【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超精密加工、微纳尺度制造、微纳结构测量等领域，具体涉及一种基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法。
技术介绍
1、原子力显微镜(atomic force microscopy,afm)是一种广泛用于微纳结构表面形貌测量的工具，通过探针与样品表面的相互作用获取准确的样品表面高度信息。但是由于传统afm的位置反馈局限于竖直方向，因此传统afm扫描数据只能得到样品竖直方向上不完整的形貌信息。同时由于afm探针本身具有形状体积，当afm测量样品表面较为尖锐的特征时，afm探针的侧壁而不是尖端触碰到样品就会出现探针-样品卷积现象，在afm图像中表现为无法反应样品真实形貌的伪影。
2、为了解决传统afm的这些缺点，一类被称为3d-afm的方法被提出，3d-afm又可以进一步分为两种解决方向。其中一种解决思路是通过设计特殊形状的探针以测量那些无法被传统afm扫描的结构，例如喇叭形尖端的探针、带有铰链结构的探针、碳纳米管材质的探针等等。而这类方法由于需要制造复杂的特殊探针，以及对afm系统进行定制化改造，使得这类方法实现成本高昂难以被广泛使用。另一种解决思路是利用倾斜扫描，将多个afm扫描结果拼接为一个完整的样品表面模型。但这类方法目前大多是针对光栅这种简单结构设计，在使用过程中需要手动剔除afm数据中的伪影。而在纳米研究领域中，大部分待检测样品具有未知复杂形状。而针对复杂微纳结构，难以手动剔除afm数据中混杂的伪影，同时伪影还会降低多视角afm数据的对齐精度，afm数据复杂的空间重叠关系也使得简单的数据拼接不足以构造
3、简而言之，目前传统afm扫描无法准确表征复杂三维微纳结构的表面形貌，而目前的3d-afm方法又存在实现方法复杂，实现成本高，同时应用受限于光栅结构的问题。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，可以在仅使用标准afm探针同时不对传统afm扫描系统进行改造的情况下，实现对样品的多视角afm数据扫描，并自动剔除afm数据中存在的伪影，同时实现高精度的afm数据对齐，最终得到完整准确的微纳结构三维模型，实现对复杂微纳结构的准确三维重建。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，包括以下步骤：
4、s1：采用原子力显微镜系统和标准探针，获取待测微纳样品在倾斜可旋转载物台和平面载物台上的多视角afm扫描数据；
5、s2：基于迭代优化方法，将多视角afm扫描数据对齐到同一空间坐标系并且剔除多视角afm扫描数据中的伪影；
6、s3：利用神经隐式表面重建方法，将已经对齐并剔除伪影的多视角afm扫描数据融合为待测微纳结构的三维重建模型。
7、进一步地，所述的倾斜可旋转载物台包括带有倾斜角度的基座和安装在基座倾斜面上的可旋转圆形载物转台，所述待测微纳样品固定在可旋转圆形载物转台中心，待测微纳样品与竖直方向保持倾斜角度。
8、进一步地，所述的倾斜可旋转载物台放置在原子力显微镜系统的平面载物台上，在利用所述原子力显微镜系统和标准探针获取待测微纳样品在倾斜可旋转载物台上的多视角afm扫描数据时，倾斜可旋转载物台与原子力显微镜系统之间不发生干涉。
9、进一步地，所述的获取待测微纳样品在倾斜可旋转载物台和平面载物台上的多视角afm扫描数据，包括：
10、将待测微纳样品固定在可旋转圆形载物转台中心，对倾斜可旋转载物台上的可旋转圆形载物转台进行360°转动，每转动一定角度，获取一张在所述角度下的afm扫描数据，直至得到待测微纳样品在倾斜可旋转载物台上360°转动的afm扫描数据；
11、撤去倾斜可旋转载物台，将待测微纳样品固定在平面载物台上，获取待测微纳样品在平面载物台上的afm扫描数据；
12、所述待测微纳样品在倾斜可旋转载物台上360°转动的afm扫描数据和待测微纳样品在平面载物台上的afm扫描数据构成所述的多视角afm扫描数据。
13、进一步地，所述的迭代优化方法包括：
14、定义多视角afm扫描数据的坐标系，所述坐标系以原子力显微镜系统位置反馈方向为z轴，以原子力显微镜系统扫描平面为x-y平面；为每一张afm扫描数据定义一个空间中的虚拟正交相机，所述虚拟正交相机成像平面与x-y平面平行，并处于z轴α高度，afm扫描数据中每一个像素数据被视为一条从所述虚拟正交相机成像平面发射、沿着-z轴方向前进，并终止于距离d＝α-h的光线，h表示该像素数据的形貌高度值，将d记为afm扫描数据中每一个像素的原始距离；
