CN107219379A - 一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法，系统包括多个声学信号源、多路信号叠加模块、声学换能器、扫描器、微悬臂探针、光电检测系统、多个相干检测解调模块和扫描探针显微镜控制系统，低通滤波器的输入端与光电检测系统的输出端连接，低通滤波器的输出端与反馈控制模块的输入端连接，反馈控制模块的输出端分别与样品表面形貌图显示模块的输入端以及扫描器的输入端连接，各声学信号图显示模块的输入端与各相干检测解调模块的输出端对应连接。本发明能驱动声学换能器产生多个不同频率的声激励信号，只需一次扫描成像就可得到多种频率的样品声学信号，检测效率高，且能实时得到样品的全部结构信息，可广泛应用于显微镜领域。
Description
技术领域
本发明涉及显微镜技术领域，尤其是一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法。
背景技术
扫描探针声学显微镜(Scanning Probe Acoustic Microscope，SPAM)是将扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)和扫描声学显微镜(Scanning AcousticMicroscope，SAM)两种技术结合起来的一种新技术，它既有扫描探针显微镜的高分辨表面成像优势，又有扫描声学显微镜的非破坏性内部成像的特点，可以原位同时观察材料基于不同成像机理的表面形貌和声学像，是一种新型多功能显微成像技术。
现有的扫描探针声学显微镜，其结构如图1所示，包括激光器1，微悬臂探针2，四象限接收器3，样品4，声学换能器5，扫描器6，声学信号源7，相干检测解调模块9，扫描探针显微镜控制器25，表面形貌图显示模块13，声学信号图显示模块14。图1中，扫描探针声学显微镜在原有原子力显微镜的基础上，增加了一个声学信号源7，驱动样品4底部的声学换能器5对样品4产生一个特定频率的声激励，以声波的形式穿过样品4和声学换能器5的边界，在样品4内传播。当该频率的声波在样品4中遇到材料微观结构和局域性能的不均匀时，如微缺陷、畴结构、晶粒晶界及晶粒取向变化以及成分不均匀等时，声波就会发生折射、反射、干涉等声学过程，从而在样品4上表面不同区域产生振幅和相位的变化。这些变化，将传递到与样品4表面接触的微悬臂探针2，引起微悬臂探针2的悬臂梁同频振动而形成振动信号，该振动信号的振幅或相位携带有样品4的结构(如表面、亚表面及内部)信息。为了不影响“探针-样品”体系的稳定性，保证探针扫描过程中在反馈系统控制和驱动下能够始终跟踪样品的表面起伏进行升降并准确得到样品的表面形貌，必须严格控制样品底部的声激励强度，因而微悬臂探针2接收到的声学信号十分微弱且隐藏在因样品起伏引起的相对较大的探针悬臂梁垂直方向振动信号中。但微悬臂探针2的声学信号因声学激励信号而产生，它具有一个十分重要的特征，就是和声学激励信号具有相干性。因此，可以采用相干检测技术来对微悬臂探针2的声学信号进行检测，即以声学激励信号作为参考信号，解调出微悬臂探针2接收到的微弱声学信号，并将其输入到由扫描探针显微镜控制器25、表面形貌图显示模块13和声学信号图显示模块14组成的扫描探针显微镜控制系统中，从而实时同步显示样品4的表面形貌像和声学像，因此，扫描探针声学显微镜能够同时获得样品的表面形貌和内部结构信息。
然而，现有的扫描探针声学显微镜只具有一个声学信号源，只能产生单一频率的声激励信号在样品底部进行声激励，存在着以下缺点：
(一)声学信号对样品的局部区域检测不灵敏，不够准确。
扫描探针声学显微镜检测时，利用探针在样品表面与样品接触耦合，对声学信号进行拾取接收。理论分析表明，当声激励信号的频率与“样品-探针”的局部弹性耦合体系的固有频率接近时，声学信号的检测灵敏度更高。而“样品-探针”的局部弹性耦合体系的固有频率除了与探针微悬臂弹性梁的固有频率相关，还与针尖所接触的样品区域的材料力学性能和结构(包括缺陷)相关，也就是说，由于样品在微观或介观尺度上的不均匀性，不同区域的“样品-探针”的局部弹性耦合体系的固有频率并不相同，故现有的扫描探针声学显微镜采用了单一频率的声激励信号，声学信号的检测灵敏度也不相同，对于样品检测范围中的某些局部区域，可能会因为声学信号灵敏度降低而遗漏其结构或缺陷的信息，不够准确。
(二)样品内部结构的检测存在盲区，不够准确。
与一般扫描探针显微镜只能得到样品表面信息不同，扫描探针声学显微镜利用声波在样品内部的穿透性，可以得到样品内部结构(或缺陷)的相关信息。原理上，样品内部沿声波传递方向上存在一系列间隔为声波半波长的检测盲区。现有的扫描探针声学显微镜采用了采用单一频率的声激励信号，对于同一样品介质，其内部检测盲区位置也是固定的，在对样品进行检测时，可能会因为检测盲区的存在而遗漏位于检测盲区中的结构或缺陷的信息，不够准确。
(三)检测效率低下和无法实时获取样品的全部信息。
