[发明专利]基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法

权利要求书

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。

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。