Файл: Методичка по АСМ 2011.doc

а)

б)

Рис.5. АСМ - изображение поверхности а) без искажений и б) при наличии артефактов.

Также необходимо учитывать уменьшение высоты объекта за счет деформации поверхности под воздействием зонда во время сканирования и уширение профиля исследуемого объекта.

Во-вторых, изображение АСМ может быть искажено из-за не отрегулированной системы обратной связи (ОС).

Если коэффициент усиления петли ОС будет слишком велик, то система может осциллировать, генерируя высокочастотный шум. Это может произойти как по всему изображению, так и быть локализованным около деталей поверхности с крутым наклоном. Возможно возникновение автоколебаний зонда, которые будут четко отражены на сканированном изображении.

С другой стороны, чрезмерное уменьшение коэффициента усиления обратной связи приводит к тому, что игла зонда не успевает отслеживать изменение рельефа поверхности образца. В крайнем случае, изображение теряет детали, появляется сглаживание или расплывчатость на изображении.

В-третьих, изменения в полученное АСМ - изображение может внести неквалифицированная обработка данных.

Сложные программы обработки изображений позволяют улучшать полученные изображения путем введения искусственных источников света, фильтрации окружающего шума и т.д.

Однако следует помнить, что небрежное обращение с полученными данными приводит к потере «истинного» рельефа поверхности и на АСМ - изображении появляются ложные детали

Методы устранения артефактов

Как показывает практика, в большинстве случаев сканированное изображение будет иметь те или иные артефакты. Чтобы убедиться в точности соответствия полученного изображения и структуры реальной поверхности исследуемого образца, необходимо выполнить следующие действия:

- повторить сканирование (убедиться в воспроизводимости результатов);

- изменить направление сканирования;

- изменить размер скана (убедиться, что масштаб деталей поверхности меняется должным образом);

- повернуть образец вокруг вертикальной оси и провести сканирование поверхности;

- изменить скорость сканирования (если на полученном скане присутствуют периодические или квазипериодические детали поверхности);

- изменить параметры цепи обратной связи.

После каждого нового сканирования сравнивают полученное изображение с предыдущим, и отмечают – какие изменения произошли на скане.

Таким образом, проводится уточнение информации о структуре поверхности исследуемого образца.

Кроме того, существуют специальные программы восстановления истинного изображения поверхности, основанные на компьютерной обработке АСМ - данных с учетом конкретной формы зонда.

4. Практическая часть

Возможности локальных сетей, сети Интернет и специального программного обеспечения АСМ позволяют сделать дорогостоящее уникальное оборудование доступным каждому учащемуся. Поскольку процесс сканирования не требует интерактивной работы с сервером, управлять микроскопом можно через сеть (локальную или Интернет).

---

Для управления атомно-силовым микроскопом, обработки и анализа изображений зондовой микроскопии используется пакет программного обеспечения (ПО) FemtoScan Online.

Программа способна работать в двух режимах: Master и Client.

В режиме Master (режим управления) оператор может задавать параметры сканирования, управлять процессом сканирования (запускать и останавливать сканирование, подводить и отводить столик с образцом). Для управления микроскопом предназначены команды меню SPM и кнопки панели инструментов SPM.

В режиме Client пользователи наблюдают процесс сканирования в режиме on-line, сохраняют принятые данные в виде файлов - изображений программы FemtoScan Online, обрабатывают полученные данные. При этом число пользователей в режиме Client не ограничено (или задается оператором-master).

В режиме Master может работать только один оператор.

Master может передать управление любому подключенному пользователю.

Для этого он меняет свой режим на Client, после чего любой пользователь может подключиться в режиме Master.

4.1.Структура программного обеспечения Femtoscan Online

Программное обеспечение работает в операционных системах Windows XP. Всю структуру программного обеспечения можно разделить на несколько уровней (рис.6).

Рис.6. Структура программного обеспечения

Нижний уровень – программа сигнального процессора платы DSP (формирует все управляющие сигналы для блока ЦАП-АЦП и шагового двигателя). Второй уровень – драйвер операционной системы, позволяющий обмениваться информацией с платой DSP через порты ввода-вывода. Третий уровень – сервер, обеспечивающий удаленное подключение. Четвертый – клиентская программа, с которой работает пользователь. Такая структура обеспечивает высокую скорость передачи данных, синхронизацию процессов, поддержку сети и удобство пользования.

