Научное приборостроение, 2021, том 31, № 2
научный журнал
Покупка
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Издательство:
Институт аналитического приборостроения РАН
Наименование: Научное приборостроение
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 103
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ISSN 0868–5886 НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2, c. 3–22 ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 3 УДК 681.2.084, 681.5 О. М. Горбенко, М. В. Жуков, С. В. Пичахчи, И. Д. Сапожников, М. Л. Фельштын, А. О. Голубок, 2021 КОМПАКТНАЯ ГОЛОВКА СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА НА ОСНОВЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПЬЕЗОПАКЕТЫ Обсуждаются инструментальные принципы построения компактной измерительной головки сканирующего зондового микроскопа. Для минимизации габаритных размеров используется пьезопакет, позволяющий реализовать в одном узле как функции исполнительного элемента следящей системы СЗМ, так и функции модуля сближения зонда с образцом. Приведена схема управления пьезоинерциальным линейным шаговым движителем, и измерены гистограммы распределения величины шагов. Представлены схемы компактных СЗМ-головок, функционирующих в туннельной и полуконтактной силовой модах с использованием "selfsensing" зондовых датчиков. Для увеличения размеров обзорных СЗМ-изображений реализовано сканирование по нескольким перекрывающимся областям с дальнейшей сшивкой СЗМ-изображений в единый кадр. Обсуждается алгоритм сшивки СЗМ-изображений. Возникающие при выборе кадра сканирования отклонения в направлениях перемещений стола и зонда корректируются в рамках алгоритма сшивки СЗМизображений. Приводятся результаты формирования СЗМ-изображений, полученные с использованием компактной СЗМ-головки и алгоритмов сшивки СЗМ-изображений. Кл. сл.: сканирующий зондовый микроскоп, пьезоинерциальный движитель, self-sensing кантилевер, автоматическая сшивка изображений ВВЕДЕНИЕ Эксперименты по пропусканию туннельного тока через регулируемый вакуумный промежуток [1] стали основой для создания сканирующего туннельного микроскопа [2, 3], изобретатели которого были удостоены Нобелевской премии в области физики в 1986 г. [4]. Сканирующий туннельный микроскоп в свою очередь открыл новое направление, получившее название сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). СЗМ включает в себя микроскопию поверхности высокого, вплоть до атомного, пространственного разрешения, локальную спектроскопию, нанолитографию и манипулирование нанообъектами с использованием острых твердотельных зондов [5, 6]. В основе СЗМ лежит детектирование локального взаимодействия между поверхностью и острым твердотельным зондом, приближенным к поверхности образца на некоторое расстояние ʎ, где ʎ — характерная длина затухания взаимодействия, и прецизионное механическое сканирование зондом относительно неподвижного образца или образцом относительно зонда. При этом для стабилизации величины взаимодействия между зондом и образцом используется следящая система (СС) с отрицательной петлей обратной связи. Природа взаимо действия зонда с поверхностью может быть весьма разнообразной, что определяет различные типы СЗМ-приборов и множество СЗМ-методик, работающих в вакууме, газе и жидкости при различных температурах, включая криогенные. Среди основных типов СЗМ-приборов можно выделить туннельный микроскоп, силовой микроскоп, оптический микроскоп ближнего поля, микроскоп ионных токов, а также комбинации СЗМ с оптическими и электронными микроскопами. Во всех типах СЗМ основными структурными модулями являются: измерительный узел, который также называют измерительной головкой; электронный контроллер и программное обеспечение. Если за 35 лет развития электронный контроллер управления и сбора данных и программное обеспечение СЗМ приобрели достаточно унифицированный вид, то измерительные узлы СЗМ, вследствие большого разнообразия СЗМ-приборов и методик, имеют весьма разнообразный дизайн и продолжают развиваться и видоизменяться. Измерительный узел СЗМ-прибора любого типа должен обеспечивать: 1D прецизионное механическое сближение зонда с образцом для захвата взаимодействия между ними без повреждения образца и главным образом без повреждения зонда; 2D механическое перемещение зонда или образца для выбора места для ис
