高度色差分辨率动态可调的原子力扫描显微镜成像方法

摘要

本发明涉及一种高度色差分辨率动态可调的原子力扫描显微镜成像方法，包括以下步骤：建立原子力扫描显微镜扫描数据与位图图像数据之间的关系模型；在关系模型中引入样品表面预测高度H；根据所建立的关系模型和预测高度H，动态的将原子力扫描显微镜扫描数据转换成不同色差分辨率的色差位图，实现具有动态色差分辨率的样品形貌可视图形化显示。本方法所建的关系模型简单，计算量小，效率高，容易实现，可以在线进行图像高度色差分辨率动态调整。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米观测技术，具体的说是一种高度色差分辨率动 态可调的原子力扫描显微镜成像方法。

背景技术

目前，基于AFM(原子力扫描显微镜)的纳米观测技术在纳米材料观测、 纳米器件制造，纳米科学研究以及纳米加工应用中具有十分重要的作用，已成为 目前纳米科学研究中的一个重要方向。基于AFM的纳米观测原理是，控制悬臂 梁结构探针对样品表面产生接触或非接触状态作用，利用光电传感技术检测这种 状态下探针的受力变形，并反馈给压电陶瓷驱动器，使其随样品表面起伏而上下 移动，根据压电陶瓷的高度数据就可以得到样品的形貌特征，以达到对样品的纳 米级形貌观测。在这个过程当中，非常重要的一个过程是要将扫描驱动器的高度 数据(即扫描数据)转换为可以视觉观测的位图图像数据，从扫描数据转换到位 图图像数据需要一个关系模型。而目前，由扫描数据转换为可以视觉观测的图像 数据的技术方案运算量大，过程较为复杂，实现困难。

发明内容

针对现有技术中存在的原子力扫描显微镜扫描数据转换为可以视 觉观测的图像数据的技术方案运算量大，过程较为复杂等不足之处，本发明 要解决的技术问题是提供一种关系模型简单、计算量小、容易实现的高度 色差分辨率动态可调的原子力扫描显微镜成像方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种高度色差分辨率动态可调的原子力扫描显微镜成像方 法包括以下步骤：

建立原子力扫描显微镜扫描数据与位图图像数据之间的关系模型；

在关系模型中引入样品表面预测高度H；

根据所建立的关系模型和预测高度H，动态的将原子力扫描显微镜扫描 数据转换成不同色差分辨率的色差位图，实现具有动态色差分辨率的样品形貌可 视图形化显示。

所述原子力扫描显微镜扫描数据与位图图像数据之间的关系模型为：

$p(i,j)=m+\frac{(L(i,j)-f(i,j))(c-m)r}{H}$

其中，L(i，j)为原子力扫描显微镜扫描数据中第i行、第j列扫描数据， f(i，j)为对行扫描数据进行最小二乘曲线拟合后的曲线函数，C为位 图调色板最大索引值；r为原子力扫描显微镜扫描驱动器位移分辨率， p(i，j)为扫描数据换算到位图调色板的颜色索引值，即位图图像数据， m为常量。

扫描数据到位图图像数据之间的关系模型建立过程如下：

(1)通过扫描数据变化量与扫描驱动器实际位移的关系得到经消除倾斜偏差 后的扫描数据的实际位移(L(i，j)-f(i，j))r，其中L(i，j)为原子力扫描显微镜 扫描数据中第i行、第j列扫描数据，f(i，j)为对行扫描数据进行最小二乘 曲线拟合后的曲线函数，r为原子力扫描显微镜扫描驱动器位移分辨 率；

(2)通过设定位图调色板索引值差(C-m)所代表的实际高度为样品表面 预测高度H，得到高度色差分辨率(C-m/H)；C为位图调色板最大索引值； m为常量。

(3)通过扫描数据的实际位移(L(i，j)-f(i，j))r及高度色差分辨率 (C-m/H)，得到原子力扫描显微镜扫描数据与位图图像数据之间的关系模 型：

$p(i,j)=m+\frac{(L(i,j)-f(i,j))(c-m)r}{H}$

p(i，j)为扫描数据换算到位图调色板的颜色索引值，即位图图像 数据。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本方法所建的关系模型简单，计算量小，效率高，容易实现，可以在线 进行图像高度色差分辨率动态调整。

