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顯微鏡探針自動標定系統(tǒng)及自動標定方法。

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。由于不同探針具有不同的彈性性能，同時條紋在探針不同位置測量同一高度時白光干涉條紋的移動量也不會相同，因此要準確的測量工件的表面形貌，對原子力探針的標定必不可少。

原子力的針尖非常微小，針尖長度在只有十幾微米，其針尖半徑小于十納米，因此為了防止在標定時原子力探針的針尖陷入溝槽中不能接觸到標定樣板，標定樣板的表面要求具有非常高的精密度。同時為了保證針尖壓到標定樣板上時標定樣板不發(fā)生塑性變形，需要設計滿足粗糙度和硬度要求的標定樣板。而如果采用人為控制探針接觸標定樣板，在此過程中很難控制速度與距離之間的關系，容易造成探針的誤傷，并且很難控制探針下壓的量，所以采用自動接觸控制具有重要的意義。

常見的距離控制辦法有基于測距法和基于圖像處理的辦法，基于測距法要求額外的設備進行輔助，在儀器上使用非常不方便。而白光干涉原子力顯微鏡在原子力探針調節(jié)好以后，探針的與顯微物鏡之間的距離就是一個固定不變的值，控制主機在保證光源的光強不變之后，原子力探針表面上的光強就是一個固定不變的值，而對于同一個標定樣板其表面的反光度也是一個固定不變的值，隨著距離的減少，其圖像的光強強度越強，因此可以通過圖像處理的方法來確定原子力探針與標定樣板之間的距離。最終根據標定樣板和自動控制方法來實現(xiàn)自動標定。對于白光干涉原子力顯微鏡的規(guī)范化的使用和提高測量精度以及使用的友好性具有重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于白光原子力探針顯微鏡中探針自動標定的標定樣板和控制方法。本發(fā)明可以實現(xiàn)對原子力探針的自動標定，具有響應速度快，自動實現(xiàn)標定提高測量精度的特點。

本發(fā)明的目的在于提供一種白光干涉原子力顯微鏡探針自動標定系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：原子力探針組件，干涉顯微物鏡，控制主機、面CCD成像系統(tǒng)及光路系統(tǒng)，水平二維電機運動平臺，垂直電機位移平臺，垂直納米位移平臺；

所述原子力探針組件與所述干涉顯微物鏡固定在所述垂直納米位移平臺上，所述原子力探針組件中的原子力探針在所述干涉顯微物鏡的正下方；

所述垂直電機位移平臺實現(xiàn)所述原子力探針在垂直方向的粗調；

所述水平二維電機運動平臺承載有標定樣板，并且調整實現(xiàn)其標定區(qū)域出現(xiàn)在所述面CCD成像系統(tǒng)的視場范圍內；

所述面CCD成像系統(tǒng)及光路系統(tǒng)，用于實現(xiàn)所述原子力探針和所述標定樣板的成像；

所述干涉顯微物鏡對所述原子力探針放大成像，并產生用于實現(xiàn)所述原子力探針接觸到所述標定樣板之后的標定干涉條紋；所述面CCD成像系統(tǒng)接收所述標定干涉條紋傳送于所述控制主機，所述控制主機依據所述標定干涉條紋的光強與所述原子力探針和所述標定樣板之間的距離函數(shù)關系來反復控制調整所述距離，由此探求所述原子力探針的變形與所述原子力探針表面上的零級條紋的位置關系來實現(xiàn)自動標定。

進一步地，所述標定樣板的標定區(qū)域渡鉻處理。

進一步地，所述標定樣板的標定區(qū)域采用四個圓點自動檢測確定所述標定區(qū)域是否在所述面CCD成像系統(tǒng)視場上。

進一步地，所述標定區(qū)域尺寸為100μm×100μm。

進一步地，所述標定區(qū)域的表面粗糙度Ra≤0.01μm，表面平面度要求小于0.03μm。

進一步地，所述光路系統(tǒng)的光源強度保持固定值。

另外一方面，本發(fā)明還公開了一種白光干涉原子力顯微鏡探針自動標定系統(tǒng)的自動標定方法，其特征在于，該方法主要包括如下步驟：

第一步，設置所述白光干涉原子力顯微鏡自動標定系統(tǒng)；

第二步，將所述標定樣板放置在所述干涉顯微物鏡的正下方，并調節(jié)所述垂直電機位移平臺，使得所述原子力探針與所述標定樣板之間的距離保持在1-2cm之間；

第三步，調整所述標定樣板的標定區(qū)域在所述面CCD成像系統(tǒng)的視場范圍之內；

第四步，所述控制主機根據所述原子力探針上的干涉條紋與所述標定樣板上的干涉條紋的光強差，依據光強差與距離的函數(shù)，獲得所述原子力探針與所述標定樣板之間的距離；所述控制主機判斷所述距離，如果大于50μm，則控制所述垂直電機位移平臺運動；如果小于等于50μm時控制所述垂直納米位移平臺產生運動，直至所述原子力探針接觸所述標定樣板；