О. М. ГОРБЕНКО, М. В. ЖУКОВ, С. В. ПИЧАХЧИ и др. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 4 следования на поверхности образца; 3D прецизионное механическое сканирование и, наконец, измерение локального взаимодействия между зондом и образцом. При работе в условиях сверхвысокого вакуума или в криогенной жидкости в конструкциях измерительных узлов должны также предусматриваться манипуляторы, обеспечивающие перезарядку зонда и образца в процессе эксперимента. Как правило, в СЗМ-головках для сближения зонда с образцом, а также для выбора места на поверхности образца используют шаговые двигатели и ручные или моторизованные X-Y столики. Одним из недостатков конструкций на основе шаговых двигателей является нагрев их обмоток, вызывающий температурный дрейф зонда относительно образца и приводящий к искажению результатов измерений. Кроме того, такие конструкции имеют относительно большие габариты, что не всегда согласуется с условиями эксперимента, а также уменьшает собственные механические резонансные частоты конструкции и, как следствие, ослабляет защиту измерительного узла от вибраций, ухудшая стабильность работы СС. Поскольку тепловой дрейф пропорционален длине элементов конструкции, то преимуществом компактных СЗМ-головок является и уменьшение теплового дрейфа. В основе компактных СЗМ-головок лежит ис пользование пьезоинерциальных позиционеров [7, 8], обеспечивающих совмещение плавного сканирования в небольшом пространственном диапазоне с дискретным прецизионным пошаговым перемещением на относительно большие расстояния. В последние годы активно развиваются электромеханические системы прецизионного позиционирования на основе пьезоактюаторов. По сравнению с электромагнитными системами они имеют более высокое быстродействие, меньшие габариты и выделяют меньше тепла, что принципиально при их использовании в СЗМ-головках. Вообще говоря, с энергетической точки зрения, для оптимальной работы пьезоактюатора в системе механического позиционирования необходимо, чтобы в пьезоактюаторе была запасена электростатическая энергия, достаточная для совершения механической работы по перемещению некоторой массы: 2 0 ( ) ( )d , 2 t CU F t v t t (1) где C — электрическая емкость пьезоактюатора, U — напряжение на пьезоактюаторе, F(t) — сила, действующая на перемещаемую массу, v(t) — скорость перемещения, t — время перемещения. Пьезоактюаторы, изготовленные из стандарт ных пьезопластин или пьезотрубок с толщиной ~ 1 мм и площадью электродов ~ 1 см2, обладают емкостью ~ 1 нФ. В последние годы стали доступными пьезоактюаторы на основе пьезопакетов, представляющих собой тонкие плоские пьезокерамические слои с металлическими пленочными электродами, соединенными параллельно. Емкость такого пьезопакета определяется суммарной емкостью всех его тонких слоев и достигает величины ~ 1 мкФ, при этом пьезопакет имеет достаточно компактные габариты, а запасенной в нем энергии электрического поля достаточно для надежного функционирования систем механического позиционирования. В описанных ниже СЗМ- головках мы использовали пьезопакеты компании PI в виде параллелепипеда с размерами 5×5×9 мм. СЗМ-ГОЛОВКА С СОВМЕЩЕНИЕМ ФУНКЦИЙ СБЛИЖЕНИЯ ЗОНДА И ОБРАЗЦА И ФУНКЦИЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ Ниже описан подход, обеспечивающий созда ние компактных измерительных СЗМ-узлов без использования стандартных шаговых двигателей и габаритных моторизованных X-Y столиков. На рис. 1, а, представлена схема компактной измерительной СЗМ-головки на основе пьезопакета. Пьезопакет 1 с направляющим стержнем 2 прикреплен к неподвижному основанию 7. По направляющему стержню 2 перемещается каретка 3 со сканером 4, на которой закреплен зондовый датчик 5. Сканирование зондом в плоскости X, Y осуществляется с помощью пьезотрубки с двумя парами электродов на внешней поверхности и общим внутренним электродом. Площадь сканирования составляет (30 × 30) мкм2 при максимальном напряжении 250 В. Каретка 3 прижата к стержню 2 с возможностью регулировки силы прижатия (прижим на схеме не показан). Пьезопакет предназначен как для работы в качестве исполнительного элемента СС, плавно перемещающего зонд вдоль координаты Z, так и для пошагового перемещения каретки 3 вдоль стержня 2 при сближении зонда с образцом в процессе захвата взаимодействия между ними. Если сила инерции, возникающая в момент начала сжатия (растяжения) пьезопакета и действующая на массу каретки 3 с учетом массы сканера 4 и зондового датчика 5, меньше, чем сила трения в паре трения "стержень—каретка", то каретка перемещается по координате Z вместе со стержнем. В нашем случае диапазон плавного перемещения пьезопакета по координате Z при работе в качестве исполнительного элемента следящей системы составляет ~ (0–7) мкм при управляющем