为了克服(一)、(二)两点所述的单一频率声激励扫描探针声学显微镜的缺点，在实际检测时，为了防止样品结构或缺陷的遗漏，需要在对样品进行一次扫描成像完成后，重新设定不同的声激励信号频率来对样品进行扫描成像。也就是说，为了防止遗漏样品结构信息或缺陷信息的检测，现有的扫描探针声学显微镜需改变频率来多次成像。由于扫描探针声学显微镜是一种探针逐点扫描采样成像的高分辨纳米(10-9米)表征技术，其成像速度较慢(一般每幅图像需要1000秒量级)且图像有效像素点点距很小(一般纳米量级)，多次扫描成像导致了检测效率低下，无法实时得到样品的全部结构信息。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种准确、效率高和实时的，多频扫描探针声学显微镜系统。
本发明的另一目的在于：提供一种准确、效率高和实时的，多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种多频扫描探针声学显微镜系统，包括：
多个声学信号源，用于产生多个不同频率的声学信号；
多路信号叠加模块，用于对多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；
声学换能器，用于根据叠加后的声学信号对样品产生多个不同频率的声激励信号；
扫描器，用于驱动样品进行扫描移动；
微悬臂探针，用于在样品表面接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；
光电检测系统，用于将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；
多个相干检测解调模块，用于分别以各所述声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；
扫描探针显微镜控制系统，用于根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示；
各所述声学信号源的输出端与多路信号叠加模块的输入端连接，所述多路信号叠加模块的输出端与声学换能器的输入端连接，所述声学换能器位于样品的底部以及扫描器的上方，所述光电检测系统的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块的信号输入端连接，各所述相干检测解调模块的参考源输入端与各所述声学信号源的输出端对应连接，各所述相干检测解调模块的输出端与扫描探针显微镜控制系统的输入端连接，所述扫描探针显微镜控制系统的输出端与扫描器的输入端连接。
进一步，所述扫描探针显微镜控制系统包括：
低通滤波器，用于对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；
反馈控制模块，用于根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；
多个样品声学信号图显示模块，用于显示各个频率的样品声学信号图；
样品表面形貌图显示模块，用于显示样品的表面形貌图；
所述低通滤波器的输入端与光电检测系统的输出端连接，所述低通滤波器的输出端与反馈控制模块的输入端连接，所述反馈控制模块的输出端分别与样品表面形貌图显示模块的输入端以及扫描器的输入端连接，各所述声学信号图显示模块的输入端与各相干检测解调模块的输出端对应连接。
进一步，所述扫描探针显微镜控制系统还包括：
声学信号融合模块，用于将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像；
声学信号融合图像显示模块，用于显示样品多频声学信号融合图像；
所述声学信号融合模块的输入端分别与各相干检测解调模块的输出端连接，所述声学信号融合模块的输出端与声学信号融合图像显示模块的输入端连接。
进一步，所述反馈控制模块由CPU、DSP或FPGA及外围电路组成，所述多路信号叠加模块或声学信号融合模块为由运算放大器、电阻和电容构成的加法电路。
进一步，所述光电检测系统包括：
激光器，用于发出入射光；
四象限接收器，用于接收入射光经微悬臂探针反射后形成的反射光；
所述四象限接收器的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块的信号输入端连接。
本发明所采取的另一技术方案是：
一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法，包括以下步骤：
对多个声学信号源的多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；
叠加后的声学信号驱动声学换能器对样品产生多个不同频率的声激励信号；
微悬臂探针对样品进行扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；
通过光电检测系统将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；
