【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及显微成像，尤其涉及一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统。
技术介绍
1、扫描探针显微镜(scanning probe microscope，spm)是纳米科技中一种重要的成像和表征分析工具，可用于测量样品微区的表面形貌以及样品表面的电学、磁学等相关性质，广泛地应用在科学研究的各个前沿领域中。spm适用于不同的工作环境，其优势是具有极高的空间分辨率，在一些条件下甚至可达到原子量级。spm的精密电子学控制系统为实现其高精度和高速度的扫描提供了保障；以spm中广泛使用的原子力显微镜(atomic forcemicroscope，afm)为例；采用一束激光照射在afm探针的微悬臂末端，通过光杠杆原理放大悬臂的偏转即悬臂的弯曲程度；后由位置敏感探测器接收反射光斑并将其位置偏移量转化为电信号；以该电信号作为spm控制系统的反馈控制量并通过压电陶瓷伺服系统维持其恒定，即维持了样品表面到悬臂末端针尖的距离为恒定量，从而通过读取压电陶瓷的位移量即可获取样品表面的形貌信息等用于成像。
2、然而，目前普遍采用的扫描探针显微镜控制系统为基于单个主控芯片、集中式、一体化设计的电子学控制系统，这类电子学控制系统控制精度、采样率以及响应时间等性能参数极大程度上受限于采用的硬件，不利于性能的进一步提升和功能扩展；另一方面，这类系统的架构决定了无法利用通用的高性能模块化硬件实现系统研发的快速迭代更新。此外，各种潜在的异常状态在单个主控芯片、集中式、一体化设计的电子学控制系统调试中往往难以排查，这会给系统的实际研发和应用带来阻碍。因此
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。
2、根据本专利技术的一个方面，本专利技术公开了一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，所述系统包括：
3、模拟信号调理和接口模块，用于与扫描探针显微镜探头的位置探测器连接，所述模拟信号调理和接口模块接收所述位置探测器采集到的力传感器信号；
4、锁相放大模块，与所述模拟信号调理和接口模块连接，所述锁相放大模块接收所述模拟信号调理和接口模块输出的所述力传感器信号，并基于接收到的所述力传感器信号确定所述力传感器信号的幅值、相位、x分量和y分量；
5、z轴控制模块，与所述模拟信号调理和接口模块、所述锁相放大模块均连接，所述z轴控制模块接收所述模拟信号调理和接口模块输出的力传感器信号，以及接收所述锁相放大模块输出的幅值和相位,并生成用于驱动压电扫描台在z方向上移动的z向控制信号；
6、xy轴扫描控制和成像信号采集模块，与所述锁相放大模块、z轴控制模块均连接，所述xy轴扫描控制和成像信号采集模块接收所述锁相放大模块输出的幅值、相位或x分量、y分量，以及接收所述z轴控制模块输出的所述z向控制信号，并生成用于驱动压电扫描台在x方向和y方向上移动的xy控制信号。
7、在本专利技术的一些实施例中，所述力传感器信号为光信号或电信号，在所述力传感器信号为光信号时，所述力传感器信号包括光点水平信号和光点垂直信号；和/或
8、所述xy轴扫描控制和成像信号采集模块生成用于控制探针抬起的抬起控制信号。
9、在本专利技术的一些实施例中，所述控制系统还包括上位机，所述上位机与所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、z轴控制模块以及xy轴扫描控制和成像信号采集模块均连接；和/或
10、所述z轴控制模块获取所述抬起控制信号以及所述xy轴扫描控制和成像信号采集模块的采样时钟。
11、在本专利技术的一些实施例中，所述z向控制信号为第一z向控制信号、第二z向控制信号或第三z向控制信号；
12、所述第一z向控制信号为所述z轴控制模块基于接收到的所述光点水平信号、光点垂直信号、幅值和相位生成的信号；
13、所述第二z向控制信号为所述上位机向所述z轴控制模块发送的信号；
14、所述第三z向控制信号为所述z轴控制模块基于获取到的所述抬起控制信号和采样时钟生成的信号。
15、在本专利技术的一些实施例中，所述z轴控制模块将接收到的光点垂直信号或幅值与预设值进行比较，基于比较结果生成电机控制信号。
16、在本专利技术的一些实施例中，所述控制系统还包括电机控制模块，所述电机控制模块与所述z轴控制模块连接，所述电机控制模块用于基于接收到的电机控制信号控制探针电机的工作状态。
17、在本专利技术的一些实施例中，所述模拟信号调理和接口模块包括除法器、电压调理单元、单片机和显示设备，所述除法器的输入端与所述位置探测器连接，所述除法器的输出端与所述锁相放大模块和电压调理单元的输入端均连接，所述电压调理单元的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述显示设备连接。
18、在本专利技术的一些实施例中，所述锁相放大模块包括oe1300系列模块化锁相放大器。
19、在本专利技术的一些实施例中，所述z轴控制模块包括第一多路切换器、fpga子模块和第二多路切换器，所述第一多路切换器的输入端与所述模拟信号调理和接口模块、所述锁相放大模块均连接，所述第一多路切换器的输出端与所述fpga子模块的输入端连接，所述fpga子模块的输出端与所述第二多路切换器的输入端连接，所述第二多路切换器的输出端与所述xy轴扫描控制和成像信号采集模块连接。
20、在本专利技术的一些实施例中，所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、z轴控制模块以及xy轴扫描控制和成像信号采集模块均设有独立的主控芯片。
