CN109358334B - 基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密工程领域，具体为一种基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法。该方法步骤如下：采用低相干光源，首先利用干涉光路，根据干涉图像的对比度确定最佳对焦位置；随着物镜的纵向移动记录干涉条纹的变化，利用发明中的拟合算法得到干涉强度包络曲线，计算得出光束的物理参数，再由干涉图样之间的相位关系确定相对位移。此算法考虑到了误差效应，通用性好，抗噪能力强。本发明的优点在于采用部分相干光源可以同时实现对焦和位移测量，获得更高的重复定位精度，对于提高微纳加工的效率与可靠性有重要意义。

Description

基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法
技术领域
本发明属于飞精密工程领域，具体为一种基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法。
背景技术
在现代微纳加工与精密中，通常采用激光定位系统对加工样品的位移进行测量，但是激光测量技术由于光源的相干性非常强，会出现不可避免的杂散条纹和散斑的干扰，不仅会影响测量的可靠性，也会降低测量的精度。而且干涉测量采用激光的波长作为基准，对环境扰动与振动非常敏感，因此需要严格控制测量环境。此外，工件的表面特征在微纳激光过程中会发生变化，导致激光信号在表面反射散射和衍射，探测器无法完全收集反射信号。这些问题是激光干涉测量的固有误差，难以通过改进光路或者对数据处理有效解决；若采用部分相干光源，便可以有效提升位移测量的精度和可靠性，但是部分相干光的相干距离较短，导致量程变小，同时部分相干光的干涉强度变化相比激光干涉测量更加复杂，如何对测量数据处理成为一个难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是利用部分相干方法为精密加工的纵向位移提供一种高精度监控技术，显著提高对焦定位的精度以及位移追踪的可靠性，并达到与传统激光测量技术接近的量程。
本发明提出的一种基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法，具体步骤如下：
(1)搭建实验光路系统，所述系统由超辐射二极管SLD光源、扩束系统、分光镜、参考镜、待测样品、CMOS探测器、参考光挡板和物光挡板组成，部分超辐射二极管SLD光源的相干光发出后，经过扩束系统光束变宽，再经过分光镜分成两束光，经过参考镜和待测样品的反射后，再通过分光镜合束后到达CMOS探测器上；参考光挡板用于初步对焦，可以挡住经过参考镜的光束，物光挡板用于超辐射二极管SLD光源标定，并能挡住经过待测样品的光束；
(2)粗对焦时，将参考光挡板插入参考镜前，这时实验光路系统构成普通的显微成像光路；对于非透明工件构成反射光路，对于透明元件采用工件台下面的照明构成透射光路；当待测样品达到成像景深范围之内时，在相机处可以观测到待测样品的像，根据图像清晰度，实现粗对焦；
(3)标定超辐射二极管SLD光源，将物光挡板插入物镜前，多次测量稳定状态下的超辐射二极管SLD光源光强分布得到平均值，在实验前都需要对辐射二极管SLD光源进行标定；
(4)完成辐射二极管SLD光源标定以及粗对焦后，撤掉物光挡板和参考光挡板，此时实验光路系统构成干涉成像光路，调节待测样品位置使相机出现干涉条纹，根据干涉图像的对比度判断对焦位置，也即得到参量var最大值：
Figure BDA0001859482280000021
其中：Ic表示图像中心区域的总光强，
Figure BDA0001859482280000022
表示工件基底部分干涉强度沿行列的梯度，根据实际光束性质调整权重系数γ；
(5)对获得的强度变化进行Levenberg-Marquardt法拟合，获得公式(2)中的参数a,b,c；在这一步中，由于相机获得大量的数据，采用快速高效的拟合方法获得相关参数；
针对每个点可以获得一系列光强-位移的数据点，其光强-位移符合公式(2)，