多个相干检测解调模块分别以各声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；
扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示。
进一步，所述微悬臂探针对样品进行扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号这一步骤，其包括：
声学换能器产生的多个不同频率的声激励信号穿过样品，形成相应的声学信号；
微悬臂探针在样品表面进行逐点扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到微悬臂探针悬臂梁的振动信号，所述微悬臂探针悬臂梁的振动信号包括样品表面形貌起伏引起的低频振动信号和声学信号引起的高频振动信号，所述声学信号引起的高频振动信号包含了分别与多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号的频率相同的振动。
进一步，所述扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示这一步骤，其包括：
对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；
反馈控制模块根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；
将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示。
进一步，所述扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示这一步骤，还包括：
声学信号融合模块将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像；
将样品多频声学信号融合图像进行显示。
进一步，所述通过光电检测系统将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号这一步骤，其包括：
光电检测系统的激光器发出入射光；
光电检测系统的四象限接收器接收入射光经微悬臂探针反射后形成的反射光；
光电检测系统的四象限接收器根据接收反射光进行光电转换，得到与微悬臂探针的振动信号相对应的电信号。
本发明的系统的有益效果是：包括多个声学信号源、多路信号叠加模块、声学换能器、扫描器、微悬臂探针、光电检测系统、多个相干检测解调模块和扫描探针显微镜控制系统，采用了多个声学信号源和多路信号叠加模块来取代一个声学信号源，能驱动声学换能器产生多个不同频率的声激励信号，解决了现有采用单一频率的声激励信号的扫描探针声学显微镜对样品的局部区域检测不灵敏和样品内部结构的检测存在盲区的问题，更加准确；采用多个相干检测解调模块来取代一个相干检测解调模块，并以声学信号源的各个频率的声学信号作为相干检测解调模块的参考信号，只需一次扫描成像就可得到多种频率的样品声学信号，不再需要多次扫描成像，检测效率高，且能实时得到样品的全部结构信息。进一步，扫描探针显微镜控制系统还包括声学信号融合模块，能配合多个相干检测解调模块对不同频率的声学信号进行实时原位同步采集，使得不同频率的声学信号完全对应于样品的相同位置，克服了纳米级漂移引起的错位问题，能直接通过信号融合得到携带有多频样品声学信号的样品声学融合图像。
本发明的方法的有益效果是：包括对多个声学信号源的多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号以及叠加后的声学信号驱动声学换能器对样品产生多个不同频率的声激励信号的步骤，能驱动声学换能器产生多个不同频率的声激励信号，解决了现有采用单一频率的声激励信号的扫描探针声学显微镜对样品的局部区域检测不灵敏和样品内部结构的检测存在盲区的问题，更加准确；包括多个相干检测解调模块分别以各声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图的步骤，采用多个相干检测解调模块来取代一个相干检测解调模块，并以声学信号源的各个频率的声学信号作为相干检测解调模块的参考信号，只需一次扫描成像就可得到多种频率的样品声学信号，不再需要多次扫描成像，检测效率高，且能实时得到样品的全部结构信息。进一步，还包括声学信号融合模块将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像的步骤，能配合多个相干检测解调模块对不同频率的声学信号进行实时原位同步采集，使得不同频率的声学信号完全对应于样品的相同位置，克服了纳米级漂移引起的错位问题，能直接通过信号融合得到携带有多频样品声学信号的样品声学融合图像。
附图说明
图1为现有的扫描探针声学显微镜系统的结构示意图；
图2为本发明一种多频扫描探针声学显微镜系统的结构示意图；
图3为本发明一种多频扫描探针声学显微镜系统的信号传输及处理流程示意图；