21、该开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统由可独立使用的模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、z轴控制模块以及xy轴扫描控制和成像信号采集模块组成，并且z轴控制模块接收光点水平信号、光点垂直信号、幅值和相位信号并生成用于驱动压电扫描台在z方向上移动的z向控制信号，xy轴扫描控制和成像信号采集模块生成用于驱动压电扫描台在x方向和y方向上移动的xy控制信号；该开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统采用多个独立的模块完成扫描探针显微镜的控制，从而容易发现各模块的异常状态，进而也便于提高显微镜控制系统的控制精度、采样率以及缩短响应时间，从而便于提升显微镜控制系统的性能以及便于实现显微镜控制系统的功能扩展。
22、本专利技术的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本专利技术的实践而获知。本专利技术的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
23、本领域技术人员将会理解的是，能够用本专利技术实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本专利技术能够实现的上述和其他目的。
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1.一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
2.根据权利要求1所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述力传感器信号为光信号或电信号，在所述力传感器信号为光信号时，所述力传感器信号包括光点水平信号和光点垂直信号；和/或
3.根据权利要求2所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括上位机，所述上位机与所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、Z轴控制模块以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块均连接；和/或
4.根据权利要求3所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述Z向控制信号为第一Z向控制信号、第二Z向控制信号或第三Z向控制信号；
5.根据权利要求3所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述Z轴控制模块将接收到的光点垂直信号或幅值与预设值进行比较，基于比较结果生成电机控制信号。
6.根据权利要求5所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括电机控制模块，所述电机控制模块与所述
7.根据权利要求2所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述模拟信号调理和接口模块包括除法器、电压调理单元、单片机和显示设备，所述除法器的输入端与所述位置探测器连接，所述除法器的输出端与所述锁相放大模块和电压调理单元的输入端均连接，所述电压调理单元的输出端与所述单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与所述显示设备连接。
8.根据权利要求1所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述锁相放大模块包括OE1300系列模块化锁相放大器。
9.根据权利要求4所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述Z轴控制模块包括第一多路切换器、FPGA子模块和第二多路切换器，所述第一多路切换器的输入端与所述模拟信号调理和接口模块、所述锁相放大模块均连接，所述第一多路切换器的输出端与所述FPGA子模块的输入端连接，所述FPGA子模块的输出端与所述第二多路切换器的输入端连接，所述第二多路切换器的输出端与所述XY轴扫描控制和成像信号采集模块连接。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、Z轴控制模块以及XY轴扫描控制和成像信号采集模块均设有独立的主控芯片。
...【技术特征摘要】
1.一种开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
2.根据权利要求1所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述力传感器信号为光信号或电信号，在所述力传感器信号为光信号时，所述力传感器信号包括光点水平信号和光点垂直信号；和/或
3.根据权利要求2所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括上位机，所述上位机与所述模拟信号调理和接口模块、锁相放大模块、z轴控制模块以及xy轴扫描控制和成像信号采集模块均连接；和/或
4.根据权利要求3所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述z向控制信号为第一z向控制信号、第二z向控制信号或第三z向控制信号；
5.根据权利要求3所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述z轴控制模块将接收到的光点垂直信号或幅值与预设值进行比较，基于比较结果生成电机控制信号。
6.根据权利要求5所述的开放式模块化的扫描探针显微镜控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括电机控制模块，所述电机控制模块与所述z轴控制模块连接，所述电机控制模块用于基于接收到的电机控制信号控制探针电机的工作状态。
7.根据权利要...
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