Figure BDA0001859482280000023
其中：I为待测点的光强随纵向位移δ的变化，a为基础强度，b与光的带宽相关，c与光的中心波长相关，z(x,y)为待测面(x,y)坐标位置的基础高度；
拟合将分为如下步骤：
(i)从成像光束获得光强，以每幅图像的相对位移作为已知量，针对每个点(x,y)做初步拟合，获得其对应的高度与光束参数，由于CMOS探测器采集的是同一个光源扩束后的强度，其基础强度、带宽和中心波长应该一致，即a,b,c应该是相同的，将每个测量点获得的a,b,c取平均值，在每个点依次拟合的过程中，将相邻的前一个点的拟合结果再作为初始值，可以加快程序收敛；
(ii)将a,b,c作为已知量，对每个点进一步优化其高度值z(x,y)；
(iii)将所有测量点高度z(x,y)作为已知量，整体优化光束参数a,b,c的值；
(iv)重复(ii),(iii)部分，直至收敛，避免因为某个测量点的误差过大而影响整体结果；
(6)待测样品继续移动，其位移δ为未知量，其他的量均在第(5)步中获得，通过Levenberg-Marquardt法拟合出纵向的位移。
本发明中，步骤(4)中通过设定合适的判据，也即得到中心区域的干涉强度，以及样品未加工的基底部分干涉强度的梯度(也即对比度)var最大来判断最佳对焦位置，从而为纵向位移测量提供了基准零点。
本发明中，步骤(5)中通过预处理设置若干位移量δ，获得相应的光强I，然后通过Levenberg-Marquardt法拟合光强变化曲线，解得获得未知的参数a,b,c,z(x,y)。
本发明中，步骤(6)中通过相机大量的数据点进行筛选排除，取最小二乘拟合提升定位精度。在该过程通过获得的参数以及待测面上所有的光强变化通过Levenberg-Marquardt法拟合位移量。
本发明中，光源采用超辐射二极管SLD光源，为部分相干光光源，具有一定的带宽，与激光光源相比相干长度更短，可以在出现干涉条纹后通过对干涉条纹的对比度分析作对焦和测量。
本发明的有益效果在于：本发明利用部分相干光源，可以保证形成干涉条纹的前提下消除传统激光干涉的散斑、衍射、环境干扰等因素的影响，并通过对低相干条纹的解析，可以判断出物镜与工件之间的相对距离，也即为激光加工判断最佳的对焦位置；同时根据移动过程中干涉图像之间的形位关系，可以计算得出纵向位置以及工件的倾斜等信息，由于利用了图像中多个数据点进行最小二乘拟合，避免了随机噪声、缺陷等因素的影响，可以显著提高位移测量的精度。
附图说明
图1为发明中采用的双通道光路设计；
图2为加工过程中光强随样品移动变化曲线；
图3为通过蒙特卡洛5000次后获得的最终位移的误差分布；
图4为本发明的流程图；
图中标号：1为超辐射光源SLD，2为扩束系统，3为分光镜，4为参考镜，5为待测样品，6为CMOS探测器，7为参考光挡板，8为物光挡板。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：如图1所示，所述双通道光路由超辐射二极管SLD光源，扩束系统，分光镜，参考镜，待测样品，CMOS探测器，参考光挡板，物光挡板组成。部分相干光从SLD发出后经过扩束系统光束变宽，再经过分光镜分成两束光，经过参考镜和待测样品的反射后再通过分光镜合束后到达CMOS探测器上。参考光挡板用于初步对焦，可以挡住经过参考镜的光束，物光挡板用于光源标定，将挡住经过待测样品的光束。
在测量过程，搭建光路后，首先加入物光挡板，通过CMOS测量其强度变化，多次测量获得光源本身的强度分布备用；第二步撤去物光挡板，加入参考光挡板，调节待测样品，基本对焦后撤去参考光挡板，再调节至CMOS上出现干涉条纹，通过条纹分析继续调节样品至相干程度最大；第三步沿着运动方向通过PZT使待测样品移动，通过CMOS获得一系列的强度，并按照专利所述算法进行处理得到相关参数；第四步继续移动待测样品，通过CMOS获得后续的强度变化并通过专利所述算法对加工过程的后续移动进行追踪检测。
图2为加工过程中单个测量点光强-位移的变化趋势符合公式(1)的变化曲线；图3为通过蒙特卡洛验证后续纵向位移追踪方法的测量误差分布。

Claims (4)

