CN110146898B - 一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，属于信息技术领域。该方法基于探针测距装置实现，该测距装置包括激光器，可见光源，显微镜，探针，样品，样品位移台，运动控制系统及分析处理系统。所述方法具体包括：S1：将样品放置在样品位移台上；S2：可见光照射在探针针尖上，通过显微镜结合探测器实时获取针尖附近的场景，并传输到分析处理系统进行图像处理及特征提取，得到探针‑样品在图像尺度上的间距S；S3：通过图像尺度上的间距S与实际间距的关系式，计算得到探针‑样品的实际距离d。本发明通过拍摄图像和分析图像，准确得到探针与样品间距并通过控制系统调节其间距，最终实现探针运动轨迹监测与控制。

Description

一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法。

背景技术

据瑞利判据，传统的远场成像系统受衍射极限的限制，成像的最高空间分辨率只能达到波长的二分之一左右。利用近场扫描成像技术，成像空间分辨率可突破衍射极限，可以达到亚波长尺度。如今，扫描近场光学显微镜已广泛应用于功能器件探测、生物组织成像、表面化学分析、材料分子探测、纳米器件分析等重要领域。对于扫描近场光学显微镜而言，探针是一个核心部件，对它相对于样品的位置的监测及控制，不但可以保证成像的效果，还可以避免探针与样品撞击导致的探针或样品损坏。目前，虽然有采用基于原子力显微镜的探针-样品作用力反馈机制或基于音叉探测探针与样品剪切力的反馈机制，但是这些方法不适用于探针不振动的扫面系统或探针不能与样品接触的扫描系统；利用三维位移平台虽然可以很好地监测和控制探针相对于样品的x,y位置，但是无法实时和准确地监测和控制探针与样品表面的距离(z位置)，为扫描成像造成了巨大困难；因而，需要发展其他检测和控制探针运动的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，用于准确测量探针与样品间距(z方向)，结合由扫描控制系统自动得到的探针相对于样品的x,y坐标，可以通过图像分析系统和扫描控制系统实现对探针运动轨迹(x,y,z位置)的实时监测和控制。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，具体包括以下步骤：

S1：将样品(7)放置在样品位移台(8)上；

S2：打开可见光源(4)照明探针(5)和样品(7)；

S3：打开激光器(6)将激光照射到探针(5)末端和样品(7)表面；

S4：通过显微镜(3)结合探测器(2)实时获取探针(5)末端附近的场景图像；

S5：将图像传输到分析处理系统(1)进行图像处理及特征提取，得到探针-样品在图像尺度上的间距S；

S6：通过图像尺度上的间距S与实际间距的关系式，计算得到探针-样品的实际距离d，并将其定为z方向上探针相对于样品的位置；

S7：通过运动控制系统(9)控制样品位移台(8)或探针(5)运动，获得探针相对于样品在x和y方向的位置参数a和b；

S8：通过分析处理系统(1)和运动控制系统(9)，根据得到a、b、d或调节a、b、d实现对探针运动轨迹的监测和控制。

进一步，所述步骤S3中，利用一束激光照射探针末端和样品表面，激光斑一部分照射在探针末端，一部分照射在探针下方样品表面。利用此方法，与周围环境相比，探针末端与探针下方样品表面会比较亮，便于从拍摄的图像中分析探针与样品表面距离。

进一步，所述步骤S5中，图像处理包括：对所有拍摄图像进行伪彩色处理、阈值二值化、腐蚀及膨胀。

进一步，所述步骤S5中，特征提取包括：提取图像边缘并计算边缘区域的边界距离。

进一步，所述步骤S6具体包括：通过运动控制系统(9)准确控制三维样品台(8)沿z方向位移L时，测得光电导探针-样品在图像上间距变化ΔS；已知探针-样品的实际间距d与图像上测得间距S的关系为d＝S·sinα，其中α为显微镜(3)与样品位移台(8)水平方向夹角，0＜α＜360°；

(1)对于光滑表面的样品，图像与实际的比例尺k₁＝ΔS·sinα/L，计算得到探针-样品的实际间距d＝k₁·S；

(2)对于粗糙表面的样品，图像与实际的比例尺k₂＝ΔS/L，计算得到探针-样品的实际间距d＝k₂·S。

进一步，适用于所述探针轨迹监测及控制方法的装置包括激光器(6)、可见光源(4)、显微镜(3)、探测器(2)、探针(5)、样品位移台(8)、运动控制系统(9)以及分析处理系统(1)；

所述激光器(6)用于辐射出探测激光；所述样品位移台(8)水平放置，用于盛放样品(7)，并控制样品在各方向的运动；所述运动控制系统(9)用于准确控制样品位移台(8)或者探针(5)在x,y,z方向的运动，或用于分别控制探针或样品位移台在某一或某些空间方位的运动。

