[发明专利]一种欠采样光栅扫描原子力显微镜高速成像的方法及系统

说明书

本发明涉及一种欠采样光栅扫描原子力显微镜高速成像的方法及系统，首先设计欠采样的光栅扫描模式，并以此生成欠采样光栅扫描图案；然后根据生成的欠采样光栅扫描图案来构造相应的测量矩阵；最后根据测量矩阵以及压缩感知理论重构原子力显微镜图像。本发明能够提高原子力显微镜成像的速度。

技术领域

本发明涉及原子力显微镜成像技术领域，特别是一种欠采样光栅扫描原子力显微镜高速成像的方法及系统。

背景技术

原子力显微镜(AFM)在许多研究对象中发挥着越来越重要的作用，因为它能够在液体或空气环境中对纳米尺度的非导电样品和导电样品进行测量。然而，原子力显微镜在扫描成像一幅图像时，它是通过常规的光栅扫描模式进行AFM成像，这通常需要花费大约10分钟或更多的时间来完成。另外，探针尖端与样品接触过多会导致探针磨损和样品损坏。此外，探针尖端与样品的相互作用会导致成像失真。

目前四类可行的方法已应用于AFM实现高速成像。第一种解决方案，对硬件进行升级，如小悬臂、新式执行器和高共振频率的扫描器，可以加速机械部件的移动。但是，复杂的硬件设计和对标准商用AFM的修改将带来额外的成本。第二种解决方案是采用一些新的控制策略，如迭代法、鲁棒控制和前馈与反馈控制相结合。第三种方法是改变扫描路径或采样策略，有许多非光栅扫描模式是为扫描探针显微镜而设计的，例如螺旋扫描和利萨如扫描。第四种方法是将一些先进的技术引入AFM测量中，由于其在实践中的简便性，近年来一直是人们关注的焦点。

目前，高速原子力显微镜是纳米制造仪器领域的迫切需求。高速原子力显微镜能够实现快速的动态成像，可以在极短时间内捕捉到连续的现象，尤其适用于一些生物领域的动态观测和监测，以及纳米制造过程中的实时质量检测。因此，实现原子力显微镜的高速成像是纳米制造仪器领域的迫切需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种欠采样光栅扫描原子力显微镜高速成像的方法及系统，能够提高原子力显微镜成像的速度。

本发明采用以下方案实现：一种欠采样光栅扫描原子力显微镜高速成像的方法，包括以下步骤：

设计欠采样的光栅扫描模式，并以此生成欠采样光栅扫描图案；

根据生成的欠采样光栅扫描图案来构造相应的测量矩阵；

根据测量矩阵以及压缩感知理论重构原子力显微镜图像。

进一步地，所述欠采样的光栅扫描模式具体为：AFM针尖沿第一个采样行从首端向前移动至末端，再移动到下一个采样行的末端，并沿相反方向移动至该采样行的首端，以此形式采样完所有采样行。

进一步地，所述欠采样的光栅扫描模式包括规则形式和随机形式；在规则形式下，所有的采样行都是均匀分布的，采样行中起始点的列数是按顺序排列的；在随机形式下，随机选择采样行和起始点。

进一步地，所述根据生成的欠采样光栅扫描模式来构造相应的测量矩阵具体为：

从N×N的单位矩阵中删除N-M行，生成M行的测量矩阵，使得该测量矩阵中每一行中的1与均与欠采样光栅扫描图案中的已知像素位置相对应，使得测量矩阵每一次测量只得到一个像素值且来自于所述欠采样光栅图案；其中，M为欠采样光栅扫描图案中总的采样点个数。

进一步地，所述根据测量矩阵以及压缩感知理论重构原子力显微镜图像具体包括以下步骤：

步骤S1：将测量过程采用测量矩阵Ф来描述，得到式(1)：

y＝Φx (1)；

式中，y表示原子力显微镜图像的测量值，x表示待重构的原子力显微镜图像列向量；

步骤S2：将向量x采用下式表示：

x＝Ψα (2)；