15、初始化：对所述多视角afm扫描数据中的每一张afm扫描数据初始化一个坐标变换t0和伪影掩码m0，其中m0初始化为0，表示afm扫描数据中每一个像素点为非伪影区域；
16、数据对齐：对每一张afm扫描数据由当前伪影掩码mt过滤后再使用迭代最近邻算法进行对齐，对齐后将每一张afm扫描数据的当前坐标变换tt更新为tt+1；
17、掩码求解：根据更新后的坐标变换tt+1将多视角afm扫描数据变换到同一坐标系下，同时变换每一张afm扫描数据所对应的虚拟正交相机的位姿；将多视角afm扫描数据中相邻像素点对应的空间点连接起来，得到n个面片，将每一个变换后的虚拟正交相机成像平面上的像素点重新发射光线与n个面片求出交点，得到一组交点距离d＝{d1,d2,...,dn}，将一组交点距离d中的最大值记为dmax，所述的虚拟正交相机成像平面上的像素点与对应该虚拟正交相机的afm扫描数据的像素点一一对应；判断每一个像素点对应的原始距离d与该像素点对应的dmax之间的差值是否大于阈值，若是，则标记该像素点为伪影区域，遍历每一张afm扫描数据中的全部像素点，将每一张afm扫描数据的当前伪影掩码mt更新为mt+1；
18、重复数据对齐和掩码求解过程，得到每一张afm扫描数据最终的坐标变换tk和伪影掩码mk。
19、进一步地，利用每一张afm扫描数据最终的坐标变换tk和伪影掩码mk，将多视角afm扫描数据对齐到同一空间坐标系并且剔除多视角afm扫描数据中的伪影，包括：
20、根据坐标变换tk将多视角afm扫描数据变换到同一坐标系下，同时变换每一张afm扫描数据所对应的虚拟正交相机的位姿；
21、根据伪影掩码mk剔除多视角afm扫描数据中伪影区域对应的像素点。
22、进一步地，所述的利用神经隐式表面重建方法，将已经对齐并剔除伪影的多视角afm扫描数据融合为待测微纳结构的三维重建模型，包括：
23、将对齐并剔除伪影后的多视角afm扫描数据中的每个像素点转换为空间中的一条从虚拟正交相机成像平面发射、沿着成像平面法向方向前进的光线；通过神经网络将整个场景表示为符号距离场，损失函数为沿着每条光线进行采样并通过可微分体渲染获取的深度值d’与本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，所述的倾斜可旋转载物台包括带有倾斜角度的基座和安装在基座倾斜面上的可旋转圆形载物转台，所述待测微纳样品固定在可旋转圆形载物转台中心，待测微纳样品与竖直方向保持倾斜角度。
3.根据权利要求2所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，所述的倾斜可旋转载物台放置在原子力显微镜系统的平面载物台上，在利用所述原子力显微镜系统和标准探针获取待测微纳样品在倾斜可旋转载物台上的多视角AFM扫描数据时，倾斜可旋转载物台与原子力显微镜系统之间不发生干涉。
4.根据权利要求1或2所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，所述的获取待测微纳样品在倾斜可旋转载物台和平面载物台上的多视角AFM扫描数据，包括：
5.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，所述的迭代优化方法包括：
6.根据权利要求5所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建
7.根据权利要求5所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，所述的利用神经隐式表面重建方法，将已经对齐并剔除伪影的多视角AFM扫描数据融合为待测微纳结构的三维重建模型，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，所述的倾斜可旋转载物台包括带有倾斜角度的基座和安装在基座倾斜面上的可旋转圆形载物转台，所述待测微纳样品固定在可旋转圆形载物转台中心，待测微纳样品与竖直方向保持倾斜角度。
3.根据权利要求2所述的基于原子力显微镜的微纳结构三维重建方法，其特征在于，所述的倾斜可旋转载物台放置在原子力显微镜系统的平面载物台上，在利用所述原子力显微镜系统和标准探针获取待测微纳样品在倾斜可旋转载物台上的多视角afm扫描数据时，倾斜可旋转载物台与原子力显微镜系统之间不发生干涉。
4.根据权利要求1或2所述的基于原子...
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