图4为本发明一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法的整体流程图。
具体实施方式
参照图2和图3，一种多频扫描探针声学显微镜系统，包括：
多个声学信号源7，用于产生多个不同频率的声学信号；
多路信号叠加模块8，用于对多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；
声学换能器5，用于根据叠加后的声学信号对样品4产生多个不同频率的声激励信号；
扫描器6，用于驱动样品4进行扫描移动；
微悬臂探针2，用于在样品4表面接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；
光电检测系统，用于将微悬臂探针2的振动信号转换为相应的电信号；
多个相干检测解调模块9，用于分别以各所述声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；
扫描探针显微镜控制系统，用于根据光电检测系统的电信号得到样品4的表面形貌图，并将样品4的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示；
各所述声学信号源7的输出端与多路信号叠加模块8的输入端连接，所述多路信号叠加模块8的输出端与声学换能器5的输入端连接，所述声学换能器5位于样品4的底部以及扫描器6的上方，所述光电检测系统的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块9的信号输入端Signal连接，各所述相干检测解调模块9的参考源输入端ref.与各所述声学信号源7的输出端对应连接，各所述相干检测解调模块9的输出端与扫描探针显微镜控制系统的输入端连接，所述扫描探针显微镜控制系统的输出端与扫描器6的输入端连接。
参照图2和图3，进一步作为优选的实施方式，所述扫描探针显微镜控制系统包括：
低通滤波器10，用于对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；
反馈控制模块11，用于根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；
多个样品声学信号图显示模块14，用于显示各个频率的样品声学信号图；
样品表面形貌图显示模块13，用于显示样品的表面形貌图；
所述低通滤波器10的输入端与光电检测系统的输出端连接，所述低通滤波器10的输出端与反馈控制模块11的输入端连接，所述反馈控制模块11的输出端分别与样品表面形貌图显示模块13的输入端以及扫描器6的输入端连接，各所述声学信号图显示模块14的输入端与各相干检测解调模块9的输出端对应连接。
参照图2和图3，进一步作为优选的实施方式，所述扫描探针显微镜控制系统还包括：
声学信号融合模块12，用于将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像；
声学信号融合图像显示模块15，用于显示样品多频声学信号融合图像；
所述声学信号融合模块12的输入端分别与各相干检测解调模块9的输出端连接，所述声学信号融合模块12的输出端与声学信号融合图像显示模块15的输入端连接。
进一步作为优选的实施方式，所述反馈控制模块由CPU、DSP或FPGA及外围电路组成，所述多路信号叠加模块或声学信号融合模块为由运算放大器、电阻和电容构成的加法电路。
其中，反馈控制模块以高性能中央处理器(CPU，Central Processing Unit)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)或现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)为核心，配合数模转换电路等外围电路，实现了信号的输入输出控制。
参照图2和图3，进一步作为优选的实施方式，所述光电检测系统包括：
激光器1，用于发出入射光；
四象限接收器3，用于接收入射光经微悬臂探针2反射后形成的反射光；
所述四象限接收器3的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块9的信号输入端Signal连接。
参照图4，一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法，包括以下步骤：
对多个声学信号源的多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；
叠加后的声学信号驱动声学换能器对样品产生多个不同频率的声激励信号；
微悬臂探针对样品进行扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；
通过光电检测系统将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；
多个相干检测解调模块分别以各声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；
扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示。
进一步作为优选的实施方式，所述微悬臂探针对样品进行扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号这一步骤，其包括：
声学换能器产生的多个不同频率的声激励信号穿过样品，形成相应的声学信号；
微悬臂探针在样品表面进行逐点扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到微悬臂探针悬臂梁的振动信号，所述微悬臂探针悬臂梁的振动信号包括样品表面形貌起伏引起的低频振动信号和声学信号引起的高频振动信号，所述声学信号引起的高频振动信号包含了分别与多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号的频率相同的振动。
进一步作为优选的实施方式，所述扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示这一步骤，其包括：
对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；
反馈控制模块根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；
将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示。
进一步作为优选的实施方式，所述扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示这一步骤，还包括：
声学信号融合模块将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像；
将样品多频声学信号融合图像进行显示。
进一步作为优选的实施方式，所述通过光电检测系统将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号这一步骤，其包括：
光电检测系统的激光器发出入射光；
光电检测系统的四象限接收器接收入射光经微悬臂探针反射后形成的反射光；
光电检测系统的四象限接收器根据接收反射光进行光电转换，得到与微悬臂探针的振动信号相对应的电信号。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。
实施例一
针对现有的扫描探针声学显微镜不够准确、效率低和实时性较差的问题，本发明公开了一种新的多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法。本发明采用多个声学信号源来产生频率各不相同的信号，经多路信号叠加器进行相加后，驱动声学换能器在样品底部对样品进行多种频率的声学激励，然后利用微悬臂探针在样品表面接收后，采用多个独立的相干检测解调通道分别对每个频率的声学信号进行相干检测解调，同步获得对应于每个不同频率的声学激励源的声学图像并进行实时显示，与现有单一频率的声激励信号的扫描探针声学显微镜相比，不但可以解决对样品的某些局部不灵敏和存在检测盲区的问题，而且一次扫描成像就可得到多种频率的声学信号，极大提高了样品实际测试的效率。此外，本发明不同频率的声学信号是实时原位同步采集的，其对应于样品上的位置也严格一致，不存在“探针-样品”体系纳米级漂移引起的错位，故可直接将解调后不同频率的多路样品声学信号进行信号融合，得到携带有多频声学信号的样品声学融合图像。
如图2所示，本发明的显微镜系统主要包括激光器1、微悬臂探针2、四象限接收器3、样品4、声学换能器5、扫描器6、多个声学信号源7、多路信号叠加模块8、多个相干检测解调模块9，低通滤波器10、反馈控制模块11、声学信号融合模块12、样品表面形貌图显示模块13、声学信号图显示模块14和声学信号融合图像显示模块15。
从图2可知，与现有的扫描探针声学显微镜结构相比，本发明的多频扫描探针声学显微镜具有n(n≥2)个独立的声学信号源，独立分别产生频率为f1到fn的声学信号，且fi≠fj(i≠j，1≤i≤n，1≤j≤n)，这些信号输入到多路信号叠加模块8进行叠加后，驱动样品4底部的声学换能器5对样品4产生n个特定频率的声激励信号。这n个不同频率声激励信号的声波穿过声学换能器5与样品4的边界，在样品4内进行传播，到达样品4表面后，由微悬臂探针2在样品4表面逐点扫描，并通过“探针-样品”耦合体系进行接收，转变为微悬臂探针2悬臂梁的对应振动，也就是说，微悬臂探针2对样品4进行扫描的过程中，悬臂梁的振动包含了两种振动信号：1、样品4表面形貌起伏引起的振动信号，为低频信号(其频率＜1kHz)，强度较大且与样品4表面起伏的高度差相关；2、声学信号引起的探针振动信号，为高频信号，该高频信号包含了分别与多个声激励信号源频率(一般＞10kHz)相同的振动，这些振动的强度相对较弱且与样品内部结构相关。