CN1544913A

CN1544913A - 压电陶瓷管扫描器非线性校正方法

Info

Publication number: CN1544913A
Application number: CNA2003101136706A
Authority: CN
Inventors: 王丹丹; 左燕生; 韩立; 安秉谦; 林云生
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2004-11-10

Abstract

本发明提供一种压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，依此方法能够有效地消除用压电陶瓷管扫描器进行图形扫描时所引起的扫描图像畸变，从而有利于获得物体表面实貌的真实扫描图像。本发明的技术方案为，压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于包括以下步骤：(1)采用测微仪器测量出压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的系列对应数据；(2)将所述系列对应数据作出的曲线拟合成压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的关系曲线。

Description

压电陶瓷管扫描器非线性校正方法

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜精确成像技术，是一种压电陶瓷管扫描器非线性校正方法。

背景技术

压电陶瓷管扫描器是扫描探针显微镜的主要运动部件之一，它带动探针或样品进行X、Y方向的扫描及Z轴方向的运动，从而完成样品表面形貌的成像。用于扫描器的压电陶瓷管具有如下的结构特点：内表面与外表面金属化后，按径向极化，外壁金属涂层被分隔成四个电极作为水平X和垂直Y的扫描电极，整个管的内壁作为调节针尖高低的Z向电极。由于压电陶瓷管本身固有的迟滞特性，其伸缩变形量与驱动电压之间的关系曲线呈现明显的非线性，特别是当进行大范围扫描时，非线性更严重。此外，由于压电陶瓷管加工过程中外壁电极分割不均匀和管壁厚度不均匀等问题，使得X与Y向电压驱使的运动不能精确正交。所有这些都严重影响了扫描器的工作特征，会造成扫描图形的畸变，因此必须对压电陶瓷管扫描器进行非线性校正。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供一种压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，依此方法能够有效地消除用压电陶瓷管扫描器进行图形扫描时所引起的扫描图像畸变，从而有利于获得物体表面实貌的真实扫描图像。

本发明的技术方案如下：

压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于包括以下步骤：(1)采用测微仪器测量出压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的系列对应数据；(2)将所述系列对应数据作出的曲线拟合成压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的关系曲线并求其拟合函数。

还包括以下步骤：将所述拟合函数转换为反函数，即以压电陶瓷管的伸缩量为自变量；通过计算得到用于等间隔伸缩所需的电压值，以对压电陶瓷管的非线性特征进行逐点校正。

所述测微仪器为迈克尔逊干涉装置。

所述步骤(1)中压电陶瓷管扫描器的驱动电压值采用等差数列；所述压电陶瓷管的自变量伸缩值采用等差数列。

所述压电陶瓷管的伸缩量有X方向和Y方向的伸缩量，所述电压为相应的X向和Y向驱动电压，并分别拟合而成相应的的关系曲线。

所述拟合采用计算机进行二次拟合或二次以上拟合。

所述迈克尔逊干涉装置中，采用旋转台带动压电陶瓷管作同轴旋转的方法，可精确地找到压电陶瓷管的伸缩端，消除非正交性对测压电陶瓷管伸缩量与驱动电压关系曲线的影响。

所述迈克尔逊干涉装置中，采用滑动块带动平面反射镜移动及连接杆与压电陶瓷管伸缩端滑动接触的结构，避免了压电陶瓷管与旋转台同轴旋转时对光路的影响。

本发明的技术效果如下：

由于本发明压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，采用了现有技术中的测微仪器，如光学的或电学的精密测量仪器，测量出压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的系列对应数据，并将该系列对应数据作出的曲线拟合成压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的关系曲线；有了拟合关系曲线，就等于确立了所述伸缩量与所述电压之间的函数式，通过确定该函数式的反函数就能够做到以电压值的非等差距变化来获得伸缩值的等差距变化，即可以进行压电陶瓷管扫描器的非线性校正，将校正参数用于压电陶瓷管扫描器驱动装置的驱动控制，通过控制加载电压得到等间隔的伸缩，从而可以用于扫描探针显微镜保证获得非畸变的扫描图像。实验证明：依此方法能够有效地消除用压电陶瓷管扫描器进行图形扫描时所引起的扫描图像畸变。

由于将所述拟合关系曲线转换为反函数，即以压电陶瓷管的伸缩量为自变量；通过计算得到用于等间隔伸缩所需的电压值，从而便于实现对压电陶瓷管扫描器的非线性特征进行逐点校正。

