CN111830288B - 一种afm低漂移大范围扫描测量的路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AFM低漂移大范围扫描测量的路径规划方法，其步骤包括：1扫描中心微块的图像，2微动平台移动到下一个微块区域并扫描，且与上一个微块有部分重叠，3对两个微块重叠部分进行相关计算得到漂移量，并对微块图像进行校正，4微动平台按照螺旋式扫描路线进行扫描，当扫描范围超过微动平台运动范围时，移动宏动平台与微动平台协同运动。5微动平台继续按照螺旋式扫描路线进行扫描，直到扫描完全部区域。本发明能实现漂移的实时计算和补偿校正，获取低漂移的大范围样品图像，从而提高原子力显微镜获取低漂移图像和测量的能力，对扫描探针显微镜的技术具有一定的理论意义和实用价值。

Description

一种AFM低漂移大范围扫描测量的路径规划方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及原子力显微镜成像技术领域，尤其涉及一种AFM大范围扫描的路径规划以实现漂移的实时计算和校正的方法。
背景技术
扫描探针显微镜在扫描图像时存在着扫描范围小、漂移的问题，随着各个领域对原子力显微镜性能要求的提高，样品的扫描范围无法满足某些特定场合的需求，制约了扫描探针显微镜的发展和应用。要增大扫描范围，可采用加大压电陶瓷的长度，提高压电陶瓷的电压等方法，但这些方法都存在一定缺点。
在大范围扫描时，即使进行高速扫描，也需要一定的扫描时间，漂移贯穿在整个扫描过程中，使用拼接扫描的方法的拼接精度也会受到影响。而目前的漂移解决方法无法适应大范围长时间扫描等复杂情况，不能简单移植应用，因此在扫描探针显微镜进行大范围扫描时，漂移问题仍然显得较为棘手。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种AFM低漂移大范围扫描测量的路径规划方法，以期能实现漂移的实时计算和补偿校正，获取低漂移的大范围样品图像，从而提高原子力显微镜获取高精度图像和测量的能力，对扫描探针显微镜的技术具有一定的理论意义和实用价值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明一种AFM低漂移大范围扫描测量的路径规划方法的特点是应用于由大行程宏动平台、高精度的压电微动平台、AFM显微镜及其AFM探针，计算机所组成的扫描平台中；所述大行程宏动平台使用两组单轴工作台叠加的结构；所述微动平台采用压电陶瓷驱动器结合柔性铰链导轨的结构，并放置在所述大行程宏动平台上；在所述微动平台上放置有扫描对象，在所述扫描对象的上方设置有AFM探针；
在所述压电微动平台的扫描范围内，所述大行程宏动平台保持不动，所述压电微动平台按照如下步骤进行路径规划，从而形成螺旋式扫描路线：
步骤1、定义所述AFM探针是按照一个单位的微块进行扫描；
定义微块的边长为m；定义每个微块起点之间的距离为n，且n小于m；
定义当前所扫描的微块个数为i，并初始化i＝1；
定义移动次数为j，并初始化j＝1；定义微动平台移动范围为N；
以所述扫描对象的中心点作为第i个微块的初始扫描起点，从而利用所述AFM探针、AFM显微镜及计算机得到第i个微块的扫描图像；
步骤2、所述压电微动平台运动带动所述AFM探针第j次移动到达第i+1个微块的扫描起点，扫描第i+1个微块从而得到第i+1个微块的扫描图像；
步骤3、所述计算机对第i个扫描图像和第i+1个扫描图像的重叠部分进行相关计算，从而获得第i+1个微块的漂移量；进而根据所述第i+1个微块的漂移量对第i+1个微块的扫描图像进行校正，得到校正后的第i+1个微块的扫描图像，以及相对于第i+1个微块的下一个微块的扫描起点的准确位置；
步骤4、将i+1赋值给i，将j+1赋值给j后，判断N<m是否成立，若成立，则表示超出所述压电微动平台的扫描范围，并执行步骤5，否则返回步骤2；
