基于视觉传感的AFM系统机械漂移补偿方法与流程

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于视觉传感的AFM系统机械漂移补偿方法。

背景技术：

AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)通过检测探针与样品表面原子间作用力进行形貌探测及微纳制造加工，现广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工等纳米相关学科的研究领域中。AFM长时间工作过程中，环境温度变化、机械震动、电磁干扰等因素导致系统存在严重的漂移，引起待测物体形貌图像畸变失真以及位置测量误差。

目前对AFM系统漂移研究研究方向可以分成两个大类：其一是在硬件设计上抑制漂移，其二是从算法上对漂移进行校正。硬件设计上有附加传感器，优化扫描平台和建立双悬臂模型。附加传感器是在原子力系统添加辅助传感器，可用于测量垂直漂移或干扰，优化扫描平台通过提高扫描平台刚度，减小耦合从而减小测量过程中漂移，建立双悬臂模型引入参考探针作为位置参考，以上漂移补偿方法受到AFM系统组成结构的限制。软件算法补偿漂移方面，对于XY方向漂移，使用连续的AFM图像序列进行离线校正，实时跟踪的特征或结构的位置，通过原子跟踪结合前馈控制进行漂移补偿。对于垂直方向的漂移，研究者提出了通过控制环境温度，以减少AFM系统热漂移。以上针对AFM系统漂移的补偿方案均对系统漂移进行了改善，硬件改造的方法成本高且受AFM系统结构限制、软件算法离线校正的等方法不具有实时性，限制了其推广应用。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有AFM系统漂移补偿方法的不足，提出一种新的AFM系统漂移补偿方法，在非接触模式和不改造硬件的条件下，对AFM系统漂移进行实时高精度补偿。

本发明的技术解决方案为：提供了一种基于视觉传感的AFM系统机械漂移补偿方法，其特征在于，所述视觉传感部分包括一个AFM悬臂末端微球和一个样品表面微球，通过视觉传感技术对AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间距离的测量，计算AFM系统的漂移量，包括以下步骤：

步骤一、基于视觉传感技术计算AFM悬臂末端微球和样品表面微球位置；

步骤二、根据悬臂末端微球和样品表面微球位置计算两者之间距离变化量，从而得到AFM系统漂移量；

步骤三、根据步骤二计算的漂移量，调节AFM悬臂末端微球所在扫描平台的驱动电压，使AFM悬臂末端微球与样品表面微球之间距离在阈值范围内。

进一步，所述步骤一之前，设定AFM悬臂末端微球与样品表面微球之间距离阈值。

所述步骤二中，计算悬臂末端微球和样品表面微球位置之间距离变化量的是对悬臂末端微球和样品表面微球位置变化量作差，具体为，

d_drift＝d′-d＝d_cant,drift-d_subs,drift

其中，d为AFM系统中AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间初始距离，d′为AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间漂移之后的距离，d_cant,drift为AFM悬臂末端微球漂移量，d_subs,drift为样品表面微球漂移量。

所述的AFM悬臂末端微球漂移量d_cant,drift，其特征在于，d_cant,drift由测量AFM悬臂末端微球位置变化的变化量的得到。

所述的样品表面微球漂移量d_subs,drift，其特征在于，d_subs,drift是样品表面微球位置变化量。

所述步骤三中，通过PID闭环控制，根据漂移量调节AFM悬臂压电平台驱动电压，从而控制AFM悬臂末端微球位置，使悬臂末端微球与样品表面微球之间距离在阈值范围内。

所述的通过视觉传感技术对AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间距离的测量，包括以下步骤：

步骤一、采集一系列已知位置处的微球图像，将每处位置的微球图像提取特征转换为径向矢量，建立关于微球位置信息的微球图像标定模型；

步骤二、采集标定位置范围内的微球图像与步骤一中标定模型比较，得到微球位置。

进一步，所述的步骤一中微球图像提取特征，其特征在于，根据图像中灰度值强度重心确定微球中心位置，将图像视为以中心位置为圆心的一系列圆环，计算每个圆环上灰度值的平均值，一系列圆环上的灰度值平均值按序组合为一个径向矢量。