КОМПАКТНАЯ ГОЛОВКА СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 5 Рис. 1. Схема компактной СЗМ-головки (а); внешний вид такой головки, установленной в качестве СЗМобъектива на турель оптического микроскопа (б); схема компактной СЗМ-головки с 2D пьезоинерциальным столиком (в). 1 — пьезопакет, 2 — направляющий стержень, 3 — каретка, 4 — пьезотрубка (пьезосканер), 5 — зондовый датчик, 6 — образец, 7 — основание, 8 — двухкоординатный пьезоинерциальный X,Y столик, 9 — плоские пружины, у — усилитель сигнала зондового датчика, ВВУ — высоковольтный усилитель сигнала управления пьезопакетом, ОС — обратная связь с ПИД-регулятором напряжении 0–120 В. Если же сила инерции превышает силу трения, то каретка проскальзывает по направляющему стержню в сторону, обратную его смещению. Многократно повторяя процесс резкого сжатия и плавного растяжения (или плавного растяжения и резкого сжатия) пьезопакета, можно осуществить пошаговое перемещение каретки на расстояние, определяемое длиной направляющего стержня, с шагами, величина которых будет зависеть от параметров импульсов электрического напряжения, прикладываемых к пьезопакету, и состояния трущихся поверхностей в паре "стержень— каретка". Для уменьшения внешних габаритов СЗМ-головки мы отказались от оптической схемы измерения отклонения кантилевера, обычно используемой при работе в силовом режиме. В приведенной на рис. 1, б, компактной СЗМ головке в качестве датчика силового взаимодействия, работающего в полуконтактной силовой моде, мы используем "self-sensing" Siкантилевер [9] или универсальный пьезо резонансный датчик на основе пьезокерамической трубки с W-иглой [10, 11], который может работать и в СТМ моде. Зондовый датчик 5 крепится к трубчатому сканеру 4 при помощи миниатюрного магнита и соединен легким шлейфом с усилителем сигнала. Следует отметить, что поведение "self-sensing" кантилевера при измерениях на воздухе отличается от поведения стандартных кантилеверов с оптической схемой детектирования их прогиба при взаимодействии с поверхностью образца. Поскольку на поверхности "self-sensing" кантилевера расположены пьезорезистивный датчик изгиба и резистор, обеспечивающий импульсный нагрев Si-балки для возбуждения ее резонансных колебаний, то площадь балки "selfsensing" кантилевера примерно на порядок превышает площадь балки стандартного кантилевера. В результате на кривой подвода уже на расстоянии ~ 300 мкм от поверхности образца появляется наклон, обусловленный давлением отраженного воздушного потока, возбуждаемого колебаниями Si-балки на резонансной частоте. Иными словами, появляется "ложный сигнал" от прогиба кантилевера, вызванный не его взаимодействием с поверхностью образца, а давлением на него воздушного потока, отраженного от поверхности образца. Это приводит к сокращению рабочего участка на кривой подвода в полуконтактном силовом режиме (участка резкого подавления амплитуды колебаний кантилевера при сближении с образцом) и требует установки необычно большого (по сравнению со стандартным кантилевером) опорного сигнала для СС. При этом для захвата реального взаимодействия с поверхностью образца необходимо устанавливать достаточно большую величину подавления резонансных колебаний. Увеличение угла между плоскостью образца и плоскостью кантилевера приводит к расширению рабочего участка на кривой подвода, поскольку уменьшается доля отраженного воздушного а б в