由于测微仪器采用迈克尔逊干涉装置，即利用成熟的迈克尔逊干涉原理的光学法，可以进行精确的测量。用干涉法测量压电陶瓷的伸缩量与驱动电压之间的关系曲线，测量原理和方法简单，易于实现。

由于压电陶瓷管的自变量伸缩值采用等差数列，这样就便于提高非线性校正方法的精确性，以及实际操作运行中使压电陶瓷管扫描器实现等间隔伸缩的确定性。

由于分别测得压电陶瓷管的X向和Y向驱动电压与伸缩量之间的关系曲线，符合以压电陶瓷管作为扫描器的实际情况，更为满足该驱动装置扫描图像的需求。

由于采用计算机进行二次拟合或二次以上拟合，实现计算机软件方法与光学方法的结合，这就可以最大程度地接近驱动电压与伸缩量变化关系的实际状况。一般说来，二次拟合就能够充分满足实际需要。

由于迈克尔逊干涉装置中，采用旋转台带动压电陶瓷管同轴旋转，可精确地找到压电陶瓷管的伸缩端，消除压电陶瓷管的非正交性对测其伸缩量与驱动电压关系曲线的影响。

由于迈克尔逊干涉装置中，采用滑动块带动平面反射镜移动及连接杆与压电陶瓷管伸缩端滑动接触的结构，这就可以避免压电陶瓷管与旋转台同轴旋转时对光路的影响。

综上所述，依据本发明的精神实质和基本的技术构思，可以得到一个完善的压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，能够有效地消除用压电陶瓷管扫描器进行图形扫描时所引起的扫描图像畸变，从而获得物体表面实貌的真实扫描图像。

附图说明

图1为测压电陶瓷管X向和Y向驱动电压与伸缩量关系曲线的光学装置结构示意图；

图2为压电陶瓷管的横截面结构示意图；

图3为压电陶瓷管伸缩端滑动接触结构示意图。

图中标记列示如下：

1.滑动台；2.压电陶瓷管；3.旋转台；4.连接杆；5.滑动块；6.激光管S；7.平面反射镜M1；8.平面反射镜M2；9.平面反射镜M3；10.平面反射镜M4；11.凸透镜G1；12.凸透镜G2；13.分光镜N；14.滤波镜F；15.接收屏P；16.干涉条纹；17.干涉条纹移动方向；18.压电陶瓷管外壁电极金属涂层；19.绝缘层；20.压电陶瓷管内壁电极金属涂层；21.接触点K。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

关于本发明压电陶瓷管扫描器非线性校正方法的技术构思：

由于压电陶瓷管本身的性质，使得压电陶瓷管的驱动装置往往具有很大的非线性特征，即在等间隔的电压驱动下将得到非线性的伸缩。这就给用压电陶瓷管制作的扫描器带来许多的麻烦。本发明提出了一项简易压电陶瓷管的驱动装置校准方法。首先利用测微仪器(例如迈克尔逊干涉方法)测量压电陶瓷管驱动装置的电压/伸缩量特征曲线；然后将测量结果输入计算机，利用计算机进行曲线拟合，得到S＝f(v)拟合函数(其中S是压电陶瓷管的伸缩量，v是压电陶瓷管上所施加的电压)。利用函数分析得到上述函数的反函数，v＝f^-1(S)。为了得到等间距线性伸缩量特征，将相应伸缩值输入该反函数，即可得到保证等间隔线性伸缩量需加载于压电陶瓷管上的电压。等间隔伸缩是扫描器无畸变的重要保证。