所述的步骤二，其特征在于，将采集的微球图像转换为径向矢量，与关于位置信息的标定模型比较，根据非线性最小二乘法定位微球位置。

本发明基于视觉传感的AFM系统机械漂移补偿方法，通过基于视觉传感技术测量悬臂末端微球与样品表面微球位置测量AFM系统漂移，在不修改原始AFM系统基础上直接测量AFM悬臂和样品表面之间漂移，可以在扫描过程中实时地解决漂移问题，这种方法可以有效的适应长时间扫描中的漂移校正,具有能适应普通的样品、自动、实时校正等优点。

附图说明

图1为AFM悬臂末端微球与样品表面微球示意图。

图1中，(1)为样品基底玻片，(2)为样品表面微球，(3)为AFM悬臂末端微球，(4)为微悬臂，(5)为压电驱动器，(6)为悬臂支撑片，虚线为漂移后的示意位置。

图2为基于视觉传感定位的AFM系统机械漂移补偿流程图。

图3为微球定位过程流程图。图4为根据微球位置进行漂移补偿流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明方法在不改造AFM系统硬件的条件下，采用视觉传感技术，以非接触方式实 时地测量和补偿AFM系统漂移。基于视觉传感的AFM系统机械漂移补偿方法，其特征在于，所述视觉传感部分包括一个AFM悬臂末端微球和一个样品表面微球，微球是直径为10μm-50μm的微球，通过视觉传感技术对AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间距离的测量，计算AFM系统的漂移量。

所述的基于视觉传感的AFM系统机械漂移补偿方法具体包括以下步骤：

步骤一、基于视觉传感技术计算AFM悬臂末端微球和样品表面微球位置；

步骤二、根据悬臂末端微球和样品表面微球位置计算两者之间距离变化量，从而得到AFM系统漂移量；

步骤三、根据步骤二计算的漂移量，调节AFM悬臂末端微球所在扫描平台的驱动电压，使AFM悬臂末端微球与样品表面微球之间距离在阈值范围内。

进一步，所述步骤一之前，设定AFM悬臂末端微球与样品表面微球之间距离阈值。

所述步骤一中，通过视觉传感技术对AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间距离的测量，包括以下步骤：

步骤一、采集一系列已知位置处的微球图像，将每处位置的微球图像提取特征转换为径向矢量，建立关于微球位置信息的微球图像标定模型；

步骤二、采集标定位置范围内的微球图像与步骤一中标定模型比较，得到微球位置。

所述的微球图像提取特征，其特征在于，根据图像中灰度值强度重心确定微球中心位置，将图像视为以中心位置为圆心的一系列圆环，计算每个圆环上灰度值的平均值，一系列圆环上的灰度值平均值按序组合为一个径向矢量。

所述的采集标定位置范围内的微球图像与标定模型比较，其特征在于，将采集的微球图像转换为径向矢量，与关于位置信息的标定模型比较，根据非线性最小二乘法定位微球位置。

所述步骤二中，计算悬臂末端微球和样品表面微球位置之间距离变化量的是对悬臂末端微球和样品表面微球位置变化量作差，具体为，d_drift＝d′-d＝d_cant,drift-d_subs,drift

其中，d为AFM系统中AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间初始距离，d′为AFM悬臂末端微球和样品表面微球之间漂移之后的距离，d_cant,drift为AFM悬臂末端微球漂移量，d_subs,drift为样品表面微球漂移量。

在常规的AFM系统形貌探测中，由AFM悬臂末端微球探测到的样品形变量理论为，δ_ideal＝d_piezo,drive-d_def

其中，d_piezo,drive为压电驱动器驱动AFM悬臂末端微球位移，d_def为由于样品与探针间相互作用力引起的位移。

由于AFM系统漂移的影响，实际的样品形变量为，

δ_real＝d_piezo,drive+d_cant,drift-d_subs,drift-d_def

其中，样品表面漂移可以根据样品表面微球位置d_bead2测量得到，悬臂漂移d_cant,drift可以通过AFM悬臂末端微球位置d_bead1测量得到，具体为，

d_bead1＝d_piezo,drive+d_cant,drift-d_def

d_cant,drift＝d_bead1-d_piezo,drive+d_def

所述的压电驱动器驱动AFM悬臂末端微球位移d_piezo,drive，以及由于样品与探针间相互作用力引起的位移d_def可以直接从AFM系统中测量。

所述步骤三中，根据测量的微球位置实时地补偿漂移量。通过PID闭环控制，根据漂移量调节AFM悬臂压电平台驱动电压，从而控制AFM悬臂末端微球位置，使悬臂末端微球与样品表面微球之间距离在阈值范围内。