О. М. ГОРБЕНКО, М. В. ЖУКОВ, С. В. ПИЧАХЧИ и др. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 6 потока, попадающего на плоскость кантилевера. Этот эффект, как и ожидалось, пропадает при измерениях в вакууме. Как показали измерения зависимости ширины рабочего участка на кривой подвода от угла между плоскостью образца и плоскостью кантилевера, угол наклона должен составлять не менее 30°. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОИНЕРЦИАЛЬНЫМ ЛИНЕЙНЫМ ПОЗИЦИОНЕРОМ На рис. 2 дана схема подключения пьезопакета для шагового режима перемещения каретки. При разомкнутом ключе K пьезопакет заряжается через сопротивление R за время 3τзар = R∙C = 18 мс до напряжения на обкладках конденсатора U0, растягиваясь или сжимаясь, в зависимости от знака напряжения. При замыкании ключа K емкость пьезопакета разряжается до нуля через сопротивление r за значительно более короткое время 3τраз = r∙C = 18 мкс. Для реализации пошагового режима перемещения время нахождения ключа в замкнутом состоянии t1 должно быть больше времени разрядки емкости пьезопакета t1 > τраз, а время нахождения ключа в разомкнутом состоянии t2 должно быть меньше времени зарядки, но больше времени разрядки τзар > t2 > τраз. В таком случае, как показано на рис. 2, б, при периодическом замыкании и размыкании ключа к пьезопакету будут прикладываться асимметричные периодически повторяющиеся импульсы с медленным почти линейным передним фронтом (зарядка конденсатора С) и экспоненциально резким задним фронтом (разрядка конденсатора С). Видно, что амплитуды Uзар этих импульсов будут определяться скважностью 1 2 2 t t t управляю щих импульсов. Очевидно, что в момент начала разрядки емкости (острые вершины импульсов на рис. 2) на каретку действует максимальная сила инерции, величина которой определяется временем разряда емкости τраз, амплитудой импульса Uзар и массой каретки с учетом массы пьезотрубки и массы зондового датчика. Если сила инерции превысит силу трения в трущейся паре "направляющий стержень—каретка", то каретка начнет перемещаться по поверхности направляющего стержня в сторону, обратную перемещению направляющего стержня. В качестве ключа можно использовать транзи стор в закрытом (ключ разомкнут) и открытом (ключ замкнут) состояниях. Реверс перемещения в данной схеме управления осуществляется сменой полярности напряжения U0, прикладываемого к пьезопакету. ТРЕБОВАНИЯ К ПОВЕРХНОСТИ ПАРЫ ТРЕНИЯ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ШАГОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Для устойчивой работы такого 1D пьезоинер циального движителя мы используем пару трения "плоскость—плоскость". Особенностью такой пары трения является усреднение давления по всей поверхности соприкосновения, что приводит к более равномерному перемещению. Эксперимент показал, что для реализации наноразмерных перемещений пара "плоскость—плоскость" предпочтительнее чем пара "шарик—плоскость", т.к. давление, возникающее при малой площади соприкосновения, быстро разрушает плоскую поверхность, создавая микроцарапины и ухудшая стабильность перемещения. При этом для исключения прилипания пар трения и улучшения воспроизводимости величины шагов перемещения трущиеся поверхности на микро- и наноуровне должны иметь зернистую структуру, получившую название "апельсиновая корка" (рис. 3). В этом случае продукты трения заполняют углубления, имеющиеся на поверхности (см. рис. 3). Также для минимизации одиночного шага пере Рис. 2. Схема управления пьезопакетом линейного шагового инерциального движителя. a — принципиальная схема управления пьезопакетом: емкость пьезопакета С = 600 нФ, R = 10 кОм, r = 10 Ом, U0 = 40 В; б — управляющие импульсы а б
КОМПАКТНАЯ ГОЛОВКА СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 7 мещения необходимо подобрать материалы для пар трения и силу прижима так, чтобы трение покоя было близко к трению скольжения. В противном случае после срыва из состояния покоя движущаяся масса будет проходить значительное расстояние по инерции до полного торможения. ИЗМЕРЕНИЕ ГИСТОГРАММЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ШАГОВ ЛИНЕЙНОГО ПЬЕЗОИНЕРЦИАЛЬНОГО ШАГОВОГО ДВИЖИТЕЛЯ Поскольку позиционер на основе пьезопакета может работать как в качестве линейного шагового двигателя, так и в качестве плавного сканера, его можно использовать как для грубого приближения зонда к образцу, так и для стабилизации взаимодействия между зондом и образцом в режиме постоянной силы или постоянного тока при включенной петле обратной связи. Поэтому, разрывая и замыкая петлю обратной связи между n-м и (n + 1)-м шагами каретки 3 и измеряя напряжение на пьезопакете при включенной петле обратной связи, можно определить размер шага ΔZn из (2): 1 , n n n Z k U U (2) где k — коэффициент усиления ВВУ (рис. 1, а), α — чувствительность пьезопакета, Un — напряжение на выходе ПИД-регулятора при замкнутой петле обратной связи до ее разрыва, Un+1 — напряжение на выходе ПИД-регулятора после сдвига каретки и замыкания петли обратной связи. Алгоритм измерения перемещения каретки и гистограммы распределения шагов представлен на рис. 4. Рис. 3. Структура поверхности пары трения, изображение получено в оптическом микроскопе. Вставка а — увеличенное оптическое изображение; вставка б — изображение, полученное в сканирующем силовом микроскопе Рис. 4. Алгоритм измерения перемещения каретки и гистограммы распределения величины шагов линейного инерциального пьезодвижителя б
