基于精确探针模型的AFM图像重构研究

原子力显微镜技术已在纳米成像中得到了普遍应用.但实验表明,AFM图像在水平方向分辨率较低,其中探针针尖形貌是影响扫描图像分辨率的关键因素之一.为了提高AFM扫描图像的分辨率,改善成像质量,一种可行的方法是通过建立探针模型后,重构扫描图像.在已有的探针建模方法中,普遍采用盲建模算法.针对目前盲建模算法中降噪阈值难以优化问题,提出了一种降噪阈值最优估计新方法.该方法可以使盲建模算法更准确地建立扫描方向上的探针形貌轮廓,进而完成3D探针模型.通过应用AFM探针扫描多空铝和标准栅格实验,介绍了探针针尖形貌精确建模的方法.然后使用数学形态学的腐蚀运算对标准栅格的AFM成像进行了重构,验证了上述方法的有效性.实验结果证明,重构后的图像中降低了探针针尖形貌的失真影响,可以显著改善扫描探针显微镜成像的水平分辨率.     

快速大面积测量用原子力显微镜扫描速度对测量结果的影响

构建了一种可快速大面积测量光栅表面微结构的原子力显微镜(AFM)系统,研究了不同扫描模式下扫描速度对测量结果的影响。分别测量了微悬臂探针在恒高模式与恒力模式下的频谱,获得了这两种模式下微悬臂探针的有效带宽。基于恒高模式与恒力模式,在不同扫描速度下分别测量了光栅微结构表面上的一条直线与一个圆周,进而分析了扫描速度对测量结果的影响。基于该AFM系统,采用恒高模式下不失真扫描速度对光栅微结构表面进行了快速、大面积三维形貌测量实验。实验结果表明:测量光栅微结构表面上直径为4.0mm的圆形区域所用时间仅为40s。当扫描速度不超过微悬臂探针有效带宽所对应的速度时,所构建的AFM系统可无失真地实现微结构表面的快速、大面积测量。     

基于 LSTM 的矩形纳米光栅 AFM 图像复原方法

原子力显微镜(AFM)利用探针与待测物之间的交互作用力进行成像,通过获取矩形纳米光栅计量标准器具的高分辨率成像得到相关的几何量参数并进行标定,实现从标准计量器具到工作计量器具的量值传递。在AFM扫描过程中,由于针尖的影响作用,使得扫描所获图像是探针和样品共同作用的结果,而不是样品形貌的真实描述。针对这一现象,本文提出了一种基于长短期记忆网络(LSTM)的AFM图像复原方法,该方法对通过膨胀法获得的仿真图像各扫描行进行训练,进而获得适用于矩形纳米光栅AFM图像复原模型。实验结果表明,针对线宽20 nm,高40 nm的矩形纳米光栅,经过该方法复原后光栅线宽的相对误差为7.40%,相较于传统的复原方法进一步提高了测量准确度。     

一维矩形光栅AFM图像盲探针表面重建模拟研究

探针结构参数的合理选取将直接决定扫描图像及其盲探针修正图像的失真程度。基于此,以一维矩形模拟光栅为典型案例,对该模拟光栅的原子力显微镜(AFM)扫描成像过程与盲探针修正过程进行了仿真,阐明了探针结构参数对扫描成像过程与盲探针修正过程的影响规律。通过建立线宽变化度与半高宽相结合的图像重建误差评价指标,确定了针对该模拟光栅的AFM探针建议结构参数,并取得了良好的光栅图像重建效果。研究表明,应用线宽变化度结合半高宽来综合评价光栅的AFM测量和图像重建过程,有利于提升实际光栅AFM图像盲探针重建的准确度。     

基于硅悬臂高阶谐振的动态原子力显微镜的快速扫描

利用原子力显微镜(AFM)硅悬臂器件具有多阶谐振模态的特性,提出了基于硅悬臂高阶谐振特性构建动态AFM来实现快速扫描的方法,并研制了可工作于一阶模态和高阶模态的AFM。介绍了高阶谐振AFM系统的基本结构和工作原理,从理论上证明了利用硅悬臂梁高阶谐振特性实现快速扫描的可行性。以自制的AFM为研究对象,分析了影响动态AFM扫描速度的主要因素,对系统各模块的响应时间进行了分析、测试,并通过实验证明了AFM在二阶谐振模态下的稳定时间明显小于一阶谐振模态下的稳定时间。最后,分别用一阶、二阶谐振模态对光栅试样在同一区域的表面形貌进行了扫描测试,测试数据表明:在相同条件下,AFM的扫描速度在二阶谐振模态下约是一阶模态下的3.3倍。理论分析和实验结果证明了利用高阶谐振探针提高AFM扫描速度的可行性和有效性。     

基于数学形态学的医学图像插值技术

医学图像插值技术是图形处理中的关键技术.为了能同时满足图像灰度和形状的要求,提出了一种基于数学形态学的医学图像插值算法.对CT图像采用多阈值和数学形态学的方法进行了分割,得到了各组织的轮廓,然后根据体素的相关性进行了插值.实验结果表明,此算法解决了以往算法边界模糊的缺点,插值效果好.     

X轴分离式高速原子力显微镜系统设计

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度,本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中,Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈;X扫描器与测头分离,驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台,能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振;同时Z扫描器的载荷实现最小化,固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差,设计了一种随动式光杠杆光路;为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置,设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明,该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下,可搭载尺寸达数厘米且质量超过10g的较大样品实现13μm×13μm范围50Hz行频的高速成像。     

基于数学形态学的图像分割研究及应用

给出了一种基于图像灰度分布统计特征期望值为阈值的二值化方法．并在此基础上运用数学形态学方法进行图像目标定位分割。应用于有噪声的车牌图像二值化和分割、实验表明本文提出的二值化算法的计算复杂度．执行时间、二值化效果以及适用范围等方面均有较佳表现．形态学分割算法定位效果好、分割精度高。     

数学形态学和小波变换的红外图像处理方法

为了从红外热图像中识别和跟踪目标,提出了一种采用数学形态学和小波变换相结合的红外图像处理新方法。该方法首先利用形态开、闭滤波器组对原始图像进行平滑处理;然后采用一种改进的数学形态学的分水岭算法对红外图像进行分割,同时利用考虑了图像纹理信息的小波阈值对分割的图像进行滤波处理;最后针对过分割问题提出了一种利用区域灰度中值对分割区域进行融合处理的算法。实验结果及算法性能评估结果表明,该方法能够较好地解决红外目标的识别问题,具有较好的实用性。     

基于电流偏差补偿模型的SICM自适应控制

扫描离子电导显微镜(SICM)能够在非接触条件下获取样品表面纳米级形貌特性信息,可以在生理液态环境下实现对活体细胞等柔软样品无损成像。但是通过前期大量实验结果,发现在使用连续扫描模式时SICM扫描图像存在"拖尾"现象,导致图像失真,并限制了扫描成像速度。针对这一问题,结合SICM成像原理进行分析,得出电流逼近曲线高度非线性是产生这一现象的主要原因,并提出一种基于电流偏差补偿模型的SICM自适应控制方法。主要思想是建立电流偏差补偿模型,利用上一行扫描高度数据作为先验知识预测当前扫描点位置,并输入补偿模型得到新的电流偏差作为系统被控量。最后分别用新旧控制算法对标准栅格扫描图像进行成像效果对比,实验结果验证了该算法在一定扫描速度范围内能够有效地解决"拖尾"现象,明显减小图像失真,为进一步提高SICM系统成像质量和成像速度提供了一种有效的技术方法。