[發(fā)明專利]一種白光干涉原子力探針系統(tǒng)的成像自動調整裝置及其控制方法

有效

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• 申請日: 2016-03-15
• 公開（公告）號: CN105699704A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發(fā)明（設計）人: 盧文龍;曾春陽;劉曉軍;庾能國;楊文軍;周莉萍;常素萍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發(fā)明屬于超精密表面形貌測量技術領域。更具體地，是指一種白光干涉原子力掃描探針掃描顯微鏡探針成像的自動控制裝置及其控制方法。

背景技術

白光干涉原子力掃描探針顯微鏡是用白光的零級條紋來量化原子力掃描探針的形變，從而間接得到工件表面的高度。而原子力掃描探針變形的原理是原子間的范德華力。在測量時，原子力掃描探針的針尖相當于一個原子，被測樣件的表面的一個原子會與原子力掃面探針針尖相互作用，使得原子力掃描探針的懸臂發(fā)生形變。而在懸臂上形成的白光干涉條紋則會發(fā)生相應的移動，根據(jù)白光干涉零級條紋的移動量可以計算出原子力掃描探針的變形量。

而針對白光干涉條紋的常見處理算法，如極值法，重心法，包絡線法都是取與探針表面上干涉條紋移動方向平行的方向來選擇數(shù)據(jù)進行計算，常見是選擇與面CCD坐標系中的水平方向平行的方向的數(shù)據(jù)來進行計算，若探針與面CCD坐標系水平方向的夾角過大，就會給白光干涉零級條紋計算的原始數(shù)據(jù)帶來系統(tǒng)誤差，為了使這個誤差對測量的結果造成的影響盡可能的少，就必須調節(jié)探針與面CCD坐標系的水平夾角在一個范圍內，根據(jù)大量的實驗，當這個范圍在±1.5°時這個誤差對測量的結果造成的誤差可以忽略不計。

由于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡對環(huán)境有非常高的要求，因此光電原件都需要一定條件的密封，在白光干涉原子力探針掃描顯微鏡安裝完成后，不便于經(jīng)常性的拆卸，但是在更換探針的時候常常需要調節(jié)面CCD已達到與探針的夾角在滿足要求的范圍內，然而手動調節(jié)很難將夾角調整在滿足要求的范圍內，為了能夠達方便快捷的高精度調節(jié)，自動調整裝置及其控制方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于白光原子力探針掃描顯微鏡中探針的成像在面CCD的坐標系中與水平方向的夾角的調節(jié)裝置及其控制方法。本發(fā)明可以實現(xiàn)對探針在面CCD的坐標系中的夾角進行自由控制，且響應速度快，精度高。

本發(fā)明提供的一種基于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡探針系統(tǒng)的成像自動調整裝置，其特征在于，其中白光干涉原子力探針掃描顯微鏡探針系統(tǒng)包括面CCD測量系統(tǒng)、原子力掃描探針及其探針組件、白光干涉顯微系統(tǒng)以及計算機；

所述原子力探針組件通過機架固定，垂直電機位移平臺設置于所述機架之上用于實現(xiàn)所述原子力探針組件的調整，所述機架一側通過面CCD光路連接筒與所述面CCD測量系統(tǒng)聯(lián)通，通過一夾持機構夾持所述面CCD光路連接筒與舵機相連，通過所述舵機實現(xiàn)所述面CCD光路連接筒的調整從而調整成像；

所述白光干涉顯微系統(tǒng)接收所述計算機的控制產(chǎn)生測試的白光干涉光源傳輸于所述原子力掃描探針組件的微懸臂上形成白光干涉條紋，其包含所述原子力探針組件上的所述探針的形變信息，所述面CCD測量系統(tǒng)接收所述白光干涉系統(tǒng)形成的圖像，并且實時計算所述探針在所述面CCD測量系統(tǒng)中的夾角變化；

所述計算機還包括舵機控制模塊及面CCD測量系統(tǒng)控制模塊，所述舵機控制模塊接收所述計算機的指令來實現(xiàn)所述舵機的運動從而實現(xiàn)成像的自動調整，所述面CCD測量系統(tǒng)控制模塊控制所述面CCD測量系統(tǒng)完成成像圖像采集及成像夾角的實時計算。

進一步地，所述舵機與所述夾持機構之間采用鉸鏈機構連接。

進一步地，所述夾持機構(9)的結構為兩個固定連接的半環(huán)狀結構，用于夾持所述面CCD光路連接筒(6)。

本發(fā)明還公開了一種利用探針成像自動調整裝置來實現(xiàn)成像自動調整的方法，其特征在，該方法包括如下步驟：

第1步通過所述垂直電機位移平臺調整所述原子力探針組件將干涉條紋顯示在探針上，同時使得整個所述探針在面CCD成像圖像上靠近中間區(qū)域的位置；

第2步利用所述面CCD測量系統(tǒng)采集所述探針的干涉圖像，并返回給所述計算機；

第3步所述計算機通過采集的數(shù)據(jù)進行圖像處理，提取所述探針的邊緣，計算所述探針與面CCD坐標系水平的夾角是否在給定的范圍內，如果在這個范圍內，則調整結束；若不在這個范圍內轉到第4步；

第4步所述計算機通過計算得到所述探針與面CCD坐標系的水平夾角后，給所述舵機轉動的命令，調節(jié)所述面CCD光路連接筒的偏轉，轉入第2步。

進一步地，第3步中判斷所述探針與面CCD坐標系的水平夾角是否在給定的范圍是所述探針與面CCD坐標系的水平因在±1.5°內。

按照本發(fā)明實現(xiàn)的白光干涉原子力掃描顯微鏡探針成像自動調整裝置及其控制方法，由于：