О. М. ГОРБЕНКО, М. В. ЖУКОВ, С. В. ПИЧАХЧИ и др. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 8 Рис. 5. Графики пошагового перемещения инерциального движителя по и против силы тяжести вдоль направляющего стержня (a, г) и гистограммы распределения шагов (б, в, д, е) при разных амплитудах управляющих импульсов Uзар. a, б, в — амплитуда управляющего импульса Uзар = 3 В; г, д, е — Uзар = 30 В На рис. 5 представлены графики перемещения каретки инерциального движителя при разных направлениях перемещения и разных амплитудах управляющего напряжения Uзар. Поскольку направляющий стержень расположен вертикально, то из-за действия силы тяжести величина шага вверх меньше, чем величина шага вниз (см. рис. 5). Как видно из рис. 5, при напряжении на пьезо пакете Uзар = 3 В и движении вверх ~ 80% шагов пьезодвижителя попадает в диапазон 9–12 нм при полном диапазоне 4–18 нм, а при движении вниз ~ 90% шагов попадает в диапазон 20–25 нм при полном диапазоне 20–30 нм. При напряжении на пьезопакете Uзар = 30 В и движении вверх ~ 65% шагов попадает в диапазон 360–390 нм при полном диапазоне 350–430 нм, а при движении вниз ~ 65% шагов попадает в диапазон 400– 470 нм при полном диапазоне 400–580 нм. Наблюдаемый разброс в величине шагов мы связываем с топографией поверхности пары трения и имеющимися на поверхности микро-
КОМПАКТНАЯ ГОЛОВКА СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 9 и наноразмерными загрязнениями и продуктами трения, что проявляется в зависимости силы трения от положения каретки на направляющем стержне. Диапазон перемещения каретки определяется в нашей схеме длиной направляющего стержня и составляет 5 мм по оси Z и 10 мм по осям X, Y. СЗМ-ГОЛОВКА С АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ВЫБОРОМ ОБЛАСТИ СКАНИРОВАНИЯ На рис. 1, в, представлена схема компактной СЗМ головки с 2D пьезоинерциальным столиком для выбора начальной точки сканирования на поверхности образца. В отличие от схемы рис. 1, а, в этом случае каретка 3 несет сканер 4, осуществляющий перемещение образца 6 по координатам X, Y, а зондовый датчик 5 установлен на двухкоординатном пьезоинерциальном столике 8, в котором оба направляющих стержня расположены горизонтально (стержень, работающий вдоль оси Y, развернут на 90° и не виден на рисунке). Поскольку пьезодвижитель, работающий по оси X, несет на себе такой же механизм, что и работающий по оси Y, то при таком консольном креплении стержня возможно разрушение пьезопакета при большой нагрузке на каретку. Для предохранения от излома направляющий стержень зафиксирован с обоих торцов гибкими пластинами 9, которые имеют большую жесткость в вертикальном направлении, но могут изгибаться при возвратно-поступательном движении направляющего стержня. Благодаря двухкоординатному пьезоинерциальному столику (далее пьезостол) появляется возможность автоматизированным образом перемещать точку начала сканирования, тем самым осуществить сканирование по сетке с перекрытием кадров и увеличить область визуализации поверхности образца, что важно для получения обзорных СЗМ-изображений. Для получения обзорных СЗМ-изображений при сканировании по сетке разработан специальный алгоритм — алгоритм сшивки изображений. Для корректного выполнения сканирования по сетке необходимо отъюстировать пьезостол, т.е. минимизировать влияние углов рассогласования направлений его осей Х и Y с направлениями соответствующих осей сканирования пьезо сканера, для чего необходимо определить угол рассогласования осей и вычислить физическую величину шага пьезостола в направлениях Х и Y. При этом величина шагов инерциального пьезостола по обоим направлениям определяется путем измерения расстояния между точками начала сканирования на СЗМ-изображениях двух сшитых кадров, полученных с помощью пьезосканера, чувствительность которого заранее известна. Юстировка выполняется автоматически, при помощи алгоритма автоматической сшивки изображений, описанного ниже. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СШИВКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ Перед началом получения обзорного СЗМ изображения выбираются форма и размер поля сканирования, а также количество строк и столбцов в сетке сканирования. Величина перекрытия кадров сетки сканирования может корректироваться. Эксперимент показал, что устойчивая работа алгоритма для образцов с разной структурой поверхности имеет место при перекрытиях ~ 20%. На рис. 6, а, приведен пример схемы сканирования образца перекрывающимися областями, которые составляют сетку размером 2 × 3 кадра. Стрелками указано направление перемещения к следующей области сканирования при помощи пьезостола. Так как величины перемещений, выполненных при помощи пьезостола, имеют погрешность, точные координаты положения всех кадров в сетке относительно первого кадра не известны. Рис. 6. Схема сканирования для получения обзорного СЗМ-изображения с большой площадью. а — схема сканирования по сетке размером 2 × 3, б — область вычисления корреляционной функции (отмечена пунктиром) для кадра № 2 а б
О. М. ГОРБЕНКО, М. В. ЖУКОВ, С. В. ПИЧАХЧИ и др. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 10 Однако, зная чувствительность пьезосканера 4 (рис. 1, в) и сшивая изображения перекры вающихся СЗМ-кадров (рис. 6), можно определить координаты положения всех кадров в сетке относительно первого кадра. Для этого разработан специальный алгоритм сшивки нескольких изображений. Алгоритм автоматической сшивки изображений состоит из блоков предварительной обработки, определения относительных координат кадров в результирующем изображении (собственно, сшивки) и постобработки. Схема алгоритма приведена на рис. 7. Предварительная обработка заключается в уда лении из изображения артефактов, типичных для измерений, проводимых при помощи пьезосканера, — удалении поверхности первого или второго порядка. В основном блоке алгоритма выполняется конвейерная обработка цепочки изображений. Цепочка изображений составлена в том порядке, в котором выполнялось их сканирование. К каждому изображению применяются функции сглаживания, эквализации гистограммы и выделения краев при помощи оператора Лапласа. Изображения рассматриваются попарно, каждое следующее изображение в цепочке "пришивается" к предыдущему. Для этого в изображении выбирается фрагмент, который в соответствии с направлением движения по сетке кадров и с заданной областью перекрытия соседних кадров должен также быть и в предыдущем изображении (рис. 6, б). Далее выполняется вычисление перекрестной корреляции выбранного фрагмента с заданной областью предшествующего изображения (область, для которой вычисляется корреляционная функция на примере кадра № 2, показана на рис. 6, б). Вычисление перекрестной корреляции выполняется в частотной области при помощи алгоритма БПФ. Взаимное положение изображений определяется точкой, в которой достигается максимум корреляции. Таким образом вычисляются относительные координаты всех кадров в цепочке, которые затем пересчитываются в координаты относительно начальной точки (точка О на рис. 6, а). Рис. 7. Схема работы алгоритма сшивки изображений Результат — кадр по большой площади i N 1
КОМПАКТНАЯ ГОЛОВКА СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 11 Количественной характеристикой качества совмещения двух кадров служит нормированная величина максимума функции перекрестной корреляции Ki, где i — номер кадра в цепочке, Ki = (maxi – mini) / (meani – mini). (3) Для характеристики качества сшивки всех кадров вычисляется сумма величин Ki . S i i K K (4) Для того чтобы алгоритм сшивки был достаточно универсален и работал для широкого класса изображений, предлагается выполнять конвейерную обработку цепочки изображений несколько раз, изменяя пиксельный размер (масштаб) обрабатываемых изображений и каждый раз вычисляя величину Ks. Представление изображения в серии фиксированных размеров позволяет выявлять в процессе оконтуривания при каждом масштабе различные признаки — от мелких при максимальном масштабе до самых крупных при минимальном масштабе. Лучшая корреляция будет достигнута на том масштабе, на котором проявились наиболее значимые, повторяющиеся в соседних областях признаки. Сшивка, соответствующая максимальной величине