一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统，该方法先将任意形状的原子力显微镜针尖与被测物体之间的相互作用势表达成原子力显微镜针尖局部主曲率的函数，然后通过旋转针尖，记录被测扫描点两组作用力数据，并对比两组作用力数据判断被测物体表面上是否出现凹陷显著区域；若是则通过两次调整原子力显微镜针尖高度，采用几何近似关系，计算出原子力显微镜针尖距离被测物体表面的垂直高度，从而还原出被测物体凹陷显著区域表面的真实几何形貌。应用本发明专利技术，纠正了原子力显微镜在表面凹陷区的误差，克服了现有原子力显微镜在表面凹陷区图像失真问题，提高了对被测物体表面凹陷区的探测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统
本专利技术涉及原子力显微镜
，特别涉及一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统。
技术介绍
原子力显微镜是常见的微纳米尺度的测量工具，它是基于针尖与被测物体之间的短程相互作用力与距离之间的函数关系，通过测量作用力，获得二者之间的相对高度，从而还原出被测物体的表面形貌。具体操作时，针尖的模型通常有球形、半球形、锥形以及圆柱形等。考虑到被测物体的尺寸通常远大于针尖，因此将被测物体抽象为半无限大平面体，建立针尖与半无限大平面体之间的相互作用函数。但是，这些简化操作同样会带来误差。首先，原子力显微镜针尖尺寸非常小，通常在几十个纳米量级，由于制备上的困难，真实的针尖并不是标准的球形、半球形、锥形或圆柱形。考虑到研究任意几何形状的曲面体与半无限大平面体之间的相互作用的难度，目前仍然将针尖视为简单的球形等几何形状进行建模，虽然计算简单，但存在一定误差。考虑到微纳米尺度下，被测物体之间的相互作用是非常短程的，因此，描述针尖局部区域的几何形状尤为重要。其次，原子力显微镜是根据针尖与被测物体的相互作用力与相对高度之间的函数关系，通过移动针尖的高度来还原出表面几何形貌。但是，在表面凹陷明显的区域，针尖与被测物体之间的最近距离往往并不是垂直高度。此时根据力与高度的关系，测量出来的并不是真实的垂直距离，从而导致表面扫描精度的下降和图像的失真。基于以上问题，建立一般任意几何形状针尖与被测物体之间的相互作用模型，提出克服针尖在凹陷区测量误差的测量方法，具有十分有意义的应用前景。
技术实现思路
本专利技术提供了一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统，目的是建立一种任意形状原子力显微镜针尖与被测物体之间的作用模型，基于此模型，又提出一种旋转针尖测量方法，来提高原子力显微镜在表面凹陷区的图像精度。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，所述物体凹陷区域表面几何相貌还原方法包括：选择任意形状的原子力显微镜针尖，并构建所述原子力显微镜针尖的三维模型；根据所述三维模型，确定所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率；根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数；在被测物体表面进行扫描时，对于被测物体表面上的每个被测扫描点，都先选取其中一个主曲率线的切线方向进行扫描测量，记录第一作用力值，然后将所述原子力显微镜针尖旋转90度后再次进行扫描测量，记录第二作用力值，并计算所述第一作用力值与所述第二作用力值的绝对值；判断所述绝对值是否小于设定阈值，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述绝对值小于所述设定阈值，则确定所述被测扫描点所在的区域为平整区域，并继续扫描，直到每个被测扫描点都被扫描后结束；若所述第一判断结果表示所述绝对值大于或者等于所述设定阈值，则确定所述被测扫描点所在的区域为凹陷区域，将所述原子力显微镜针尖提高Δh1后对所述被测扫描点进行扫描测量，记录第一提高作用力，继续将所述原子力显微镜针尖提高Δh2后再次对所述被测扫描点进行扫描测量，记录第二提高作用力，并根据所述相互作用力函数、所述第一提高作用力和所述第二提高作用力计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度，然后继续扫描，直到每个被测扫描点都被扫描后结束；其中，Δh1、Δh2均是根据第一约束条件确定的；所述第一约束条件为扫描所述被测扫描点记录的作用力和旋转后再扫描的所述被测扫描点的作用力的绝对值小于设定阈值的条件；根据所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内每个所述被测扫描点的垂直高度，还原被测物体凹陷区域表面的几何相貌。可选的，所述选择任意形状的原子力显微镜针尖，并构建所述原子力显微镜针尖的三维模型，具体包括：对任意形状的原子力显微镜针尖进行三维扫描，以外表面为S，以原子力显微镜针尖的顶点O为坐标原点，建立局部O-xyz主曲率坐标系，其中，x轴、y轴均指向沿着顶点O主曲率线的切线方向，z轴指向原子力显微镜针尖的内部；外表面S在局部O-xyz主曲率坐标系下的方程为c1、c2为两个不同方向的主曲率。可选的，所述根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数，具体包括：根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用势函数；对所述相互作用势函数求导，得到所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数。