步骤5、所述压电微动平台运动带动所述AFM探针从当前位置的扫描起点回到第1个微块的初始扫描起点；所述大行程宏动平台带动所述压电微动平台从所述第1个微块的初始扫描起点回到所述当前位置的扫描起点附近作为当前微块的扫描起点；
步骤6、用所述AFM探针、AFM显微镜及计算机得到当前微块的扫描图像，并与第j次移动时扫描的微块图像进行相关计算，得到所述当前微块的扫描图像相对于第j次移动时扫描的微块图像的漂移量；进而根据所述漂移量对第j次移动时扫描的微块图像进行校正，得到校正后的第j次移动时扫描的微块图像；
步骤7、初始化i＝1，j＝1后返回步骤2，直到所述扫描对象完成扫描后对所有图像进行拼接重构并输出，从而获得所述扫描对象的低漂移图像。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用大范围扫描工作台，结合相应的扫描路径规划，实现了样品大范围的扫描，能够实时的进行漂移计算与校正补偿，增大了原子力显微镜的扫描范围，提高了扫描图像的精度。
2、本发明采用大范围扫描工作台，当扫描区域超过微动平台移动范围时，通过宏动平台与微动平台的协同运动，使得微动平台可以对扫描对象的更大区域进行扫描，增大了原子力显微镜的扫描范围，实现了样品大范围的扫描。
3、本发明提出了新的大范围扫描的路径规划方法，螺旋式的扫描路线使后续扫描的图像与开始扫描的图像有了紧密的联系，减少了漂移的累积影响，在图像重构时根据漂移信息提高了拼接精度。
附图说明
图1a为本发明大范围扫描时的路径规划示意图；
图1b为本发明大范围扫描时的路径规划示意图；
图2为本发明微块重叠部分进行相关计算示意图；
图3为本发明宏动平台微动平台位置变换示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本实施例中，一种AFM低漂移大范围扫描测量的路径规划方法，是应用于由大行程宏动平台、高精度的压电微动平台、AFM显微镜及其AFM探针，计算机所组成的扫描平台中；大行程宏动平台使用两组单轴工作台叠加的结构；微动平台采用压电陶瓷驱动器结合柔性铰链导轨的结构，并放置在大行程宏动平台上；在微动平台上放置有扫描对象，在扫描对象的上方设置有AFM探针；
在压电微动平台的扫描范围内，大行程宏动平台保持不动，压电微动平台按照如下步骤进行路径规划，从而形成螺旋式扫描路线：
步骤1、定义AFM探针是按照一个单位的微块进行扫描；
定义微块的边长为m；定义每个微块起点之间的距离为n，且n小于m；
定义当前所扫描的微块个数为i，并初始化i＝1；
定义移动次数为j，并初始化j＝1；定义微动平台移动范围为N；
以扫描对象的中心点作为第i个微块的初始扫描起点，从而利用AFM探针、AFM显微镜及计算机得到第i个微块的扫描图像；如图1a所示，微块1表示扫描对象扫描区域的中心，后续的微块扫描将按照螺旋式的路线围绕着微块1展开。
步骤2、压电微动平台运动带动AFM探针第j次移动到达第i+1个微块的扫描起点，扫描第i+1个微块，从而得到第i+1个微块的扫描图像；如图1b所示，微动平台运动带动AFM探针到达的下一个微块i+1的扫描起点，微块i+1的扫描起点与微块i的扫描起点之间的距离n都小于微块的边长m，这样每个微块之间的扫描区域会有部分重叠，可以对重叠部分进行相关计算。
步骤3、计算机对第i个扫描图像和第i+1个扫描图像的重叠部分进行相关计算，从而获得第i+1个微块的漂移量；进而根据第i+1个微块的漂移量对第i+1个微块的扫描图像进行校正，得到校正后的第i+1个微块的扫描图像，以及相对于第i+1个微块的下一个微块的扫描起点的准确位置；如图2所示为微块重叠部分进行相关计算示意图。1表示第i个微块的扫描图像，2是第i+1个微块的扫描图像，4是微块i和微块i+1的重叠部分，对重叠部分4进行相关运算可以得到微块i+1相对于微块i的漂移量。根据漂移量可以对微块i+1的图像进行校正，图2中的3表示校正后的图像。
