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与流程

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。

技术实现要素：
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：(1)提出了一种有效的控制装置和控制方法，将舵机使用到该调整系统中，并且避免了直接对探针组件或者是探针进行调整，而是采用采用铰链机构和夹持机构组合的方式来进行CCD光路光筒的调整；(2)充分利用伺服机构的特性，将之与本发明中的白光干涉原子力扫描探针显微镜探针系统紧密联系起来，实现了精密的调整。总之，按照本发明实现的夹角自动调整装置响应过程速度快，精度高，且整体结构紧凑，操作方法简单，实现方便，对于提高白光干涉原子力探针扫描显微镜的测量精度具有非常重要的意义。附图说明图1为本发明实现的白光干涉原子力扫描显微镜探针成像装置的整体结构系统示意图；图2为本发明实现的白光干涉原子力扫描显微镜探针成像装置中的夹持结构和铰链机构布置结构示意图；图3为本发明实现的白光干涉原子力扫描显微镜探针成像的夹角的控制方法中器件连接示意图；图4为图1中探针在面CCD中的成像与面CCD坐标系中水平夹角偏大的控制方法的步骤框图示意图；图5为图1中探针在面CCD中的成像与面CCD坐标系中水平夹角未在正常范围内的拍摄图像；图6为图1中探针在面CCD中的成像与面CCD坐标系中水平夹角在正常范围内的拍摄图像。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-原子力扫描探针，2-原子力扫描探针组件，3-干涉物镜，4-机架，5-垂直电机位移平台，6-面CCD与光路连接筒，7-夹持机构，8-面CCD成像系统，9-铰链机构，10-舵机，11-白光干涉系统，12-计算机。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为本发明方法中白光干涉原子力扫描显微镜探针成像自动调整装置的结构示意图，图2是其中部件的控制结构和控制方法，如图1所示，按照本发明一个优选实施例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1，原子力扫描探针组件2，干涉物镜3，机架4，垂直电机位移平台5，面CCD与光路连接筒6，夹持机构7，面CCD成像系统8，铰链机构9，舵机10，白光干涉系统11，计算机12，计算机12内包括有舵机控制模块，面CCD控制模块。白光干涉显微系统，经过内部的光路系统和干涉物镜3后在原子力扫描探针1的微悬臂上形成白光干涉条纹，再由面CCD成像系统8将干涉图像传送给计算机12，计算机12通过面CCD控制模块采集数据和实时显示。原子力探针组件2通过机架4固定，垂直电机位移平台5设置于机架4之上用于实现原子力探针组件2的调整，机架4一侧通过面CCD光路连接筒6与面CCD测量系统8联通，如图2所示，通过一夹持机构7夹持面CCD光路连接筒6与舵机10相连，该夹持机构7为两个半环状的环抱结构，其中舵机10通过铰链机构9与夹持机构7进行固定连接，传动舵机10的运动从而实现面CCD光路连接筒6的调整进而调整成像；白光干涉显微系统11接收计算机12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2的微悬臂上形成白光干涉条纹，其包含原子力探针组件上的探针1的形变信息，面CCD测量系统8接收白光干涉系统11形成的图像，并且实时计算探针1在面CCD测量系统8中的夹角变化；计算机12还包括舵机控制模块及面CCD测量系统控制模块，舵机控制模块接收计算机12的指令来实现舵机10的运动从而实现成像的自动调整，面CCD测量系统控制模块控制面CCD测量系统8完成成像图像采集及成像夹角的实时计算。图3展示了白光干涉原子力探针扫描显微镜探针成像自动调整装置的控制流程图；下面将具体描述利用按照本发明的自动调整装置及其控制方法详细操作如下：第一步，完成白光干涉原子力扫描探针显微镜探针成像自动调整装置的硬件设备的连接。(1.1)完成计算机12与舵机控制模块及面CCD控制器14的连接，其中舵机控制模块通过PCI卡与计算机的主机相连，面CCD控制模块通过标准网络数据项与计算机12相连；(1.2)完成计算机12与舵机控制器13与面CCD控制器14相连后，白光干涉原子力探针扫描显微镜探针成像自动调整装置硬件连接完成，将白光干涉显微系统调节到位，将干涉条纹调节到原子力探针的表面中部的位置，将探针调节到面CCD坐标系中合适的位置，该合适的位置需要满足探针的上下边缘都能在面CCD上成像；第二步，使用已经连接好的白光干涉原子力扫描探针显微镜探针成像自动调整装置开始第一次面CCD数据采集工作，并根据采集得到的数据进行调整，调整控制流程图如图3所示。(2.1)在计算机12上通过舵机控制器和面CCD控制器设置相关参数，包括舵机转动速度，放大比，面CCD采样频率，曝光时间，曝光单元数。(2.2)调整白光干涉显微系统11，包括白光干涉条纹在探针上的位置，探针在面CCD坐标系中的位置；(2.3)计算机12控制面CCD控制器采集数据，面CCD控制器采集完数据后将数据返回给计算机12；(2.4)计算机12通过图像计算，得到探针的边缘在面CCD中的坐标位置，通过坐标位置，计算出探针1与面CCD坐标系水平夹角的大小，并判断是否满足预先设定好的±1.5°的条件，如果满足转到步骤(2.6)，否则转入步骤(2.5)；(2.5)通过计算机处理后得到应该调整的角度大小，计算机控制舵机转动需要转过的角度，再转到步骤(2.3)；(2.6)调整结束。按照本发明实现的自动调整装置及其调整方法的其中一个实施例中，图4展示了探针在未调整以前与面CCD的坐标系水平面成一个较大的夹角，采用CCD测量系统所拍摄的成像；图5展示了探针在调整以后与面CCD的坐标系水平面的夹角满足要求的CCD成像示意图。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。