阈值为所述步骤(II)中的位移量的0.1-0.15倍之间的范围。