一种原子力显微镜快速成像方法技术

本发明专利技术涉及微纳科学与技术研究中的精密仪器领域，具体涉及一种原子力显微镜快速成像方法。本发明专利技术提出并实现了一种基于二维正则化迭代硬阈值算法的原子力显微镜快速成像方法,来改进原子力显微镜成像时的效率和精度。与传统原子力显微镜的成像方法相比，本发明专利技术所提出的成像方法，通过压缩采样降低原子力显微镜成像采样时间、减少探针对样品的损害，可以减小探针针尖与样品表面过多的接触造成样品表面损伤，同时基于二维正则化迭代硬阈值算法极大降低了二维稀疏信号计算复杂度，提高信号重构效率，极大地提高原子力显微镜成像速率，也明显减小了探针针尖与样品接触而造成的样品损伤。

A Fast Imaging Method for Atomic Force Microscope

The invention relates to the field of precision instruments in micro- and nano-science and technology research, in particular to a fast imaging method of atomic force microscopy. The present invention proposes and implements a fast imaging method of atomic force microscopy based on two-dimensional regularization iteration hard threshold algorithm to improve the efficiency and accuracy of atomic force microscopy imaging. Compared with the conventional imaging method of atomic force microscopy, the imaging method of the present invention can reduce the sampling time of atomic force microscopy imaging and the damage of probe to sample by compressing sampling, reduce the damage of sample surface caused by excessive contact between probe tip and sample surface, and greatly reduce the two-dimensional sparse signal meter based on the two-dimensional regularization iteration hard threshold algorithm. The computational complexity, the efficiency of signal reconstruction, the imaging speed of atomic force microscopy (AFM) and the sample damage caused by the contact between probe tip and sample are greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种原子力显微镜快速成像方法
本专利技术涉及微纳科学与技术研究中的精密仪器领域，具体涉及一种原子力显微镜快速成像方法。
技术介绍
原子力显微镜是利用原子之间的相互作用力，原子之间距离大小与两原子之间力的大小成一定的函数关系。原子力显微镜将显微镜探针针尖与样品之间相互作用的原子力，通过检测和放大仪器后直接换算出样品表面的高度，从而获得样品的表面形貌特征。原子力显微镜以其纳米级别的超高检测精度而被广泛地应用于纳米材料、生物医学等前沿科技领域。现今的原子力显微镜都是通过探针“栅格”式地“刮过”样品表面，同时获得被探针“刮过”样品的相对高度值，从而获得样品整个扫描区域的表面形貌特征。原子力显微镜这种传统的扫描方式针对大面积和超高分辨率的成像过程耗时较长；此外，探针针尖与样品表面过多的接触易造成样品表面更多的损伤。