附图说明

图1A为在样品预测高度H＝600nm时标准栅格扫描图像；

图1B为图1A中某一行对应的图像数据曲线图；

图2A为在样品预测高度H＝400nm时标准栅格扫描图像；

图2B为图2A中某一行对应的图像数据曲线图；

图3A为在样品预测高度H＝200nm时标准栅格扫描图像；

图3B为图3A中某一行对应的图像数据曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作进一步详细说明。

本发明高度色差分辨率动态可调的原子力扫描显微镜成像方法包 括以下步骤：

建立原子力扫描显微镜扫描数据与位图图像数据之间的关系模型；

在关系模型中引入样品表面预测高度H；

根据所建立的关系模型和预测高度H，动态的将原子力扫描显微镜扫描 数据转换成不同色差分辨率的色差位图，实现具有动态色差分辨率的样品形貌可 视图形化显示。

所述原子力扫描显微镜扫描数据与位图数据之间的关系模型为：

$p(i,j)=m+\frac{(L(i,j)-f(i,j))(c-m)r}{H}$

其中，L(i，j)为原子力扫描显微镜成像数据中第i行、第j列扫描数据， f(i，j)为对行扫描数据进行最小二乘曲线拟合后的曲线函数，C为位 图调色板最大索引值；r为原子力扫描显微镜扫描驱动器位移分辨率， p(i，j)为扫描数据换算到位图调色板的颜色索引值，即位图图像数据， m为常量。

本发明就是建立这样一个模型，解决从扫描驱动器高度数据到位图数据的转 换；另外，原子力扫描显微镜用户在样品扫描成像时，常常需要在感兴趣的 区域把一些细节特征颜色色差放大或者缩小，以便更好的观察样品表面形貌特 征，所以扫描图像需要能够实现高度色差分辨率动态可调。

扫描数据到位图数据的关系模型建立过程如下：

(1)通过扫描数据变化量与扫描驱动器实际位移的关系得到经消除倾斜偏 差后的扫描数据的实际位移(L(i，j)-f(i，j))r，其中L(i，j)为第i行第j列AFM 扫描数据，f(i，j)为对行扫描数据进行最小二乘曲线拟合后的曲线函数 值，r为原子力扫描显微镜扫描驱动器位移分辨率；

(2)通过设定位图调色板索引值差(C-m)所代表的实际高度为样品表面 预测高度H，得到高度色差分辨率(C-m/H)；

(3)通过(1)中得到的扫描驱动器实际位移(L(i，j)-f(i，j))r及(2)中高 度色差分辨率(C-m/H)，得到扫描数据到位图图像数据的关系模型：

$p(i,j)=m+\frac{(L(i,j)-f(i,j))(c-m)r}{H}$

式中m为常量，是使样品基底的颜色为索引值m所代表的颜色。通过调节H 值可以增大或缩小p(i，j)值，以达到实时调节图像高度色差分辨率的 目的。

图1A、图2A和图3A是在样品预测高度H分别为600nm、400nm 及200nm情况下利用上述模型所形成的扫描图像，图1B、图2B及 和图3B是分别对应于扫描图像图1A、图2A和图3A中的图像数据 行曲线图，成像样品为高度100nm的标准栅格。根据高度色差分辨率 公式(C-m/H)可以得出三幅图像高度色差分辨率依次线性增大，从三幅扫描 图像的实际视觉效果中也可以看出，标准栅格高低部分的色差依次增 强；另外，从三幅图像中所选取的参考点A和B的图像数据差分别 为28、42和84，即A和B之间的图像色差依次线性增大，此结果证 明了通过上述模型不但可以实现扫描数据到位图图像数据的转换，而 且用户可以通过调节H值得方法来实时调整图像的高度色差分辨率，从 而最终调节扫描数据的的图像成像色差，实现高度色差分辨率动态可调的样 品形貌可视图形化显示。