一种基于激光反射的近场探针测距方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于激光反射的近场探针测距方法及装置，属于太赫兹显微成像领域。该方法基于近场探针测距装置实现，该测距装置包括激光器，可见光源，可见光显微镜，光电导微探针，样品，样品位移台，电机控制盒以及计算机。所述方法具体包括：S1：将样品放置在样品位移台上；S2：可见光照射在光电导微探针针尖上，通过可见光显微镜结合CCD探测器实时获取针尖附近的场景，并传输到计算机进行图像处理及特征提取，得到光电导微探针‑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，计算得到光电导微探针‑样品的实际距离d。本发明专利技术用于准确测量光电导微探针与样品间距和自动调节其间距。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光反射的近场探针测距方法及装置
本专利技术属于太赫兹显微成像领域，涉及一种基于激光反射的近场探针测距方法及装置。
技术介绍
近年来，太赫兹(terahertz，THz)技术已成为国内外的研究热点。根据瑞利判据，传统的THz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(1THz对应的波长为300μm)。利用THz近场扫描成像技术，成像空间分辨率可突破衍射极限，达到亚波长尺寸，甚至可达到纳米级。基于光电导微探针的THz近场扫描成像系统可在太赫兹波段实现微米级分辨率的成像探测，目前已被应用于功能器件检测、生物组织成像和物质鉴别等方面。光电导微探针作为其中最为核心的探测器件，具有信号质量好、噪声低等优点。光电导微探针主要结构是在约1μm厚度的LT-GaAs衬底上沉积一对微米级宽度的金属微电极，因此极其脆弱。在对样品进行THz近场测试时，光电导微探针与样品的间距一般为微米量级，间距越小，探针所在点的电场对探针的贡献比例越大，因而在水平方向上的分辨尺度也越小，系统的成像分辨率越高；但是，间距越小，探针损坏的可能性越大。因此，在进行样品近场扫描过程中，实时获得并调整光电导微探针与样品的间距是亟待解决的问题。然而，长期以来，人们仅仅停留在利用CCD获得图像，并通过用肉眼及其经验来判断其大概间距，尚未提出准确测量光电导微探针与样品间距并自动调节其间距的方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于激光反射的近场探针测距方法及装置，基于太赫兹近场扫描成像系统，用于准确测量光电导微探针与样品间距并自动调节其间距。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于激光反射的近场探针测距方法，具体包括以下步骤：S1：将样品放置在样品位移台(8)上；S2：打开可见光源(4)，发出可见光照射在光电导微探针(5)针尖上，通过可见光显微镜(3)结合CCD探测器(2)实时获取针尖附近的场景，并传输到计算机(1)进行图像处理及特征提取，得到光电导微探针-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，计算得到光电导微探针-样品的实际距离d。进一步，所述步骤S2中，所述图像处理包括：伪彩色处理、阈值二值化、腐蚀及膨胀。进一步，所述步骤S2中，所述特征提取包括：对图像边缘提取并计算边缘区域的边界距离。进一步，所述步骤S3具体包括：通过电机控制盒(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，0＜α＜90°，其中α为可见光显微镜(3)与样品位移台(8)水平方向夹角；(1)对于光滑表面的样品，图像与实际的比例尺k1＝S·sinα/L，计算得到光电导微探针-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，计算得到光电导微探针-样品的实际间距d＝k2·S。进一步，所述测距方法是基于近场探针测距装置实现的，该测距装置包括激光器(6)、可见光源(4)、可见光显微镜(3)、CCD探测器(2)、光电导微探针(5)、样品位移台(8)、电机控制盒(9)以及计算机(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；所述电机控制盒(9)用于准确控制样品位移台(8)在Z方向的运动步进。进一步，所述可见光显微镜(3)与样品位移台(8)水平方向呈α角度放置，且0＜α＜90°。进一步，所述可见光显微镜(3)上配有彩色CCD摄像头，其工作在RGB模式下，以30帧/每秒的速率向计算机发送实时图像。本专利技术的有益效果在于：本专利技术在进行样品近场扫描过程中，可实时获得并调整光电导微探针与样品的间距，能够准确测量光电导微探针与样品间距并自动调节其间距。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为近场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-计算机，2-CCD探测器，3-可见光显微镜，4-可见光源，5-光电导微探针，6-激光器，7-样品，8-样品位移台，9-电机控制盒，10-光滑表面的样品，11-粗糙表面的样品，12-光电导微探针的镜像。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。如图1～3所示，本专利技术所述的一种基于激光反射的近场探针测距方法，是基于近场探针测距装置实现的，该测距装置包括激光器6、可见光源4、可见光显微镜3、光电导微探针5、样品7、样品位移台8、电机控制盒9和计算机1。所述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；电机控制盒可以准确控制样品位移台在Z方向的运动步进；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，以每秒30帧率向计算机发送实时图像。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计算机进行图像处理(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，通过电机控制盒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。实施例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，控制电机控制盒将样品往光电导微探针针尖方向移动(本系统所有样品移动操作，都必须以样品不接触光电导微探针为原则)，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，然后在计算机上采集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光电导微探针-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控制电机控制盒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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光反射的近场探针测距方法，其特征在于，该测距方法具体包括以下步骤：S1：将样品放置在样品位移台(8)上；S2：打开可见光源(4)，发出可见光照射在光电导微探针(5)针尖上，通过可见光显微镜(3)结合CCD探测器(2)实时获取针尖附近的场景，并传输到计算机(1)进行图像处理及特征提取，得到光电导微探针‑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，计算得到光电导微探针‑样品的实际距离d。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光反射的近场探针测距方法，其特征在于，该测距方法具体包括以下步骤：S1：将样品放置在样品位移台(8)上；S2：打开可见光源(4)，发出可见光照射在光电导微探针(5)针尖上，通过可见光显微镜(3)结合CCD探测器(2)实时获取针尖附近的场景，并传输到计算机(1)进行图像处理及特征提取，得到光电导微探针-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，计算得到光电导微探针-样品的实际距离d。2.根据权利要求1所述的一种基于激光反射的近场探针测距方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述图像处理包括：伪彩色处理、阈值二值化、腐蚀及膨胀。3.根据权利要求1所述的一种基于激光反射的近场探针测距方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述特征提取包括：对图像边缘提取并计算边缘区域的边界距离。4.根据权利要求1所述的一种基于激光反射的近场探针测距方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：通过电机控制盒(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，0＜α＜90°，其中α为可见光显微镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：王化斌，郭缘森，李早霞，耿国帅，杨忠波，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆,50