[发明专利]基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法

说明书

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。

技术领域

本发明属于飞精密工程领域，具体为一种基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法。

背景技术

在现代微纳加工与精密中，通常采用激光定位系统对加工样品的位移进行测量，但是激光测量技术由于光源的相干性非常强，会出现不可避免的杂散条纹和散斑的干扰，不仅会影响测量的可靠性，也会降低测量的精度。而且干涉测量采用激光的波长作为基准，对环境扰动与振动非常敏感，因此需要严格控制测量环境。此外，工件的表面特征在微纳激光过程中会发生变化，导致激光信号在表面反射散射和衍射，探测器无法完全收集反射信号。这些问题是激光干涉测量的固有误差，难以通过改进光路或者对数据处理有效解决；若采用部分相干光源，便可以有效提升位移测量的精度和可靠性，但是部分相干光的相干距离较短，导致量程变小，同时部分相干光的干涉强度变化相比激光干涉测量更加复杂，如何对测量数据处理成为一个难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用部分相干方法为精密加工的纵向位移提供一种高精度监控技术，显著提高对焦定位的精度以及位移追踪的可靠性，并达到与传统激光测量技术接近的量程。

本发明提出的一种基于部分相干光的纳米位移台精密定位方法，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：