实施例：

如图1、图2和图3所示，本发明压电陶瓷管扫描器的伸缩量测量使用迈克尔逊干涉装置，其中标记6为激光管S，标记7、8、9、10分别为平面反射镜M1、M2、M3、M4，标记11、12分别为凸透镜G1、G2，标记14为滤波镜F，标记13为分光镜N，标记15为接收屏P，标记16为干涉条纹，标记17为干涉条纹移动方向，标记18为压电陶瓷管外壁金属涂层，标记19为绝缘层，标记20为压电陶瓷管内壁金属涂层，标记21为接触点K，以及滑动台1、压电陶瓷管2、旋转台3及连接杆4。其中要求：压电陶瓷管2固定在旋转台3上并使两者同轴；滑动块5的一端固定反射镜M4，另一端固定一连接杆4并通过此杆与压电陶瓷管2的伸缩端滑动接触。其工作过程为：从激光管S发出的一束激光经平面反射镜M1和M2被提升到一定高度，再依次经过G1、F和G2进行聚焦、滤波和扩束后变成平行光。此平行光经过分光镜N后被分成两束光(反射光和透射光)，其中一束射到固定的反射镜M3上，另一束射到固定在滑动块5上的反射镜M4上，两束光分别经过M3和M4的反射后再次经过分光镜N的透射与反射后形成明暗相间的干涉条纹16，其可在接受屏P上看到。由于在理想情况下，压电陶瓷管X向和Y向是完全正交的，即如图2所示：X向电极AB方向与Y向电极CD方向完全垂直；但在实际中，存在压电陶瓷管外壁电极分割不均匀和管壁厚度不均匀等问题，就会有如图2所示的情况：Y向电极在C’D’方向，这样就使得X向与Y向电压驱使的运动不能精确正交，因此采用了图1右侧的结构来精确地找到压电陶瓷管实际状况的伸缩端A(B)或C’(D’)点。实施的测量手段以施加X向电压测X向伸缩量为例，具体操作如下：在调节整个光路与附加装置时将接触点K尽量设置在C’(或D’)点附近即接近Y向(这可通过压电陶瓷管电极的外接电源引线点确定)，然后给压电陶瓷管2逐步施加X向电压，看干涉条纹16是否移动，如有移动需调节旋转台3改变接触点K，反复重复上述过程直到干涉条纹不再移动，这时K点一定与C(或D)点重合(AB向与CD向完全垂直)，然后再将旋转台顺时针或逆时针精确旋转90度(旋转的精确度由旋转台上的刻度盘决定)，也就是说此时接触点K与A(或B)重合，从而保证了所测得的系列对应数据为压电陶瓷管2实际状况的X向驱动电压与X向伸缩量关系。反之，测压电陶瓷管2的Y向驱动电压与Y向伸缩量关系曲线时，方法亦然。当压电陶瓷管2在电压的驱动下伸缩时会带动M4移动，进而干涉条纹由于光程差的变化也将发生移动。依据迈克尔逊干涉仪M4每移动λ/2(λ为激光波长)的距离就会产生一个光干涉的拍信号，因此可根据光拍信号的个数计算出压电陶瓷管伸缩量，从而获得压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的关系曲线。然后，再分别对其单程曲线进行二次拟合s＝av²+bv+c(s为伸缩量，v为驱动电压，a、b、c为拟合系数)。最后，将拟合系数a、b和c写入扫描校正程序中，通过软件给压电陶瓷管施加非等间距的电压，目的是产生等间距变化的伸缩量，从而使压电陶瓷管以线性方式工作，达到非线性校正的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，依据本发明的原理，还可以作出若干变化和改进，但是，这些均落入本发明的保护范围。

Claims

1.压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于包括以下步骤：(1)采用测微仪器测量出压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的系列对应数据；(2)将所述系列对应数据作出的曲线拟合成压电陶瓷管的伸缩量与其驱动电压之间的关系曲线并求其拟合函数。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于还包括以下步骤：将所述拟合函数转换为反函数，即以压电陶瓷管的伸缩量为自变量；通过计算得到用于等间隔伸缩所需的电压值，以对压电陶瓷管的非线性特征进行逐点校正。

3.根据权利要求2所述的压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于：所述测微仪器为迈克尔逊干涉装置。

4.根据权利要求3所述的压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中压电陶瓷管的驱动电压值采用等差数列；所述压电陶瓷管的自变量伸缩值采用等差数列。

5.根据权利要求4所述的压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于：所述压电陶瓷管的伸缩量有X方向和Y方向的伸缩量，所述电压为相应的X向和Y向驱动电压，并分别拟合而成相应的关系曲线。

6.根据权利要求5所述的压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于：所述拟合采用计算机进行二次拟合或二次以上拟合。

7.根据权利要求6所述的压电陶瓷管扫描器非线性校正方法，其特征在于所述迈克尔逊干涉装置中，采用旋转台带动压电陶瓷管作同轴旋转的方法，可精确地找到压电陶瓷管的伸缩端，消除压电陶瓷管的非正交性对测其伸缩量与驱动电压关系曲线的影响。

8.根据权利要求7所述的压电陶瓷管压电陶瓷管非线性校正方法，其特征在于所述迈克尔逊干涉装置中，采用滑动块带动平面反射镜移动及连接杆与压电陶瓷管伸缩端滑动接触的结构，避免压电陶瓷管与旋转台同轴旋转时对光路的影响。