可选的，所述相互作用势函数为：其中，h为原子力显微镜针尖与被测物体的距离，c1、c2为两个不同方向的主曲率，C为原子力显微镜针尖与被测物体的相互作用参数，ρ1为原子力显微镜针尖的原子数密度，ρ2为被测物体的原子数密度，n为粒子间作用对势u(R)＝C/Rn的指数。可选的，所述相互作用力函数为：可选的，所述根据所述相互作用力函数、所述第一提高作用力和所述第二提高作用力计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度，具体包括：根据所述相互作用力函数和所述第一提高作用力，计算所述第一提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h1；根据所述相互作用力函数和所述第二提高作用力，计算所述第二提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h2；采用三角形近似原理，根据所述第一提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h1和所述第二提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h2计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度。可选的，所述采用三角形近似原理，根据所述第一提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h1和所述第二提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h2计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度，具体包括：采用以下公式计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度h；所述公式为可选的，所述物体凹陷区域表面几何相貌还原方法还包括：当所述被测扫描点所在的区域为平整区域时，根据所述相互作用力函数和记录的第一作用力值计算所述原子力显微镜针尖与平整区域内所述被测扫描点的垂直高度；根据所述原子力显微镜针尖与平整区域内每个所述被测扫描点的垂直高度、所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内每个所述被测扫描点的垂直高度，还原被测物体表面的几何相貌。本专利技术还提供了一种物体凹陷区域表面几何相貌还原系统，所述物体凹陷区域表面几何相貌还原系统包括：三维模型构建模块，用于选择任意形状的原子力显微镜针尖，并构建所述原子力显微镜针尖的三维模型；主曲率确定模块，用于根据所述三维模型，确定所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率；相互作用力函数确定模块，用于根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数；被测物体扫描和绝对值计算模块，用于在被测物体表面进行扫描时，对于被测物体表面上的每个被测扫描点，都先选取其中一个主曲率线的切线方向进行扫描测量，记录第一作用力值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，其特征在于，所述物体凹陷区域表面几何相貌还原方法包括：选择任意形状的原子力显微镜针尖，并构建所述原子力显微镜针尖的三维模型；根据所述三维模型，确定所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率；根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数；在被测物体表面进行扫描时，对于被测物体表面上的每个被测扫描点，都先选取其中一个主曲率线的切线方向进行扫描测量，记录第一作用力值，然后将所述原子力显微镜针尖旋转90度后再次进行扫描测量，记录第二作用力值，并计算所述第一作用力值与所述第二作用力值的绝对值；判断所述绝对值是否小于设定阈值，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述绝对值小于所述设定阈值，则确定所述被测扫描点所在的区域为平整区域，并继续扫描，直到每个被测扫描点都被扫描后结束；若所述第一判断结果表示所述绝对值大于或者等于所述设定阈值，则确定所述被测扫描点所在的区域为凹陷区域，将所述原子力显微镜针尖提高Δh1后对所述被测扫描点进行扫描测量，记录第一提高作用力，继续将所述原子力显微镜针尖提高Δh2后再次对所述被测扫描点进行扫描测量，记录第二提高作用力，并根据所述相互作用力函数、所述第一提高作用力和所述第二提高作用力计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度，然后继续扫描，直到每个被测扫描点都被扫描后结束；其中，Δh1、Δh2均是根据第一约束条件确定的；所述第一约束条件为扫描所述被测扫描点记录的作用力和旋转后再扫描的所述被测扫描点的作用力的绝对值小于设定阈值的条件；根据所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内每个所述被测扫描点的垂直高度，还原被测物体凹陷区域表面的几何相貌。...