而由低通滤波器10、反馈控制模块11、声学信号融合模块12、样品表面形貌图显示模块13、声学信号图显示模块14和声学信号融合图像显示模块15组成的扫描探针显微镜控制系统在控制微悬臂探针2在平面扫描运动的同时，通过检测因样品4表面起伏引起的探针悬臂梁的上下弯曲变形(即悬臂梁的低频振动)来驱动扫描器6升降，以抵消样品4的表面起伏，得到样品4的表面形貌。微悬臂探针2悬臂梁的机械振动由激光器1和四象限接收器3构成的光电检测系统转换为电信号，该电信号一路通过低通滤波器滤除相对高频的声学信号后输入到反馈控制模块11，实现“探针-样品”体系的稳定控制，并得到样品4的表面形貌图；另一路输入到与各个声学信号源7对应的相干检测解调模块9，每个相干检测解调模块9以各自的声学信号源7为参考信号，对输入电信号进行解调得到对应于该频率的样品声学信号图，并与样品形貌图同步显示。
如背景部分所述，样品材料及结构(包括缺陷)的不均匀性导致现有的扫描探针显微镜对不同频率的声学信号在检测灵敏度和检测盲区上存在差异，其在某一频率的声学图像中遗漏的样品信息，可能在另一频率的声学图像中得到，因此，本发明通过针对不同频率信号的相干检测解调获得的多路不同频率的样品声学信号进行综合分析，可以获得样品更为全面的信息。
而本发明不同频率的声学信号是实时原位同步采集(即同时输入到多路信号叠加模块8和相干检测解调模块9中)的，其对应于样品4上的位置也严格一致，故该显微镜系统将解调后不同频率的多路样品声学信号经声学信号融合模块12进行在线信号融合后，得到携带有多频声学信号的样品多频声学信号融合图像，并实时显示，极大方便了样品测试者。
本发明多频扫描探针声学显微镜系统的信号传输及处理流程图如图3所示。图3中，16为四象限接收器3输出的电信号，17为微悬臂探针2因样品4表面起伏引起的振动信号，18、19和20分别为频率f1、f2和fn对应的相干检测解调模块，21、22和23分别为相干检测解调模块18、19和20对应(即频率f1、f2和fn对应)的样品声学信号图，24为频率f1至fn对应的这n个样品声学信号图融合后得到的样品声学信号融合图像。
由图3可见，多个不同频率(f1～fn)的声学信号同时从样品4的底部进入并在样品4内传输，到达样品4的表面后，由在表面扫描的微悬臂探针2接收，转变为微悬臂探针2悬臂梁的对应振动，经四象限接收器3转变成电信号(该电信号在样品表面形貌信号中叠加有相对高频的声学信号，如图3中的信号16所示)，该电信号一路经低通滤波器10滤除声学信号后得到如图3所示的信号17，输入到反馈控制模块11中得出样品4的表面形貌图；另一路输入到与各个声学信号源对应的相干检测解调模块18、19和20，进行解调得到对应于该激励频率的样品声学信号图21、22和23，不同频率的样品声学信号经声学信号融合模块12进行信号融合后，得到携带有多频声学信号的样品声学融合图像24。
在本发明的多频扫描探针声学显微镜系统中，理论上，声学信号源的频率越多，防止声学图像中样品信息的遗漏就越有效。但是，过多频率的声学信号源会增加系统的复杂度和成本，而且现有的部分扫描探针显微镜也可能没有足够的预留通道来处理过多的声学信号，因此声学信号源的频率以2～4个为宜。
多频扫描探针声学显微镜系统中，信号叠加、相干检测解调和信号融合是重要的组成部分，也承担了该系统的主要功能，以下以具有三个频率声学信号源的扫描探针声学显微镜为例分别对这三个模块进行说明：
1)多路信号叠加模块
多路信号叠加模块的功能就是将3个声学信号源输出的不同频率的声学信号进行线性叠加。
其中，3个声学信号源输出分别表示为：
其中，Ai为信号输出源振幅(i＝1、2、3)，fi为信号源频率，为信号源初始相位角，且有：
f1≠f2≠f3 (4)
则多路信号叠加模块的输出为：
由式(4)可知，由于3个声学信号源的频率各不相同，故其初始相位角可以不予考虑，即式(5)可简化为：
So＝A1·sin2πf1t+A2·sin2πf2t+A3·sin2πf3t (6)
2)相干检测解调模块
假设表达式为式(6)的声学激励信号从样品底部进入样品并在样品内传输，由于样品内部的不均匀性，到达样品表面的不同位置，其声学信号各不相同，该声学信号由微悬臂探针逐点接收后，输入相应的相干检测解调模块解调出特定信号源产生的声学信号。
声学信号到达表面某个特定点接收到的信号可表达为：
SI＝A1k1·sin(2πf1t+θ1)+A2k2·sin(2πf2t+θ2)+A3k3·sin(2πf3t+θ3) (7)
其中，ki为声学信号到该特定点的传递系数，θi为声学信号传递到该特定点的相位差。ki和θi均携带了样品的内部结构信息，其随样品表面位置的变化构成了每个频率的声学图像，故ki和θi为相干检测解调模块所要定量解调和检测的参数。
相干检测解调模块的基本原理是以声学信号源的信号为参考信号，在微悬臂探针接收到的信号(简称接收信号)中，利用电信号与激励源的相关性，滤除其他无关信号，将当中对应于该声学信号源信号的相应声学信号检测出来。相干检测解调模块可通过接收信号和参考信号的乘法运算和积分运算来实现，详细说明如下：
