[发明专利]基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法

摘要

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。

主权项

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：其中：Ic表示图像中心区域的总光强，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)，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。