第五步，所述控制主機采集所述原子力探針的變形與零級條紋移動的距離不斷按照所述第四步的光強差與距離的函數(shù)進行調整，直至完成標定，所述垂直電機位移平臺帶動所述原子力探針脫離所述標定樣板完成標定。

進一步地，所述第一步中包括如下子步驟：

第一子步驟，完成所述控制主機與所述面CCD成像系統(tǒng)、所述垂直納米位移平臺、所述垂直電機位移平臺、所述水平二維電機運動平臺的連接，其中所述面CCD成像系統(tǒng)通過標準網絡數(shù)據線與所述控制主機相連；

第二子步驟，首先調節(jié)所述原子力探針組件，將干涉條紋調節(jié)到所述原子力探針的中部位置。

按照本發(fā)明實現(xiàn)的自動標定系統(tǒng)和自動標定控制方法能使得原子力探針快速高效安全的接觸到標定樣板上，因此操作方法簡單，實現(xiàn)方便，對于提高白光干涉原子力探針掃描顯微鏡的測量精度具有非常重要的意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法中的結構系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法標定樣板示意圖意圖；

圖3為本發(fā)明方法中的原子力探針靠近標定樣板的過程；

在所有的附圖中，相同的附圖標記用于表示相同的元件或結構，其中：

1.標定樣板 2.原子力探針 3.原子力探針組件 4.干涉顯微物鏡 5.垂直納米位移平臺 6.面CCD成像系統(tǒng) 7.垂直電機位移平臺 8.光源系統(tǒng) 9.光路系統(tǒng) 10.控制主機 11.水平二維電機運動平臺。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明方法中涉及的原子力探針標定系統(tǒng)的整體結構示意圖，如圖1所示，按照本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的白光干涉原子力探針自動標定控制方法中執(zhí)行所包括的系統(tǒng)的整體組成情況如下：標定樣板1，原子力探針2，原子力探針組件3，干涉顯微物鏡4，垂直納米位移平臺5，面CCD成像系統(tǒng)6，垂直電機位移平臺7，光源系統(tǒng)8，光路系統(tǒng)9，控制主機10，水平二維電機平臺11?？刂浦鳈C控制白光光源的發(fā)光強度，光源經過內部的光路系統(tǒng)和干涉物鏡4后在原子力掃描探針2的微懸臂上形成白光干涉條紋，再由面CCD成像系統(tǒng)6將干涉圖像傳送給控制主機，控制主機控制系統(tǒng)完成自動標定；

原子力探針組件3與干涉顯微物鏡4共同固定在同一個垂直納米位移平臺5的內外螺母上，干涉顯微物鏡4固定在垂直納米位移平臺5的內螺紋上，原子力探針組件3固定在垂直納米位移平臺5的外螺紋上，同時干涉顯微物鏡4用于固定原子力探針組件3；

原子力探針組件3包括原子力探針2，原子力探針2在干涉顯微物鏡4的正下方，能被干涉顯微物鏡4成像；

面CCD成像系統(tǒng)6及光路系統(tǒng)9，主要是用于原子力探針2和標定樣板1的成像，并可以在控制主機10的控制下實現(xiàn)高速的圖像采集，用于信息提?。?/p>

干涉顯微物鏡4主要對原子力探針2放大成像，并產生干涉條紋用于探針接觸到標定樣板之后的標定；

垂直電機位移平臺7，主要作用是在原子力探針2離標定樣板1較遠時控制其運動，將原子力探針2快速靠近標定樣板1，同時在原子力探針遠離標定樣板時使用，即在該運動步驟中實現(xiàn)垂直方向的粗調，而垂直納米位移平臺5則實現(xiàn)垂直方向位移的精調；垂直方向電機運動平臺的步進距離非常小，其步距為127nm，而垂值納米位移平臺的特征在于，它具有PID反饋控制，能精確的控制垂直方向發(fā)生某一個給定的位移。

控制主機10主要用于面CCD成像系統(tǒng)6的控制，光源系統(tǒng)8和光路系統(tǒng)9的控制，垂直電機位移平臺7和垂直納米位移平臺5以及水平二維電機運動平臺7的運動；