以频率为f1的声学信号通道为例，将式(7)的接收信号分别与信号源1的参考信号sin2πf1t和正交参考信号相乘，并对时间t积分，可得到该通道信号的X分量S1x：
从上式的推导过程中可以看出，以信号源1为参考信号，经过乘法运算后，可以得到一个和信号源1的振幅A1、传递系数k1及相位差θ1相关的直流部分，以及分别与3个信号源频率相关的5个交流部分(频率分别为2f1、│f1-f2│、f2+f1、│f3-f1│、f3+f1)，而对时间进行积分运算时，随着积分时间的增加，交流部分趋于0。而在实际系统中，检测及信号采集均有时效性，故积分时间不可能是无穷大，但只要积分时间足够大，交流部分完全可以有效抑制，故有：
同样地，由下式(9)：
可以推导出该通道信号的的Y分量S1y：
由式(8)和(10)，可以得到：
由式(11)和(12)可知，相干检测解调模块实际是在微悬臂探针对样品扫描过程中，逐点完成乘法和积分运算得到X和Y分量Sx和SY后，求得其声学传递系数k和相位θ，从而获得声学信号图。通常，相干检测解调模块得到的声学信号图既指声学信号振幅(Ak，即声激励源振幅A和传递系数k的乘积)的样品表面二维分布图，也指声学信号相位θ的样品表面二维分布图。
3)声学信号融合模块
对于多频扫描探针声学显微镜，如2)中所述，每个频率的声学激励都可得到2个声学图像(Ak和θ)，以具有三个频率声学信号源的扫描探针声学显微镜为例，对样品进行检测时，其每次扫描均可得到7幅图像：样品表面形貌、3个频率对应的3声学信号振幅图，以及3个频率对应的3声学信号相位图。在实际检测中，用户同时监控这么多幅声学图像非常麻烦。声学信号融合模块的功能就是将多幅声学信号振幅图和多幅声学信号相位图分别进行信号融合，得到1幅声学信号振幅融合图和1幅声学信号相位融合图，方便用户对检测结果进行实时判断分析，提高系统的实用性。
声学信号融合模块可通过多种模型实现多路信号融合的功能，其最具代表性的线性叠加信号融合模型表达式为：
或者：
在式(13)、(14)和(15)中，n为需要进行融合的信号通道数，ki和θi为第i通道的声学信号传递系数和相位，k∑(或Ak∑)和/或θ∑为融合后的声学信号传递系数(或振幅)和/或相位。
综上所述，本发明一种多频扫描探针声学显微镜系统及其实现方法，既可同步获得对应于不同频率激励源的声学图像，也可实时得到多路声学的融合信号图像，与现有采用单一频率的声激励信号的扫描探针声学显微镜相比，不但可以解决其对样品的某些局部不灵敏和存在检测盲区的问题，而且能有效克服“探针-样品”体系漂移引起的错位，一次扫描成像就可得到多种频率的声学信号，极大提高了样品实际测试的效率，具有明显的技术优势和很高的实用价值。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：包括：
多个声学信号源，用于产生多个不同频率的声学信号；
多路信号叠加模块，用于对多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；
声学换能器，用于根据叠加后的声学信号对样品产生多个不同频率的声激励信号；
扫描器，用于驱动样品进行扫描移动；
微悬臂探针，用于在样品表面接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；
光电检测系统，用于将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；
多个相干检测解调模块，用于分别以各所述声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；
扫描探针显微镜控制系统，用于根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示；
各所述声学信号源的输出端与多路信号叠加模块的输入端连接，所述多路信号叠加模块的输出端与声学换能器的输入端连接，所述声学换能器位于样品的底部以及扫描器的上方，所述光电检测系统的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块的信号输入端连接，各所述相干检测解调模块的参考源输入端与各所述声学信号源的输出端对应连接，各所述相干检测解调模块的输出端与扫描探针显微镜控制系统的输入端连接，所述扫描探针显微镜控制系统的输出端与扫描器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述扫描探针显微镜控制系统包括：
低通滤波器，用于对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；
反馈控制模块，用于根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；
多个样品声学信号图显示模块，用于显示各个频率的样品声学信号图；
样品表面形貌图显示模块，用于显示样品的表面形貌图；