步骤4、将i+1赋值给i，将j+1赋值给j后，判断N<m是否成立，若成立，则表示超出压电微动平台的扫描范围，并执行步骤5，否则返回步骤2；
步骤5、如图3所示为宏动平台微动平台位置变换示意图。1和3是宏动平台的Y轴和X轴，2是微动平台，不规则图形6是放置于微动平台上的扫描对象，虚线框5是微动平台的可扫描范围。4是微动平台可扫描范围内的第j次扫描的微块，当微动平台扫描的下一个微块将超过微动平台的扫描范围时，需要移动宏动平台与微动平台协同工作。压电微动平台运动带动AFM探针从当前位置的扫描起点回到第1个微块的初始扫描起点；大行程宏动平台带动压电微动平台从第1个微块的初始扫描起点回到当前位置的扫描起点附近作为当前微块的扫描起点；虚线框7是移动宏动平台移动后的微动平台可扫描范围。
步骤6、图3中的8表示微动平台回到当前位置的扫描点附近第j+1次扫描的当前微块，用AFM探针、AFM显微镜及计算机得到当前微块的扫描图像，并与第j次移动时扫描的微块图像进行相关计算，得到当前微块的扫描图像相对于第j次移动时扫描的微块图像的漂移量；进而根据漂移量对第j次移动时扫描的微块图像进行校正，得到校正后的第j次移动时扫描的微块图像；
步骤7、初始化i＝1，j＝1后返回步骤2，直到扫描对象完成扫描后对所有图像进行拼接重构并输出，从而获得扫描对象的低漂移图像。

Claims (1)

1.一种AFM低漂移大范围扫描测量的路径规划方法，其特征是应用于由大行程宏动平台、高精度的压电微动平台、AFM显微镜及其AFM探针，计算机所组成的扫描平台中；所述大行程宏动平台使用两组单轴工作台叠加的结构；所述微动平台采用压电陶瓷驱动器结合柔性铰链导轨的结构，并放置在所述大行程宏动平台上；在所述微动平台上放置有扫描对象，在所述扫描对象的上方设置有AFM探针；
在所述压电微动平台的扫描范围内，所述大行程宏动平台保持不动，所述压电微动平台按照如下步骤进行路径规划，从而形成螺旋式扫描路线：
步骤1、定义所述AFM探针是按照一个单位的微块进行扫描；
定义微块的边长为m；定义每个微块起点之间的距离为n，且n小于m；
定义当前所扫描的微块个数为i，并初始化i＝1；
定义移动次数为j，并初始化j＝1；定义微动平台移动范围为N；
以所述扫描对象的中心点作为第i个微块的初始扫描起点，从而利用所述AFM探针、AFM显微镜及计算机得到第i个微块的扫描图像；
步骤2、所述压电微动平台运动带动所述AFM探针第j次移动到达第i+1个微块的扫描起点，扫描第i+1个微块从而得到第i+1个微块的扫描图像；
步骤3、所述计算机对第i个扫描图像和第i+1个扫描图像的重叠部分进行相关计算，从而获得第i+1个微块的漂移量；进而根据所述第i+1个微块的漂移量对第i+1个微块的扫描图像进行校正，得到校正后的第i+1个微块的扫描图像，以及相对于第i+1个微块的下一个微块的扫描起点的准确位置；
步骤4、将i+1赋值给i，将j+1赋值给j后，判断N<m是否成立，若成立，则表示超出所述压电微动平台的扫描范围，并执行步骤5，否则返回步骤2；
步骤5、所述压电微动平台运动带动所述AFM探针从当前位置的扫描起点回到第1个微块的初始扫描起点；所述大行程宏动平台带动所述压电微动平台从所述第1个微块的初始扫描起点回到所述当前位置的扫描起点附近作为当前微块的扫描起点；
步骤6、用所述AFM探针、AFM显微镜及计算机得到当前微块的扫描图像，并与第j次移动时扫描的微块图像进行相关计算，得到所述当前微块的扫描图像相对于第j次移动时扫描的微块图像的漂移量；进而根据所述漂移量对第j次移动时扫描的微块图像进行校正，得到校正后的第j次移动时扫描的微块图像；
步骤7、初始化i＝1，j＝1后返回步骤2，直到所述扫描对象完成扫描后对所有图像进行拼接重构并输出，从而获得所述扫描对象的低漂移图像。
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