压缩感知理论利用信号的稀疏性，通过对信号的压缩采样，从而用较少的测量数据准确恢复出原始信号。原子力显微镜的这种压缩成像方法存在的问题是：在稀疏信号重构过程中计算复杂度较高、时间较长；测量矩阵维度较大，需要占用大量的存储空间，在原子力显微镜实时成像或者快速成像上的应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种降低原子力显微镜成像采样时间、减少探针对样品的损害，提高信号重构效率，成像速率快的原子力显微镜快速成像方法。为了解决上述技术问题，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种原子力显微镜快速成像方法，具体步骤包括：步骤1：建立二维的压缩感知模型；步骤2：基于二维压缩感知设计适用于原子力显微镜二维压缩成像的采样矩阵对；步骤3：基于该采样矩阵对计算出采样的坐标点，并通过最优算法计算出原子力显微镜成像过程中探针的最短路径；步骤4：将探针的最短路径坐标导入到原子力显微镜成像系统中，并获得相应采样点位置的信息，并将该信息转换成对应的样本信息矩阵；步骤5：将获得的样本信息用二维正则化迭代硬阈值算法重构图像信息。优选的，步骤1的建立二维压缩感知模型方法如下：对任意2D稀疏信号测量矩阵对和以及观测矩阵则，2D压缩感知模型描述如下：Y＝AXBT，其中，BT表示矩阵B的转置，并且M1＜N1、M2＜N2和K＜M1M2，K是2D信号X的稀疏度。优选的，步骤2中设计适用于原子力显微镜二维压缩成像的采样矩阵方法如下：步骤201：设定一个矩阵使得对矩阵中的任意元素dij等于1(i＝j)或者0(i≠j)；步骤202：随机选择矩阵D中的M1行元素，产生一个行测量矩阵A；步骤203：随机选择矩阵D中的M2列元素，产生一个列测量矩阵BT。优选的，步骤3中采样的坐标点计算方法如下：假设最终获得的样本矩阵Y的任意元素为yij，对应的原始信号X中的坐标点为(r，c)，其中，r为矩阵A第i行中非0元素在该行向量所在的列号，c为矩阵B第j列中非0元素在该列向量所在的行号；基于步骤2中的采样矩阵，将样本矩阵Y对应的原始信号X中的M1×M2元素位置即为所有需要采样点的在图像坐标上的相对位置。优选的，步骤3中探针的最短路径计算方法如下：用动态规划的方法求出探针要采集这些坐标点需要走的最短路径，并按最短路径导出相应的坐标点排序文件。优选的，在步骤4中，将该文件导入到原子力显微镜成像控制软件里，通过原子力显微镜的扫描成像获得样本信息。优选的，步骤5用二维正则化迭代硬阈值算法重构图像信息的方法：步骤501：参数初始化：X1＝0，Γ1＝suppM[HK(ATYB)]，迭代次数n＝1，满足非终止条件时执行下列步骤；在此处，假设Γn是矩阵Xn的支撑矩阵，即其中，步骤502：第n次迭代的负梯度函数：G＝AT(Y-AXnBT)B；步骤503：计算迭代步长：步骤504：计算n+1次状态参数：其中，HK(X)是个非线性操作过程，其保证了矩阵X除绝对值最大的K个元素外其余的都为0。步骤505：更新n+1支撑矩阵：步骤506：如果Γn+1＝Γn，则，直接更新状态参数：否则，执行以下迭代直到μn＜ωμn←μn/(κ(1-c))；此时，步骤507：更新迭代次数：n＝n+1；步骤508：输出结果：X*＝Xn+1。本专利技术的有益效果：本专利技术提出并实现了一种基于二维正则化迭代硬阈值算法的原子力显微镜快速成像方法,来改进原子力显微镜成像时的效率和精度。与传统原子力显微镜的成像方法相比，本专利技术所提出的成像方法，通过压缩采样降低原子力显微镜成像采样时间、减少探针对样品的损害，可以减小探针针尖与样品表面过多的接触造成样品表面损伤，同时基于二维正则化迭代硬阈值算法极大降低了二维稀疏信号计算复杂度，提高信号重构效率，极大地提高原子力显微镜成像速率，也明显减小了探针针尖与样品接触而造成的样品损害。附图说明图1(a)是实施例1中的原始图像。图1(b)是采用本专利技术方法获得的重构图像。图1(c)是采用本专利技术方法重构图像的迭代过程。图2(a)是采用本专利技术方法获得的腺病毒的成像结果。图2(b)是采用传统“栅格”扫描方式获得的腺病毒成像结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。