所述低通滤波器的输入端与光电检测系统的输出端连接，所述低通滤波器的输出端与反馈控制模块的输入端连接，所述反馈控制模块的输出端分别与样品表面形貌图显示模块的输入端以及扫描器的输入端连接，各所述声学信号图显示模块的输入端与各相干检测解调模块的输出端对应连接。
3.根据权利要求2所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述扫描探针显微镜控制系统还包括：
声学信号融合模块，用于将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像；
声学信号融合图像显示模块，用于显示样品多频声学信号融合图像；
所述声学信号融合模块的输入端分别与各相干检测解调模块的输出端连接，所述声学信号融合模块的输出端与声学信号融合图像显示模块的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述反馈控制模块由CPU、DSP或FPGA及外围电路组成，所述多路信号叠加模块或声学信号融合模块为由运算放大器、电阻和电容构成的加法电路。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统，其特征在于：所述光电检测系统包括：
激光器，用于发出入射光；
四象限接收器，用于接收入射光经微悬臂探针反射后形成的反射光；
所述四象限接收器的输出端分别与扫描探针显微镜控制系统的输入端以及各所述相干检测解调模块的信号输入端连接。
6.一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
对多个声学信号源的多个不同频率的声学信号进行叠加，得到叠加后的声学信号；
叠加后的声学信号驱动声学换能器对样品产生多个不同频率的声激励信号；
微悬臂探针对样品进行扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号；
通过光电检测系统将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号；
多个相干检测解调模块分别以各声学信号源的各个频率的声学信号作为参考信号，从光电检测系统的电信号中解调出各个频率的样品声学信号图；
扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示。
7.根据权利要求6所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法，其特征在于：所述微悬臂探针对样品进行扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到相应的振动信号这一步骤，其包括：
声学换能器产生的多个不同频率的声激励信号穿过样品，形成相应的声学信号；
微悬臂探针在样品表面进行逐点扫描，接收多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号，得到微悬臂探针悬臂梁的振动信号，所述微悬臂探针悬臂梁的振动信号包括样品表面形貌起伏引起的低频振动信号和声学信号引起的高频振动信号，所述声学信号引起的高频振动信号包含了分别与多个不同频率的声激励信号穿过样品后形成的声学信号的频率相同的振动。
8.根据权利要求6所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法，其特征在于：所述扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示这一步骤，其包括：
对光电检测系统的电信号进行低通滤波，得到滤除声学信号后的样品表面形貌信号；
反馈控制模块根据滤除声学信号后的样品表面形貌信号得到样品的表面形貌图，并生成控制扫描器升降的控制信号；
将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示。
9.根据权利要求8所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法，其特征在于：所述扫描探针显微镜控制系统根据光电检测系统的电信号得到样品的表面形貌图，并将样品的表面形貌图和各个频率的样品声学信号图进行同步显示这一步骤，还包括：
声学信号融合模块将所有频率的样品声学信号图进行图像融合，得到样品多频声学信号融合图像；
将样品多频声学信号融合图像进行显示。
10.根据权利要求6-9任一项所述的一种多频扫描探针声学显微镜系统的实现方法，其特征在于：所述通过光电检测系统将微悬臂探针的振动信号转换为相应的电信号这一步骤，其包括：
光电检测系统的激光器发出入射光；
光电检测系统的四象限接收器接收入射光经微悬臂探针反射后形成的反射光；
光电检测系统的四象限接收器根据接收反射光进行光电转换，得到与微悬臂探针的振动信号相对应的电信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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