水平二維電機運動平臺11，其主要作用是調節(jié)放置于上面的標定樣板1的標定區(qū)域到達面CCD成像系統(tǒng)6的視場范圍內；

垂直納米位移平臺5是在原子力探針2離標定樣板1距離在50微米以內時，采用控制方法將原子力探針2慢速靠近標定樣板1從而最終來實現(xiàn)標定的；

標定樣板1用于控制原子力探針2在標定時提供基準，同時為自動標定提供條件；采用標定樣板1來實現(xiàn)自動標定的原理如下：原子力探針2是固定在原子力探針組件3上，原子力探針2的懸臂部分在干涉顯微物鏡4的下方與干涉顯微物鏡4的距離為干涉顯微物鏡4的相干距離，在垂直方向運動時，原子力探針2與干涉顯微物鏡4之間的距離是一個固定不變的值，因此原子力探針2上的光強不會發(fā)生變化，而標定樣板1上的光強會由于距離的逐漸變小而增強；

其中標定樣板1為一表面平整度較高的樣板，標定區(qū)域為了滿足探針的標定其粗糙度Ra≤0.01μm，平面度要求小于0.03μm，標定區(qū)域為了滿足自動標定的靠近過程中的反光度和標定時的硬度要求，需要在標定樣板的標定區(qū)域渡鉻處理。

進一步地，如圖2所示，用于原子力探針2標定的區(qū)域在其周圍有四個圓點用于自動檢測確定標定區(qū)域是否在面CCD視場上；并且根據面CCD視場范圍和高平面度要求，其標定區(qū)域優(yōu)選為100μm×100μm。如圖2所示，本發(fā)明實例提供的自動標定控制方法中的一個關鍵部分即為標定樣板1，標定樣板1在控制探針接觸靠近的過程起到定位和基準的作用；

圖3展示了自動控制標定的過程原子力探針2靠近標定樣板1的過程，此過程中原子力探針2與干涉顯微物鏡4之間的距離一直是保持不變，因此在原子力探針2上的光強不會發(fā)生變化；

下面將具體描述利用按照本發(fā)明的自動調整裝置及其控制方法詳細操作如下：

第一步，完成白光干涉原子力顯微鏡自動標定系統(tǒng)的硬件設備的連接；

(1.1)完成控制主機10與面CCD成像系統(tǒng)6和各運動平臺垂直納米位移平臺5,垂直電機位移平臺7,水平二維電機運動平臺11的連接和，其中面CCD成像系統(tǒng)6通過標準網絡數(shù)據線與控制主機10相連；

(1.2)完成控制主機10與各硬件部分連接后，白光干涉原子力探針顯微鏡探針自動標定控制連接完成，首先調節(jié)原子力探針組件3，將干涉條紋調節(jié)到原子力探針2的中部位置。

第二步，使用已經連接好的白光干涉原子力探針顯微鏡自動標定系統(tǒng)，將標定樣板1放置在干涉顯微物鏡4的正下方，并調節(jié)垂直電機位移平臺7，使得原子力探針2與標定樣板1之間的距離保持在1-2cm之間。

第三步控制主機10控制面CCD成像系統(tǒng)6采集圖片分析，背景圖像中是否存在標記圓點，不存在則調節(jié)水平二維電機平臺使得通過標記圓點確定的標定樣板1的標定區(qū)域在視場范圍內。

第四步控制主機10根據原子力探針2上的光強與標定樣板1上的光強差和事先實驗存儲的光強差與距離的函數(shù)，判斷原子力探針2與標定樣板1之間的距離，如果大于50μm則繼續(xù)采用垂直電機位移平臺7運動，在小與等于50μm時采用垂直納米位移平臺5產生運動，直至接觸標定樣板1；

第五步控制主機10采集原子力探針2的變形與零級條紋移動的距離不斷按照第四步驟中的光強差與距離的函數(shù)來進行調整，直至完成標定，垂直電機位移平臺7帶動原子力探針2脫離標定樣板1完成標定。

控制主機10需要控制光路系統(tǒng)9的光源強度保持在一個固定的值，該值根據探針表面特定幾個區(qū)域內的光強灰度的平均值來確定，其灰度值的取值范圍在150至200之間即可；

控制算法檢測標定樣板1的標定區(qū)域是否在面CCD成像系統(tǒng)6的視場上，即檢測標定樣板上的圓點是否在圖像上，如果不在則調節(jié)水平二維電機運動平臺11，其運動方式為平動來回掃描；

控制算法中需要預先存儲在某一個固定的光強下，原子力探針2表面上的光強與標定樣板1上的光強之差與距離的函數(shù)關系，因此整個系統(tǒng)在開始時需要采集大量不同位置的數(shù)據進行函數(shù)的建模；

把原子力探針2控制到指定距離以后，就可以采集圖像，分析探針的變形與探針表面上的零級條紋的位置關系，從而自動完成標定。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。