参照图1-2所示，一种原子力显微镜快速成像方法，具体步骤包括：步骤1：建立二维的压缩感知模型；步骤2：基于二维压缩感知设计适用于原子力显微镜二维压缩成像的采样矩阵对；步骤3：基于该采样矩阵对计算出采样的坐标点，并通过最优算法计算出原子力显微镜成像过程中探针的最短路径；步骤4：将探针的最短路径坐标导入到原子力显微镜成像系统中，并获得相应采样点位置的信息，并将该信息转换成对应的样本信息矩阵；步骤5：将获得的样本信息用二维正则化迭代硬阈值算法重构图像信息。优选的，步骤1的建立二维压缩感知模型方法如下：对任意2D稀疏信号测量矩阵对和以及观测矩阵则，2D压缩感知模型描述如下：Y＝AXBT，其中，BT表示矩阵B的转置，并且M1＜N1、M2＜N2和K＜M1M2，K是2D信号X的稀疏度。优选的，步骤2中设计适用于原子力显微镜二维压缩成像的采样矩阵方法如下：步骤201：设定一个矩阵使得对矩阵中的任意元素dij等于1(i＝j)或者0(i≠j)；步骤202：随机选择矩阵D中的M1行元素，产生一个行测量矩阵A；步骤203：随机选择矩阵D中的M2列元素，产生一个列测量矩阵BT。优选的，步骤3中采样的坐标点计算方法如下：假设最终获得的样本矩阵Y的任意元素为yij，对应的原始信号X中的坐标点为(r，c)，其中，r为矩阵A第i行中非0元素在该行向量所在的列号，c为矩阵B第j列中非0元素在该列向量所在的行号；基于步骤2中的采样矩阵，将样本矩阵Y对应的原始信号X中的M1×M2元素位置即为所有需要采样点的在图像坐标上的相对位置。优选的，步骤3中探针的最短路径计算方法如下：用动态规划的方法求出探针要采集这些坐标点需要走的最短路径，并按最短路径导出相应的坐标点排序文件。优选的，在步骤4中，将该文件导入到原子力显微镜成像控制软件里，通过原子力显微镜的扫描成像获得样本信息。优选的，步骤5用二维正则化迭代硬阈值算法重构图像信息的方法：步骤501：参数初始化：X1＝0，Γ1＝suppM[HK(ATYB)]，迭代次数n＝1，满足非终止条件时执行下列步骤；在此处，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原子力显微镜快速成像方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1：建立二维的压缩感知模型；步骤2：基于二维压缩感知设计适用于原子力显微镜二维压缩成像的采样矩阵对；步骤3：基于该采样矩阵对计算出采样的坐标点，并通过最优算法计算出原子力显微镜成像过程中探针的最短路径；步骤4：将探针的最短路径坐标导入到原子力显微镜成像系统中，并获得相应采样点位置的信息，并将该信息转换成对应的样本信息矩阵；步骤5：将获得的样本信息用二维正则化迭代硬阈值算法重构图像信息。

【技术特征摘要】
1.一种原子力显微镜快速成像方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤1：建立二维的压缩感知模型；步骤2：基于二维压缩感知设计适用于原子力显微镜二维压缩成像的采样矩阵对；步骤3：基于该采样矩阵对计算出采样的坐标点，并通过最优算法计算出原子力显微镜成像过程中探针的最短路径；步骤4：将探针的最短路径坐标导入到原子力显微镜成像系统中，并获得相应采样点位置的信息，并将该信息转换成对应的样本信息矩阵；步骤5：将获得的样本信息用二维正则化迭代硬阈值算法重构图像信息。2.如权利要求1所述的原子力显微镜快速成像方法，其特征在于，步骤1的建立二维压缩感知模型方法如下：对任意2D稀疏信号测量矩阵对和以及观测矩阵则，2D压缩感知模型描述如下：Y＝AXBT，其中，BT表示矩阵B的转置，并且M1＜N1、M2＜N2和K＜M1M2，K是2D信号X的稀疏度。3.如权利要求2所述的原子力显微镜快速成像方法，其特征在于，步骤2中设计适用于原子力显微镜二维压缩成像的采样矩阵方法如下：步骤201：设定一个矩阵使得对矩阵中的任意元素dij等于1(i＝j)或者0(i≠j)；步骤202：随机选择矩阵D中的M1行元素，产生一个行测量矩阵A；步骤203：随机选择矩阵D中的M2列元素，产生一个列测量矩阵BT。4.如权利要求3所述的原子力显微镜快速成像方法，其特征在于，步骤3中采样的坐标点计算方法如下：假设最终获得的样本矩阵Y的任意元素为yij，对应的原始信号X中的坐标点为(r，c)，其中，r为矩阵A第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恭新，刘飞，陈珺，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32