一种SPM动态自调整滑动窗口采样的扫描测量方法

一种spm动态自调整滑动窗口采样的扫描测量方法
技术领域
1.本发明涉及原子力显微镜采样控制和成像领域，尤其涉及一种spm动态自调整滑动窗口采样的扫描测量方法。


背景技术：

2.扫描探针显微镜在扫描图像时采用的逐行逐点等间距的采样方法具有测量精度高的优点，但是同时存在着扫描速度慢，采样效率低、边缘区域及变化剧烈区域成像质量差的问题，随着各个领域对扫描探针显微镜性能要求的提高，逐点逐行的采样方法的弊端开始凸显，制约了扫描探针显微镜的发展和应用。要增加采样的效率和成像质量，可使用连续采样的方法，即探针在扫描测量的过程中不脱离被测物表面，但这种方法存在一定缺点，容易划伤被测物表面，对系统的动态特性要求高，在进行台阶特征形貌边缘测量的时候图像失真较大。


技术实现要素：

3.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种spm动态自调整滑动窗口采样的扫描测量方法，以期能实现逐行逐点采样算法的效率和扫描速度的提高以及形貌较差区域成像质量的改善，从而提高扫描探针显微镜获取高精度图像和测量的能力，对扫描探针显微镜的技术具有一定的理论意义和实用价值。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.本发明一种spm动态自调整滑动窗口采样的扫描测量方法，是应用于由高精度的压电微动平台、spm探针系统和计算机所组成的扫描平台中；在所述压电微动平台上放置有扫描对象，在所述扫描对象的上方设置有spm探针；其特点是，所述扫描测量方法是按如下步骤进行：
6.步骤1、定义并初始化扫描参数，包括：固定步距为x，滑动窗口长度为n，阈值为z和系数为y，每行的采样点数为imax，采样行数为jmax，其中，x为两个采样点之间的间距；n表示滑动窗口中包含的采样点的个数，z表示滑动窗口内数据离散程度的理想值，y表示步距的调整尺度；
7.步骤2、定义当前采样点数为i和当前采样行数为j；
8.步骤3、初始化i＝1，j＝1；
9.步骤4、定义扫描当前第j行第i个采样点的滑动窗口的方差为h
i,j
；定义扫描当前第j行第i个采样点的步距为x
i,j
；
10.步骤5、计算第j行滑动窗口内的所有采样点的方差h
i,j
，当i＝1时，令h
i,j
＝z；
11.步骤6、利用式(1)计算扫描当前第j行第i个采样点的步距x
i,j
：
12.x
i,j
＝x+y
×
(z-h
i,j
) (1)
13.步骤7、所述压电微动平台按照步距x
i,j
进行移动，并带动所述扫描对象达到第j行第i个测量点，从而利用spm探针对第j行第i个测量点上的扫描对象进行第j行第i次扫描，
得到第j行第i个采样点；
14.步骤8、判断i》n是否成立，若成立，则表示当前滑动窗口的采样点数达到n，并执行步骤9，否则执行步骤10；
15.步骤9、将第i个采样点替换滑动窗口内的第i-n个采样点，从而使得所述滑动窗口向前移动一个采样点；
16.步骤10、判断i》imax是否成立，若成立，则表示完成当前第j行的扫描，并执行步骤11，否则，将i+1赋值给i后，执行步骤5；
17.步骤11、判断j》jmax是否成立，若成立，则表示扫描结束，否则，将j+1赋值给j，令i＝1后，执行步骤5。
18.与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
19.1、本发明采用滑动窗口的采样算法，实现了采样参数的实时动态自我调整，能够提高等间距逐点逐行采样方法的性能，从而提高了扫描图像的速度。
20.2、本发明采用滑动窗口的采样算法，当扫描区域形貌变化剧烈时，算法会减小步进距离和采样速度，当扫描区域形貌交平坦时可以增加步进距离和采样速度，实现了采样数据精度的提高，采样数据拟合的三维形貌更加贴近真实形貌，从而实现了扫描图像精度的提高。
附图说明
21.图1为本发明滑动窗口采样策略示意图；
22.图2为本发明滑动窗口采样策略工作流程示意图。
具体实施方式
23.本实施例中，一种spm动态自调整滑动窗口采样的扫描测量方法，是应用于由高精度的压电微动平台、spm探针系统，计算机所组成的扫描平台中；在压电微动平台上放置有扫描对象，在扫描对象的上方设置有spm探针；如图2所示，该扫描测量方法是按如下步骤进行：
24.步骤1、定义并初始化扫描参数，包括：固定步距为x，滑动窗口长度为n，阈值为z和系数为y，每行的采样点数为imax，采样行数为jmax，其中，如图1所示，x为在一行扫描中两个采样点之间的间距；采样点即为spm对样品进行扫描测量时测量的一点；滑动窗口定义为包含若干已经测量点的数据结构，n表示滑动窗口中包含的采样点的个数，z表示滑动窗口内数据离散程度的理想值，为系统动态自调整其他参数的一个参考值，y表示步距的调整尺度，用来控制步进距离的大小；
25.步骤2、定义当前采样点数为i和当前采样行数为j，i和j用于控制二维扫描区域的大小，从而完成指定区域大小的扫描；
26.步骤3、初始化i＝1，j＝1，表示从第一行的第一个点进行扫描测量；
27.步骤4、定义扫描当前第j行第i个采样点的滑动窗口的方差为h
i,j
；定义扫描当前第j行第i个采样点的步距为x
i,j
，扫描过程中滑动窗口算法会通过计算来动态调整相应数值；
28.步骤5、计算第j行滑动窗口内的所有采样点的方差h
i,j
，当i＝1时，令h
i,j
＝z，因为
在进行第一个点的扫描测量时，此时的滑动窗口包含的采样点数为0，直接将计算值设置为阈值大小，即采用固定步距进行采样即可，无需对第一个点进行调整；
29.步骤6、利用式(1)计算扫描当前第j行第i个采样点的步距x
i,j
：
30.x
i,j
＝x+y
×
(z-h
i,j
)(1)
31.在滑动窗口采样算法中，以窗口内的采样数据的离散程度作为调整步距的依据，因为离散程度大的表示被测形貌变化剧烈，此时需要减小步距和速度，反之需要增加步距和速度，方差能很好的表征这些数据的离散程度，从而选择方差作为计算公式；
32.步骤7、压电微动平台按照步距x
i,j
进行移动，并带动扫描对象达到第j行第i个测量点，从而利用spm探针对第j行第i个测量点上的扫描对象进行第j行第i次扫描，得到第j行第i个采样点；
33.步骤8、判断i》n是否成立，若成立，则表示当前滑动窗口的采样点数达到n，即滑动窗口包含的采样点的数目已经达到所设定的长度n，因为滑动窗口的大小影响扫描测量的结果，过大的长度会使得扫描测量的精度降低，过小的长度会使得扫描测量的速度降低，因此要选择一个合适的长度n来进行控制，执行步骤9，否则执行步骤10；
34.步骤9、将第i个采样点替换滑动窗口内的第i-n个采样点，从而使得滑动窗口随着扫描测量的方向往前滑动一个采样点，即将刚采样的一个点加入滑动窗口，最早的一个点从窗口中去掉，从而完成窗口向前滑动；
35.步骤10、判断i》imax是否成立，若成立，则表示完成当前第j行的扫描，并执行步骤11，否则，将i+1赋值给i后，执行步骤5；
36.步骤11、判断j》jmax是否成立，若成立，则表示扫描结束，否则，将j+1赋值给j，令i＝1后，执行步骤5。