Серверная часть программного обеспечения связывает драйвер операционной системы и конечных пользователей микроскопа (клиентов). Программа сервера (приложение Fmboard) работает на том же компьютере, где установлена плата DSP (в нашем случае – это компьютер оператора). Сервер обеспечивает своевременный прием данных от драйвера, их накопление и передачу клиентам. Он также обеспечивает интерфейс для мониторинга процесса сканирования, управления перемещением столика с образцом, загрузки программы в плату DSP. Рабочее окно сервера имеет окно осциллографа, на котором может отражаться значение опорного сигнала или сигнала обратной связи.

На сервере устанавливаются такие параметры, как адресация ЦАПов, скорость подвода столика с образцом, максимальное количество пользователей и т.д. На каждого пользователя заводится отдельный буфер данных, информация из которого считывается в асинхронном режиме. В окно событий специальной командой выводятся сведения о текущих соединениях.

Во избежание переполнения внутреннего буфера данных, при нарушениях связи с клиентом он автоматически отсоединяется от сервера. Отключение одного пользователя не влияет на работу других клиентов. В режиме сканирования отключение пользователя Master приводит к остановке процесса сканирования.

---

Пользователь непосредственно работает с клиентской частью программы. В ней устанавливаются параметры сканирования, из этой программы подаются команды по запуску и остановке сканирования, подводу и отводу столика с образцом. После запуска процесса сканирования открываются окна, в которых в реальном времени показываются результаты – получаемые изображения, их размеры, режим сканирования, параметры обратной связи, текущее положение зонда, скорость сканирования. Одновременно клиент может проводить обработку изображения и анализ полученных данных, используя широкий набор различных функций.

4.2. Формирование и методы обработки АСМ-изображений

1. Формирование изображений при сканировании поверхности

Процесс сканирования в атомно-силовом микроскопе Femtoscan Online может осуществляться как по оси х, так и по оси у. Площадь сканирования варьируется от 5458×5458нм до 10×10нм. При этом столик с образцом движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе. Сканирование поверхности возможно в режиме повторного прохода. В этом режиме каждая строка проходится два раза.

Информация, полученная с помощью АСМ, в компьютере хранится в виде двумерной матрицы целых чисел a_ij. Физический смысл данных чисел определяется той величиной, которая оцифровывалась в процессе сканирования – например, отклонением кантилевера. Каждому значению пары индексов ij соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования (значение координаты по z в режиме Height).

Как правило, АСМ кадры представляют собой квадратные матрицы, имеющие размер 2ⁿ (в основном 256х256 и 512х512 точек). Числа в исходной матрице лежат в некотором диапазоне, где есть минимальное и максимальное значения. Этому диапазону целых чисел ставится в соответствие цветовая палитра. Наиболее широко используются градиентные палитры, в которых раскраска изображения проводится тоном определенного цвета в соответствии с высотой точки поверхности (как на географической карте). Как правило, наиболее высокому участку поверхности соответствует светлый тон, а наиболее низкому участку – темный.

Визуализация АСМ кадров производится средствами компьютерной графики в виде двумерных (2D) и трехмерных (3D) изображений.

Информацию о поверхности образца для контактного режима можно регистрировать в трех режимах: высота (Height), отклонение (Deflection), трение (Friction). Высота – высота образца (перемещение пьезосканера по оси z, регистрируемое в топографическом режиме). Режим отклонения соответствует ошибке в системе обратной связи, поддерживающей постоянной деформацию кантилевера (сигнал с фотодиода A+B-C-D), в нем хорошо видны микроскопические детали поверхности. Трение – соответствует тангенциальной составляющей деформации кантилевера (сигнал с фотодиода A+C-B-D).

---

Полученные изображения после сканирования из-за погрешности аппаратуры и внешних воздействий, как указывалось выше, имеют искажения, которые необходимо по возможности устранить. Для этого в программном обеспечении АСМ предусмотрены процедуры по обработке полученных данных. В результате этого получаем приближенную к истинной топографию поверхности образца. После обработки проводится анализ топографии изучаемой поверхности.

4.2.2. Обработка изображений

Программное обеспечение FemtoScan Online включает в себя стандартные процедуры для обработки изображения: усреднение по строкам, вычитание поверхностей среднего наклона, усреднение, медианную фильтрацию, которые мы рассмотрим подробнее, и ряд дополнительных функций обработки и анализа данных (табл.2).