Ks, считается наилучшей. После выбора наилучшей сшивки выполняется следующий этап обработки — улучшение качества результи рующего изображения (постобработка). На этапе постобработки выполняется выравнивание средних значений высоты рельефа в областях перекрытия изображений и усреднение значений на границах соседних изображений в сшивке. В том случае, если результат автоматической сшивки неудовлетворителен, имеется возможность совместить сканы вручную. Для этого в программе управления прибором реализован интерфейс, позволяющий при помощи мыши перемещать и сопоставлять полученные изображения, чтобы установить их взаимное расположение и построить изображение большой площади, объединяющее все кадры сетки. ЮСТИРОВКА ДВУХКООРДИНАТОГО ПЬЕЗОИНЕРЦИАЛЬНОГО СТОЛИКА Сканирование образца в описываемом приборе осуществляется вдоль осей (X, Y) при помощи пьезотрубчатого 2D-сканера (4 на рис. 1, в) в системе координат, связанной со сканером, а перемещение к следующей области сканирования — вдоль осей (X, Y) в системе координат, связанной с 2D-пьезостолом (8 на рис. 1, в). Пьезосканер и пьезостол являются независимыми конструктивными элементами с неизбежными погрешностями в изготовлении, и поэтому связанные с ними системы координат повернуты на некоторый угол рассогласования α ≠ 0. Для того чтобы обеспечить корректный переход в заданную начальную точку следующего кадра в сетке, необходимо провести юстировку пьезостола. Рис. 8. Определение параметров юстировки пьезостола. Образец — зернистая поверхность стали. Показан угол рассогласования ɑ между направлением сканирования пьезотрубки 1 и направлением перемещения пьезоинерциального столика 2. Измерительная мода — силовая полуконтактная, зондовый датчик — пьезотрубка с W-иглой
О. М. ГОРБЕНКО, М. В. ЖУКОВ, С. В. ПИЧАХЧИ и др. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 2 12 Для выполнения юстировки необходимо в пер вую очередь провести сканирование по сетке и, приняв угол рассогласования α = 0, применить к полученным кадрам алгоритм автоматической сшивки изображений. После этого, исходя из полученного СЗМ-изображения, вычисляются действительный угол рассогласования α, размер шага вдоль двух осей пьезостола и рассчитывается количество шагов пьезостола, необходимое для компенсации угла рассогласования. Юстировка 2D пьезостола заключается в том, что при перемещении стола по одной из осей осуществляется также корректирующее перемещение вдоль второй оси, компенсирующее угол рассогласования α. На рис. 8 приведена схема расчета параметров юстировки пьезостола на примере двух перекрывающихся СЗМ-изображений. Правое изображение получено после перемещения пьезостола вдоль одного из направлений на заданное количество шагов N. Видно, что между направлением сканирования (1) и направлением перемещения пьезостола (2) существует угол рассогласования α ≠ 0. Расстояние S (нм), на которое переместился зонд, и угол рассогласования α определяются в результате сшивки изображений (рис. 8), при этом размер шага пьезостола вдоль выбранной оси вычисляется по формуле (5), угол α определяется выражением (6): Step , x S N (5) arctg . AB OA (6) Аналогично определяется размер шага Stepy пьезостола вдоль другой оси. В каждом новом сканировании по сетке кадров выполняется расчет количества шагов (Nx, Ny), которые пьезостол должен выполнить, чтобы при переходе к следующему кадру зонд сместился на заданное расстояние L в системе координат пьезосканера. Расчет производится по заранее определенным размерам шагов пьезостола вдоль двух осей и углов рассогласования α, с использованием стандартных формул перехода из одной системы координат в другую: cos round , Step x x S N (7) sin , Step y y S N (8) где Stepx и Stepy — величины шагов пьезостола, round — операция округления. Аналогичным способом выполняется юсти ровка пьезостола во втором направлении. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ На рис. 9, 10 представлены СЗМ-изображения, полученные с использованием компактных СЗМголовок. Рис. 9. Примеры изображений, полученные с помощью компактной СЗМголовки. а — изображение фрагмента дифракционной решетки на Si с Au покрытием, полученное в СТМ-моде, зонд — вольфрамовая игла, Vt = 1 V, It = 0.5 nA; б — изображение молекулы ДНК на поверхности слюды, полученное в полуконтактной силовой моде, зондовый датчик — "self-sensing" Si-кантилевер а б