一种消除原子力显微镜图像失真的扫描方法

本发明涉及原子力显微镜，尤其涉及消除原子力显微镜图像失真的扫描方法。

背景技术：

1、原子力显微镜是微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳操作的重要工具。原子力显微镜的光路结构中包括探针针尖和微悬臂，探针针尖固定在微悬臂上。探针尖端的原子与被测样品表面的原子间存在相互作用力，该相互作用力随两原子间的距离的变化而变化，且该相互作用力会引起微悬臂形变，以该形变量为反馈，通过调整探针的上下运动来控制探针尖端的原子与被测样品表面的原子间的距离不变。移动探针使其在被测样品的表面上运动，探针的行走轨迹可代表样品的三维形貌信息。

2、原子力显微镜的扫描方式分为三种形式，包括探针扫描、样品扫描以及混合扫描。探针扫描也叫上扫描，在扫描过程中样品位置保持不动，探针负责z向振动的同时还要负责xy方向的运动对样品进行逐行扫描。样品扫描式也叫下扫描式，在扫描过程中探针保持不动，由扫描器带动样品做xyz三个方向的运动进行扫描。混合扫描式在扫描过程中z向纳米台负责带动探针做上下振动进行扫描，xy向扫描器带动样品进行x、y方向的运动。

3、以上无论哪种扫描方式，扫描器控制x、y两个方向一般做栅格状运动，运动快轴与运动慢轴分别定义为x轴，与y轴，其中x轴运动为周期三角波往复运动。但在扫描过程中扫描器(常用压电扫描器来实现)常存在较大的非线性，即使是闭环运动，实际x方向运动与预期运动存在偏差，尤其是在启动位置、或者拐点位置附近时偏差更大，这一偏差最终反映到高度变化上导致扫描得到的图像存在失真。并且这一失真情况随着不同的扫描速度变化而变化。

技术实现思路

1、基于以上所述，本发明的目的在于提供一种消除原子力显微镜扫描图像失真的扫描方法，以解决现有的原子力显微镜在样品进行扫描时，由于扫描器xy方向非线性运动而引起的扫描图像失真的问题。所述方法为：预设扫描图像像素点为n乘以n。扫描器xy方向的扫描范围均大于要提取图像的尺寸。x方向运动为加前馈补偿的闭环三角波周期运动，需经过l个训练周期后与预期三角波基本一致。y方向为直线匀速运动，在x方向运动l个训练周期时，此时y方向运行了一段距离，在此阶段不提取图像。之后，x方向每次三角波往复运动过程中取去程或者回程中间段均匀采样n次，作为提取图像的有效像素点，直到运行n个周期，如此可得到n乘以n个有效图像点，以此作为最终的扫描图像。利用该方法得到的图像能有效消除以往因扫描器xy方向非线性运动引起的图像边缘失真的问题，并且该方法还适用于扫描器xy方向扫描频率改变的情况。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种消除原子力显微镜扫描图像失真的扫描方法，扫描器xy方向的实际扫描范围均大于要提取图像区域的尺寸。

4、所述扫描器xy方向均为闭环运动；

5、所述扫描器x方向为三角波周期运动，y方向为直线运动；

6、所述扫描器x方向三角波周期运动采用前馈补偿的控制方法，经过数个训练周期后，再提取x方向运动的中间段作为提取图像的有效区域。

7、本发明的有益效果为：

8、1.本发明可消除原子力显微镜因扫描器xy方向非线性运动导致的图像边缘失真问题，从而得到更真实的样品形貌。。

9、2.本发明可适用于原子力显微镜扫描器扫描频率变化的情况，即使扫描频率发生改变，其图像也不会发生失真。

技术特征：

1.一种消除原子力显微镜扫描图像失真的扫描方法，其特征在于，扫描器xy方向的实际扫描范围均大于要提取图像区域的尺寸；

2.根据权利要求1所述的一种消除原子力显微镜扫描图像失真的扫描方法，其特征在于，原子力显微镜由激光器(7)发出一束激光(6)并打在原子力显微镜探针的悬臂梁上(4)，在该处的反射光线被光电探测器(9)所接收；控制z位移台(8)运动并接触样品，使得探针(3)受力并引起悬臂梁(4)发生弯曲时，光电探测器(9)中的激光光斑会发生偏转；经信号调理电路(10)处理之后则得到了样品(2)该点所对应的高度信息；通过控制器(12)控制z位移台(8)进行纳米级升降运动的同时控制xy扫查机构(1)进行平面运动则可得到样品的表面形貌信息；小压电陶瓷(5)则负责驱动悬臂梁(4)工作在共振状态。

3.根据权利要求2所述的一种消除原子力显微镜扫描图像失真的扫描方法，其特征在于，扫描图像从下到上提取的图像区域为图中深色区域，x与y方向扫描范围均比提取的图像区域要大；其中x方向采用一种针对周期运动前馈补偿的扫描方法；在控制扫描器闭环运动外，还额外设置一个位置前馈补偿表，该补偿值也与实际误差相关，该位置前馈补偿表的值可叠加在控制器的输出上，进而控制扫描器的运动；经过若干次的训练周期后，减少扫描器的闭环运动误差。

4.根据权利要求3所述的一种消除原子力显微镜扫描图像失真的扫描方法，其特征在于，扫描器运动10个三角波周期后，一个周期内x方向扫描器划分为不同的时间段，其中起点与拐点(τt1段，τt3段，τr1段，τr3段)误差较大，中间段(τt2，τr2)误差为零；将扫描器中间段作为提取图像的有效区域。

5.根据权利要求1所述的一种消除原子力显微镜扫描图像失真的扫描方法，其特征在于，预设扫描图像像素点为n乘以n；扫描器xy方向的扫描范围均大于要提取图像的尺寸；x方向运动为加前馈补偿的闭环三角波周期运动，需经过l个训练周期后与预期三角波一致；y方向为直线匀速运动，在x方向运动l个训练周期时，此时y方向运行了一段距离，此时不提取图像；之后，x方向每次三角波往复运动过程中取去程或者回程中间段均匀采样n次，作为提取图像的有效像素点，直到运行n个周期，如此可得到n乘以n个有效图像点，以此作为最终的扫描图像。

技术总结本发明公开了一种消除原子力显微镜图像失真的扫描方法，属于原子力显微镜技术领域。所述方法为：预设扫描图像像素点为N乘以N。扫描器XY方向的扫描范围均大于要提取图像的尺寸。X方向运动为加前馈补偿的闭环三角波周期运动，需经过L个训练周期后与预期三角波基本一致。Y方向为直线匀速运动，在X方向运动L个训练周期时，此时Y方向运行了一段距离，此时不提取图像。之后，X方向每次三角波往复运动过程中取去程或者回程中间段均匀采样N次，作为提取图像的有效像素点，直到运行N个周期，如此可得到N乘以N个有效图像点，以此作为最终的扫描图像。利用该方法得到的图像能有效消除以往因扫描器XY方向非线性运动引起的图像边缘失真的问题，并且该方法还适用于扫描器XY方向扫描频率改变的情况。技术研发人员：李鹏,梁彭福,刘秀成受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9