[发明专利]一种白光干涉原子力探针系统的成像自动调整装置及其控制方法

说明书

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，是指一种白光干涉原子力扫描探针扫描显微镜探针成像的自动控制装置及其控制方法。

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面探针针尖相互作用，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。

而针对白光干涉条纹的常见处理算法，如极值法，重心法，包络线法都是取与探针表面上干涉条纹移动方向平行的方向来选择数据进行计算，常见是选择与面CCD坐标系中的水平方向平行的方向的数据来进行计算，若探针与面CCD坐标系水平方向的夹角过大，就会给白光干涉零级条纹计算的原始数据带来系统误差，为了使这个误差对测量的结果造成的影响尽可能的少，就必须调节探针与面CCD坐标系的水平夹角在一个范围内，根据大量的实验，当这个范围在±1.5°时这个误差对测量的结果造成的误差可以忽略不计。

由于白光干涉原子力探针扫描显微镜对环境有非常高的要求，因此光电原件都需要一定条件的密封，在白光干涉原子力探针扫描显微镜安装完成后，不便于经常性的拆卸，但是在更换探针的时候常常需要调节面CCD已达到与探针的夹角在满足要求的范围内，然而手动调节很难将夹角调整在满足要求的范围内，为了能够达方便快捷的高精度调节，自动调整装置及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于白光原子力探针扫描显微镜中探针的成像在面CCD的坐标系中与水平方向的夹角的调节装置及其控制方法。本发明可以实现对探针在面CCD的坐标系中的夹角进行自由控制，且响应速度快，精度高。

本发明提供的一种基于白光干涉原子力探针扫描显微镜探针系统的成像自动调整装置，其特征在于，其中白光干涉原子力探针扫描显微镜探针系统包括面CCD测量系统、原子力扫描探针及其探针组件、白光干涉显微系统以及计算机；

所述原子力探针组件通过机架固定，垂直电机位移平台设置于所述机架之上用于实现所述原子力探针组件的调整，所述机架一侧通过面CCD光路连接筒与所述面CCD测量系统联通，通过一夹持机构夹持所述面CCD光路连接筒与舵机相连，通过所述舵机实现所述面CCD光路连接筒的调整从而调整成像；

所述白光干涉显微系统接收所述计算机的控制产生测试的白光干涉光源传输于所述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所述探针的形变信息，所述面CCD测量系统接收所述白光干涉系统形成的图像，并且实时计算所述探针在所述面CCD测量系统中的夹角变化；

所述计算机还包括舵机控制模块及面CCD测量系统控制模块，所述舵机控制模块接收所述计算机的指令来实现所述舵机的运动从而实现成像的自动调整，所述面CCD测量系统控制模块控制所述面CCD测量系统完成成像图像采集及成像夹角的实时计算。

进一步地，所述舵机与所述夹持机构之间采用铰链机构连接。

进一步地，所述夹持机构(9)的结构为两个固定连接的半环状结构，用于夹持所述面CCD光路连接筒(6)。

本发明还公开了一种利用探针成像自动调整装置来实现成像自动调整的方法，其特征在，该方法包括如下步骤：

第1步通过所述垂直电机位移平台调整所述原子力探针组件将干涉条纹显示在探针上，同时使得整个所述探针在面CCD成像图像上靠近中间区域的位置；

第2步利用所述面CCD测量系统采集所述探针的干涉图像，并返回给所述计算机；

第3步所述计算机通过采集的数据进行图像处理，提取所述探针的边缘，计算所述探针与面CCD坐标系水平的夹角是否在给定的范围内，如果在这个范围内，则调整结束；若不在这个范围内转到第4步；

第4步所述计算机通过计算得到所述探针与面CCD坐标系的水平夹角后，给所述舵机转动的命令，调节所述面CCD光路连接筒的偏转，转入第2步。

进一步地，第3步中判断所述探针与面CCD坐标系的水平夹角是否在给定的范围是所述探针与面CCD坐标系的水平因在±1.5°内。

按照本发明实现的白光干涉原子力扫描显微镜探针成像自动调整装置及其控制方法，由于：