扫描探针显微镜自动标定算法及重定位技术的研究与应用

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1、上海大学硕士学位论文摘要近年来，随着各国政府的日益重视和巨大投入，纳米科技发展迅速，已成为本世纪最核心的技术之一。而纳米科技的竞争，很大程度上体现在纳米研究工具上。扫描探针显微镜(SPM，ScanningProbeMicroscope)，作为纳米表征和纳米操纵的利器，被誉为是纳米科技的“眼”和“手’’，不断提高它的测量以及定位精度是纳米工作者始终追求的目标。但是，由于扫描探针显微镜的压电扫描器自身的迟滞、蠕变、耦合等非线性特性，往往会导致扫描图像的扭曲和失真，给纳米尺度上的定量分析以及纳米操纵中的重定位操作带来

2、了极大的不便。本文以用户的实际需求为导向，针对扫描探针显微镜标定过程效率低下且自动化度低等特点，提出了一种基于图像模式识别的自动标定方法，并进行了编程实现，实验证明该算法具有良好的标定效果。同时，针对纳米操纵中的定位要求，提出了一种基于BP神经网络的前馈逆模补偿PID复合控制重定位算法。本文主要取得以下研究成果：1．针对SPM二维光栅图像，提出了一套以图像处理与数学形态学运算为基础的特征提取算法，该算法能有效提取光栅图像的特征信息，而将无关的信息滤除。2．设计出一种基于图像模式识别的光栅图像特征点有效性判别算法

3、，用于判别光栅图像特征点的真伪。该算法的输出为光栅图像的水平、垂直栅格的格数，根据这一数据可直接计算出标定参数。3．基于上述特征提取和模式识别的研究成果，作者开发了一款自动标定软件——《SPM光栅测量系统》，并已于2007年2月获得软件著作权。该软件通过对光栅图像特征的提取与识别，能够自动获得标定所需的参数，有效地将人工经验转化为智能算法，实现了标定过程的自动化，无需人工的干预。4．通过对纳米操纵中重定位技术的分析和研究，提出了一种基于神经网络的复合控制重定位算法，前馈部分采用BP神经网络对系统进行逆模补偿，反

4、馈部分采用传统的PID控制，来实现精确的纳米重定位。仿真结果表明，该系统有着良好的信号跟踪能力和定位精度。关键词：扫描探针显微镜；图像模式识别；自动标定；重定位；复合控制。V上海文学硕十学位论文ABSTRACTRecently,withthehugeattentionanddevotionf内mvariousgovernments，Nano-Sciencehasprogressedrapidlyandbecomeoneofthemostcoretechnologyinthiscentury．Toalargeex

5、tent，thecompetitionofNano-Technologyisreflectedinthenanoresearchapparatus，ScanningProbeMicroscope(SPM)，asharpweaponfornanoimagingandnanomanipulation，whichishonoredas”eye”and”hand”ofNano-Technology．Thus，theimprovementofitsmeasuringandpositioningprecision，hasb

6、ecomeeachnanoworker’Sdreamandultimategoal．HoweveEduetothehysteresis，creepandothernonlinearityofSPMpiezoscanner，itleadstothedistortionandmisalignmentinthescanningimage，whichaddsenormousinconveniencetothequantitativeanalysisinnanoresearch．Astothelowefficiencyo

7、fthecurrentSPMcalibrationprocess，anewcalibrationmethodbasedonimagepatternrecognitionisproposedandrealizedinthispaper，thecalibrationresultsshowthatthealgorithmisnice．Meanwhile，aimingatthepositioningrequirementinnano-manipulation，arepositioningalgorithmbasedon

8、BPneuralnetworkfeed-forwardinversemodelcompensationandPIDcompoundcontrclispresented．InthispapeEtheworkismainlyattributedtothefollowingfourparts：1．AstoSPM2Dgratingimage，asetofimageprocessandmathe