1.一种基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法，其特征是具体步骤如下：
(1)搭建实验光路系统，所述系统由超辐射二极管SLD光源、扩束系统、分光镜、参考镜、待测样品、CMOS探测器、参考光挡板和物光挡板组成，部分超辐射二极管SLD光源的相干光发出后，经过扩束系统光束变宽，再经过分光镜分成两束光，经过参考镜和待测样品的反射后，再通过分光镜合束后到达CMOS探测器上；参考光挡板用于初步对焦，可以挡住经过参考镜的光束，物光挡板用于超辐射二极管SLD光源标定，并能挡住经过待测样品的光束；
(2)粗对焦时，将参考光挡板插入参考镜前，这时实验光路系统构成普通的显微成像光路；对于非透明工件构成反射光路，对于透明元件采用工件台下面的照明构成透射光路；当待测样品达到成像景深范围之内时，在相机处可以观测到待测样品的像，根据图像清晰度，实现粗对焦；
(3)标定超辐射二极管SLD光源，将物光挡板插入物镜前，多次测量稳定状态下的超辐射二极管SLD光源光强分布得到平均值，在实验前都需要对辐射二极管SLD光源进行标定；
(4)完成辐射二极管SLD光源标定以及粗对焦后，撤掉物光挡板和参考光挡板，此时实验光路系统构成干涉成像光路，调节待测样品位置使相机出现干涉条纹，根据干涉图像的对比度判断对焦位置，也即得到参量var最大值：
Figure FDA0003928967850000011
其中：Ic表示图像中心区域的总光强，
Figure FDA0003928967850000012
表示工件基底部分干涉强度沿行列的梯度，根据实际光束性质调整权重系数γ；
(5)对获得的强度变化进行Levenberg-Marquardt法拟合，获得公式(2)中的参数a,b,c；在这一步中，由于相机获得大量的数据，采用快速高效的拟合方法获得相关参数；
针对每个点可以获得一系列光强-位移的数据点，其光强-位移符合公式(2)，
Figure FDA0003928967850000013
其中：I为待测点的光强随纵向位移δ的变化，a为基础强度，b与光的带宽相关，c与光的中心波长相关，z(x,y)为待测面(x,y)坐标位置的基础高度；
拟合将分为如下步骤：
(i)从成像光束获得光强，以每幅图像的相对位移作为已知量，针对每个点(x,y)做初步拟合，获得其对应的高度与光束参数，由于CMOS探测器采集的是同一个光源扩束后的强度，其基础强度、带宽和中心波长应该一致，即a,b,c应该是相同的，将每个测量点获得的a,b,c取平均值，在每个点依次拟合的过程中，将相邻的前一个点的拟合结果再作为初始值，可以加快程序收敛；
(ii)将a,b,c作为已知量，对每个点进一步优化其高度值z(x,y)；
(iii)将所有测量点高度z(x,y)作为已知量，整体优化光束参数a,b,c的值；
(iv)重复(ii),(iii)部分，直至收敛，避免因为某个测量点的误差过大而影响整体结果；
(6)待测样品继续移动，其位移δ为未知量，其他的量均在第(5)步中获得，通过Levenberg-Marquardt法拟合出纵向的位移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中通过预处理设置若干位移量δ，获得相应的光强I，然后通过Levenberg-Marquardt法拟合光强变化曲线，获得未知的参数a,b,c,z(x,y)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)中通过相机大量的数据点进行筛选排除，取最小二乘拟合提升定位精度，通过获得的参数以及待测面上所有的光强变化通过Levenberg-Marquardt法拟合位移量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：光源采用超辐射二极管SLD光源，为部分相干光光源，具有一定的带宽，与激光光源相比相干长度更短，在出现干涉条纹后通过对干涉条纹的梯度分析作进一步的对焦和测量。
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