本发明的有益效果在于：本发明在进行样品扫描过程中，可实时获得并调整探针与样品的间距，能够准确测量探针与样品间距，并可通过运动控制系统自动调节其间距；结合由运动控制系统所已知的探针相对于样品的x,y位置，可以通过分析处理系统和运动控制系统实现对探针运动轨迹的监测和控制。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为探针测距装置示意图；

图2为光滑表面样品的测距原理示意图；

图3为粗糙表面样品的测距原理示意图；

附图标记为：1-分析处理系统，2-探测器，3-显微镜，4-可见光源，5-探针，6-激光器，7-样品，8-样品位移台，9-运动控制系统，10-光滑表面的样品，11-粗糙表面的样品，12-探针的镜像。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。本优选实例是一种基于光电导微探针的、样品扫描模式的太赫兹近场成像系统。

如图1～3所示，本发明所述的一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，实现装置包括激光器6、可见光源4、可见光显微镜3、探针5(本实施例采用光电导微)、样品7、样品位移台8、运动控制系统9和分析处理系统1(本实施例选用计算机)。激光器用于辐射出探测激光；样品位移台水平放置，用于盛放样品并控制样品在各方向的运动；运动控制系统可以准确控制样品位移台在Z方向的运动步进；

本实施例显微镜采用可见光显微镜，以与样品位移台水平方向呈α(0＜α＜90°)角度放置，显微镜上配有彩色CCD摄像头，其工作在RGB模式下，向分析处理系统发送实时图像。

在样品测试实验中，由激光器辐射出的探测激光照射到针尖附近，通过CCD摄像头获取针尖附近的场景，然后将获取的图像通过分析处理系统进行图像处理(伪彩色处理、阈值二值化、腐蚀及膨胀等)及特征提取(图像边缘提取并计算边界区域的最短距离)等方式，可以得到光电导微探针-样品在图像尺度上的间距S，而图像间距与实际间距存在一定的换算关系，即通过他们之间的比例尺，可以间接的得到光电导微探针-样品的实际间距d。

首先，通过运动控制系统准确控制样品位移台沿Z方向位移L时测得光电导探针-样品在图像上间距变化ΔS；

(1)对于表面光滑的样品，探针会通过样品表面产生镜像，激光照射到针尖处，在镜像上也可以观察到激光斑点；因此，在CCD采集到的图像上可以观察到激光斑点同时在针尖以及镜像上；根据光学成像原理，光电导微探针-样品的实际间距d与图像上测得间距S的关系为d＝S·sinα，从而确定图像与实际的比例尺k₁＝ΔS·sinα/L，得到光电导微探针-样品的实际间距d＝k₁·S。

(2)对于表面粗糙的样品，无法形成镜像，但由于太赫兹近场成像系统采用的探测激光光束直径约为30μm，其中约10μm照射到光电导微探针上，当样品距离针尖在10μm附近时，未照射在光电导微探针的激光会照射到样品上并被漫反射到其他方向，从而被光学显微镜上的CCD探测到。因此，在采集到的图像上观察到激光斑点在针尖以及样品上，从而确定图像与实际的比例尺k₂＝ΔS/L，得到光电导微探针-样品的实际间距d＝k₂·S。

(1)测量光电导微探针与样品间距

步骤一：图像采集与处理

将仪器设备调整完毕后，运行太赫兹近场扫描系统，控制运动控制系统将样品往光电导微探针末端方向(z方向)移动(本系统所有样品移动操作，都必须以样品不接触探针为原则)，在CCD反馈的图像上看见针尖的镜像或者样品上的激光斑点后，选择微米级的步进移动少量，然后在分析处理系统上采集CCD传输的彩色图像，对采集的图像做图像处理及特征提取等方式得到探针-样品在图像上的间距S₁。

步骤二：测得图像与实际的比例尺k

控制运动控制系统将样品移动确定的位移L，采集图像并做图像处理及特征提取，得到间距S₂，计算两次图像间距变化△S＝|S₂-S₁|；根据原图像是否产生镜像，计算图像与实际的比例尺k；对于具有表面光滑的样品，由于镜面反射的作用，在采集到的图像上观察到激光斑点在针尖以及镜像上，因此，其比例尺k₁＝ΔS·sinα/L；对于具有粗糙表面的样品，由于样品漫反射的作用，在采集到的图像上观察到激光斑点在针尖以及样品上，因此，其比例尺k₂＝ΔS/L。