Функции обработки данных	Функции анализа данных	Сервисные функции
Масштабирование по вертикали Удаление искажений Усреднение по строкам Усреднение матрицей Отображение Медианная фильтрация Морфологические фильтры Линейные фильтры Пороговая фильтрация Вычитание поверхностей среднего наклона (1-го и 2-го порядка) Поворот Сглаживание Корреляционные функции Построение биквадратичного сплайна Нахождение границ Выделение зерен Линейный сплайн	Построение сечений (так же со сложным профилем) Измерение расстояний Построение изолиний Измерение углов Измерение длин протяженных объектов Построение калибровочных кривых Построение трехмерных изображений Нахождение объектов Изменение разрешения Измерение шероховатости Фурье-анализ Корреляционный анализ Построение гистограмм распределения по высоте Сложение и вычитание изображений Вычисление площади поверхности Пороговая фильтрация Нахождение ступеней Репликация Инверсия Удвоение числа точек Подсветка (градиентное преобразование)	Сохранение файлов Удаление файлов Быстрый просмотр большого количества файлов Просмотр текстового заголовка файла Создание макрокоманд Выбор произвольной цветовой палитры Выделение области привязки палитры Отмена последней операции Дублирование изображений Запись изображений в буфер обмена (clipboard) Экспорт изображений в различные форматы, включая формат BMP

Табл. 2. Функции, реализованные в клиентской части программного обеспечения FemtoScan Online

Усреднение по строкам.

Процесс сканирования поверхности в атомно-силовом микроскопе происходит построчно. При этом частота регистрации информации в строке, по крайней мере, в 100 раз выше, чем частота регистрации строк. Это приводит к тому, что высокочастотные шумы содержатся, в основном, в строках изображения, а низкочастотные шумы изменяют положение строк относительно друг друга.

---

Во время сканирования возможно изменение расстояния зонд-образец. Следовательно, на АСМ - изображении появятся ступеньки, параллельные направлению сканирования, которых нет на реальной поверхности.

Чтобы убрать этот дефект, применяется процедура усреднения по строкам. При этом профиль строки остается прежним, а профиль столбца изменяется – убираются ступеньки (рис.7).

Рис.7. АСМ изображение топографии поверхности

(а) – до усреднения по строкам; (б) – после усреднения по строкам

Вычитание среднего наклона.

Изображения поверхности, получаемые с помощью зондовых микроскопов, часто имеют общий наклон, который может появляться по разным причинам:

1. Это может быть реальный наклон поверхности.

2. Неточная установка образца относительно зонда.

3. Температурный дрейф, который приводит к смещению образца относительно зонда во время сканирования.

4. Нелинейность перемещений пьезосканера.

Наличие общего наклона на изображении мешает выявлению мелких деталей структуры объекта. Для устранения этого недостатка производят операцию вычитания плоскости среднего наклона. На рис. 8 дано схематическое пояснение одномерного случая, на рис.9 – для поверхности. Эта операция позволяет сделать более заметными детали изображения.

Рис.8. Вычитание линии среднего наклона.

Рис.9. Вычитание плоскости среднего наклона из АСМ изображения поверхности

Нелинейность пьезосканера может привести к тому, что изображение получится вогнутым. В этом случае необходимо вычитать не плоскость, а более сложную поверхность – параболическую или гиперболическую (рис.10).

Рис.10. Вычитание поверхности второго порядка из АСМ изображения поверхности

Усреднение.

Чтобы устранить шумовые составляющие (шумы аппаратуры, нестабильность контакта зонд-образец при сканировании, внешние вибрации и акустические шумы) необходимо провести усреднение сигнала.

Для этого достаточно заменить значение в каждой точке средним арифметическим значений всех точек в ближайшей ее окрестности.

На рис. 11 схематически показана процедура усреднения сигнала в одномерном случае.

Рис. 11. Одномерное усреднение АСМ сигнала.

К матричному массиву чисел применяют усреднения стандартными матрицами 33 и 55.

Медианная фильтрация.

Для удаления случайных высокочастотных помех в АСМ кадрах применяют медианную фильтрацию. Это нелинейный метод обработки изображений, позволяющий убрать резкие выбросы, но, в отличие от усреднения, оставляющий ступеньки. Поясним процесс фильтрации на одномерном случае (рис.12).

Рис. 12. Одномерная медианная фильтрация СЗМ сигнала.

В одномерном случае по горизонтали отложена координата точки, по вертикали – её значение. Для фильтруемой точки берутся значения её соседей и заносятся в таблицу. Таблица сортируется по возрастанию, и за новое значение точки принимается значение из средней ячейки таблицы.

---