基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿系统和方法与流程

本发明涉及一种基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿系统和方法，具体来说是通过对微球图像进行图像处理实现样品与探针间的实时漂移测量，根据漂移大小和方向对压电扫描器施加修正信号实现漂移补偿。属于微纳米、机电一体化领域。

背景技术：

随着对微观领域研究的不断深入，微纳测量的精度变得愈发重要。目前常见的高分辨率微纳测量仪器主要包括以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜。原子力显微镜利用分子间作用力实现样品表面的形貌测量。但是由于压电陶瓷的蠕变和迟滞，环境温度变化或外界振动等，原子力显微镜使用过程中存在严重的漂移问题。

针对原子力显微镜存在的漂移问题，目前主要通过优化结构设计和附加传感器的方式来进行补偿。其中，优化结构设计只能在一定程度上减小理论误差，对于压电陶瓷固有属性和外界环境造成的漂移则不能消除。由于原子力显微镜结构复杂，且探针周围操作空间狭小，在原子力显微镜上附加传感器存在较大的安装问题，不利于实际操作。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对目前原子力显微镜漂移补偿方法的不足，提出基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿方法，从而提高原子力显微镜的定位和测量精度。该方法在成像模式和微操作模式下均适用。

为实现上述目的，本发明包括：基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿系统，其特征在于：包括原子力显微镜、位置可调样品平台、光学显微镜、高速相机和两个微球。所述原子力显微镜置于所述位置可调样品平台上；所述位置可调样品平台置于所述光学显微镜粗调平台上；所述位置可调样品平台上放置观测样品；所述高速相机与光学显微镜相连，配合显微镜物镜采集图像；所述两个微球分别位于样品上表面和原子力显微镜的参考探针上。

所述光学显微镜为透射式倒置光学显微镜。在所述光学显微镜中，物镜通过螺纹安装在物镜驱动器上；所述物镜驱动器固定在显微镜物镜安装盘上，通过螺纹紧固连接。

所述显微镜粗调平台和所述位置可调样品平台各具有2个自由度。

基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

调整所述位置可调样品平台的xy方向位置以及所述原子力显微镜工作探针z方向的位置，使所述高速相机能同时捕获所述两个微球的图像；

在原子力显微镜工作时，高速相机不断采集两个微球的图像，经计算机处理后实时计算出微球相对位置以测量探针相对于样品的漂移；

计算机将测量得到的漂移转化为相应的修正信号，通过附加在原子力显微镜的驱动信号上实现漂移的实时补偿；

本发明具有以下优点：

1、本发明采用微球定位技术可实现漂移在三个方向的高精度测量和补偿，无需增加额外设备，整体结构十分简单。

2、本发明不需要对样品做特殊处理，基本不影响样品成像。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

具体实施方式

以下将参照附图对本发明作进一步的描述。

本发明的基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿系统主要包括原子力显微镜1，位置可调样品平台2，光学显微镜3，高速相机4，微球5，微球6，粗调平台7，物镜8，物镜驱动器9，光源10，控制器11，控制器12，控制器13，计算机14，参考探针15，工作探针16，样品17，显微镜镜架18，物镜安装盘19。其中，粗调平台7，物镜8，光源10，显微镜镜架18和物镜安装盘19为光学显微镜1的组成部分。

其中，光源10为系统提供适当强度的光场，安装在显微镜镜架17上。原子力显微镜安装在位置可调样品平台2的基体部分上。位置可调样品平台2通过螺钉固定在粗调平台7上，样品17通过压片固定在位置可调样品平台2上。样品17的基底可为透明的玻璃基底。

原子力显微镜1上安装的探针具有至少2个针尖，其中一个为参考探针15，另一个为工作探针16。参考探针15上粘附微球5，样品17上放置微球6，微球的直径应满足在工作探针16接触样品17时，微球5与样品17不接触。物镜8通过螺纹安装在物镜驱动器9上，物镜驱动器9固定在显微镜物镜安装盘19上，通过螺纹紧固连接。

本发明的基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿方法，实现过程如下：

手动调整显微镜粗调平台7，使得高速相机4能够采集到微球6和微球6的图像。借助物镜驱动器9实现微球校准模型的建立。

控制位置可调样品平台2实现目标样品区域的精确调整。

原子力显微镜1控制工作探针16接近样品表面，为扫描样品或微纳米操作做准备。

高速相机4连续采集图像，计算机14对图像进行计算处理获取两个微球5，6的相对位置，经过换算可得到样品17与工作探针间的漂移。

计算机14将测量得到的漂移转化为相应的修正信号，通过控制器11作用在原子力显微镜1上，从而实现漂移的实时补偿。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于视觉传感的原子力显微镜实时漂移补偿系统和方法。系统包括：原子力显微镜、位置可调样品平台、光学显微镜、高速相机和两个微球。所述原子力显微镜置于所述位置可调样品平台上；所述位置可调样品平台置于所述光学显微镜粗调平台上；所述位置可调样品平台上放置观测样品；所述高速相机与光学显微镜相连，配合显微镜物镜采集图像；所述两个微球分别位于样品上表面和原子力显微镜的参考探针上。方法包括：通过对高速相机采集到的微球图像进行处理，计算获得其相对位置，进而得到样品相对于工作探针的漂移。根据漂移计算修正信号附加到原子力显微镜的驱动信号上，以实现漂移的实时补偿。本发明在不附加设备的情况下即可实现漂移在三个方向的测量补偿。

技术研发人员：王玉亮;廉兆鑫;鲁通达;曾炳霖
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2019.05.15
技术公布日：2019.08.09