步骤三：测距定位

在样品近场测试时，控制电动控制盒将样品移动到测试的位置，然后采集图像并做图像处理及特征提取等方式得到光电导微探针-样品在图像上的间距S；则光电导微探针-样品的实际间距为d＝k·S。

实施例2：自动调节测量光电导微探针与样品间距

步骤一：图像采集与比例尺测定

同实施例1中步骤一、二，测得比例尺k(其中，对于具有光滑表面的样品，其图像与实际比例尺为k₁，对于具有粗糙表面的样品，其图像与实际比例尺为k₂)。

步骤二：自动调整间距系统

预设探针-样品间距安全值d₀，在样品扫描测试过程中，通过分析处理系统实时提取图像上间距S，根据相应比例尺计算出其实际间距d，比较d与d₀的大小关系，并传递给系统控制中心，再通过控制中心与样品位移台间通信调节样品在Z方向的移动。因此，在太赫兹近场扫描测试过程中，通过分析处理系统与样品位移台的实时反馈调节，可以使探针到样品的间距保持在一固定范围内，以达到安全、自动扫描样品的目的。

步骤三：探针运动轨迹监测及控制

由于在操作过程中，通过位移台运动控制系统是可以知道探针相对于样品的x和y位置的；另外，由步骤一、二可以得到探针相对于样品表面的z位置。因而，在探针扫描成像过程中，可以得到探针相对于样品表面的x,y,z位置，从而可以利用图像分析处理系统对其运动轨迹进行监测；相应地，可以通过对位移台运动控制系统进行参数设置，控制探针的运动轨迹。

优选地，扫描的运动控制可以通过单独控制样品位移台实现，也可以通过单独控制探针模块实现，还可以通过同时控制样品位移台和探针模块实现；照明光和显微镜并不是必需的，在保证能够拍摄到探针末端与样品表面图像的情况下，不一定非得需要上述某一部件或全部部件；激光可以由其它具有一定亮度的光束替代，只要能够辅助在图像中显示探针末端及探针下面样品表面位置；图像捕获的设备多种多样，均属于本发明所限定的范围；图像处理的方式并不限于本发明所提步骤，只要能够提取探针末端与样品表面间距的图像分析处理方法都属于本发明限定的范围。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：将样品(7)放置在样品位移台(8)上；

S2：打开可见光源(4)照明探针(5)和样品(7)；

S3：打开激光器(6)将激光照射到探针(5)末端和样品(7)表面；

S4：通过显微镜(3)结合探测器(2)实时获取探针(5)末端附近的场景图像；

S5：将图像传输到分析处理系统(1)进行图像处理及特征提取，得到探针-样品在图像尺度上的间距S；

S6：通过图像尺度上的间距S与实际间距的关系式，计算得到探针-样品的实际间距d，并将其定为z方向上探针相对于样品的位置；具体包括：通过运动控制系统(9)准确控制样品位移台(8)沿z方向位移L时，测得光电导探针-样品在图像上间距变化ΔS；已知探针-样品的实际间距d与图像上测得间距S的关系为d＝S·sinα，其中α为显微镜(3)与样品位移台(8)水平方向夹角，0＜α＜360°；

(1)对于光滑表面的样品，图像与实际的比例尺k₁＝ΔS·sinα/L，计算得到探针-样品的实际间距d＝k₁·S；

(2)对于粗糙表面的样品，图像与实际的比例尺k₂＝ΔS/L，计算得到探针-样品的实际间距d＝k₂·S；

S7：通过运动控制系统(9)控制样品位移台(8)或探针(5)运动，获得探针相对于样品在x和y方向的位置参数a和b；

S8：通过分析处理系统(1)和运动控制系统(9)，根据得到a、b、d或调节a、b、d实现对探针运动轨迹的监测和控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，其特征在于，步骤S3中，利用一束激光照射探针末端和样品表面，激光斑一部分照射在探针末端，一部分照射在探针下方样品表面。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，图像处理包括：对所有拍摄图像进行伪彩色处理、阈值二值化、腐蚀及膨胀。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像拍摄及图像分析的探针轨迹监测及控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，特征提取包括：提取图像边缘并计算边缘区域的边界距离。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述探针轨迹监测及控制方法的探针轨迹监测及控制装置，其特征在于，所述装置包括：激光器(6)、可见光源(4)、显微镜(3)、探测器(2)、探针(5)、样品位移台(8)、运动控制系统(9)以及分析处理系统(1)；

所述激光器(6)用于辐射出探测激光；所述样品位移台(8)水平放置，用于盛放样品(7)，并控制样品在各方向的运动；所述运动控制系统(9)用于准确控制样品位移台(8)或者探针(5)在x,y,z方向的运动，或用于分别控制探针或样品位移台在某一或某些空间方位的运动。