【技术特征摘要】
1.一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，其特征在于，所述物体凹陷区域表面几何相貌还原方法包括：选择任意形状的原子力显微镜针尖，并构建所述原子力显微镜针尖的三维模型；根据所述三维模型，确定所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率；根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数；在被测物体表面进行扫描时，对于被测物体表面上的每个被测扫描点，都先选取其中一个主曲率线的切线方向进行扫描测量，记录第一作用力值，然后将所述原子力显微镜针尖旋转90度后再次进行扫描测量，记录第二作用力值，并计算所述第一作用力值与所述第二作用力值的绝对值；判断所述绝对值是否小于设定阈值，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述绝对值小于所述设定阈值，则确定所述被测扫描点所在的区域为平整区域，并继续扫描，直到每个被测扫描点都被扫描后结束；若所述第一判断结果表示所述绝对值大于或者等于所述设定阈值，则确定所述被测扫描点所在的区域为凹陷区域，将所述原子力显微镜针尖提高Δh1后对所述被测扫描点进行扫描测量，记录第一提高作用力，继续将所述原子力显微镜针尖提高Δh2后再次对所述被测扫描点进行扫描测量，记录第二提高作用力，并根据所述相互作用力函数、所述第一提高作用力和所述第二提高作用力计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度，然后继续扫描，直到每个被测扫描点都被扫描后结束；其中，Δh1、Δh2均是根据第一约束条件确定的；所述第一约束条件为扫描所述被测扫描点记录的作用力和旋转后再扫描的所述被测扫描点的作用力的绝对值小于设定阈值的条件；根据所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内每个所述被测扫描点的垂直高度，还原被测物体凹陷区域表面的几何相貌。2.根据权利要求1所述的物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，其特征在于，所述选择任意形状的原子力显微镜针尖，并构建所述原子力显微镜针尖的三维模型，具体包括：对任意形状的原子力显微镜针尖进行三维扫描，以外表面为S，以原子力显微镜针尖的顶点O为坐标原点，建立局部O-xyz主曲率坐标系，其中，x轴、y轴均指向沿着顶点O主曲率线的切线方向，z轴指向原子力显微镜针尖的内部；外表面S在局部O-xyz主曲率坐标系下的方程为c1、c2为两个不同方向的主曲率。3.根据权利要求1所述的物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，其特征在于，所述根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数，具体包括：根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用势函数；对所述相互作用势函数求导，得到所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数。4.根据权利要求3所述的物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，其特征在于，所述相互作用势函数为：其中，h为原子力显微镜针尖与被测物体的距离，c1、c2为两个不同方向的主曲率，C为原子力显微镜针尖与被测物体的相互作用参数，ρ1为原子力显微镜针尖的原子数密度，ρ2为被测物体的原子数密度，n为粒子间作用对势u(R)＝C/Rn的指数。5.根据权利要求4所述的物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，其特征在于，所述相互作用力函数为：6.根据权利要求1所述的物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，其特征在于，所述根据所述相互作用力函数、所述第一提高作用力和所述第二提高作用力计算所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的垂直高度，具体包括：根据所述相互作用力函数和所述第一提高作用力，计算所述第一提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h1；根据所述相互作用力函数和所述第二提高作用力，计算所述第二提高作用力对应的所述原子力显微镜针尖与凹陷区域内所述被测扫描点的高度h2；采用三角形近似原理，根据所述第一提高作用力对应的所述原子力显...

【专利技术属性】
技术研发人员：王单，宿柱，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32