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一种基于最小二乘和阈值分割的磁力 显微镜气相光路自动调整方法

阅读：2发布：2020-11-13

专利汇可以提供一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，首先需要在探针架装设能通过计算机控制进行二维移动的步进电机；然后利用步进电机进行光路自动调整的自动调整，调整过程包括标定阶段和实施阶段。本发明通过在原子力显微镜系统中加设用于移动探针架的电机，并通过相关计算实现对磁力显微镜反射光路的自动调整，具有操作简便、定位精准的优点，避免操作者眼疲劳甚至出现损伤的情况。，下面是一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，其特征在于，首先在探针架装设能通过计算机控制进行二维移动的步进电机；然后利用步进电机进行光路自动调整的自动调整，调整过程包括标定阶段和实施阶段，其中标定阶段包括以下步骤：
A1、手动调节激光光路，保证激光光斑和微悬臂在CCD视场内可见；
A2、调整带有CCD的显微镜到合适放大倍率，保证在成像过程中能够观察到被测样品；
A3、识别激光光斑在CCD图像的位置坐标
A3-1、移动探针架电机至微悬臂后的反光片全部进入CCD视场，保存图像为I1；
A3-2、运用图像差分法I2－I1得出差分图像，用连通域算法对差分图像进行标记得出光斑轮廓，根据轮廓坐标利用重心法在图像I2计算光斑质心，公式如下：
其中xc、yc代表x和y方向质心，I(x,y)代表图像(x,y)点灰度值；
A4、利用自适应阈值分割算法识别微悬臂
A4-1、对CCD图像进行灰度变换，公式如下：
I(x,y)＝0.3×IR(x,y)+0.59×IG(x,y)+0.11×IB(x,y)
其中IR(x,y),IG(x,y),IB(x,y)分别为彩色图像的红绿蓝分量，I(x,y)为变换后的灰度值(x,y)代表图像横纵坐标；
A4-2、对灰度直方图进行增强，原图像直方图k级灰度值Ik(x,y)经增强后为：
其中ni为灰度值为i的像素个数，n为图像总像素值个数；
A4-3、对图像数值取反对应公式G(x,y)＝255-I(x,y)；
A4-4、利用自适应阈值算法将图像中的微悬臂进行分割，自适应阈值公式为：
σ2＝ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2
其中ω0代表目标像素所占的比例，μ0为目标像素的灰度均值，ω1为背景像素所占的比例，μ1背景像素的灰度均值，μ为整个图像的灰度均值，σ2为类间方差。图像共有N个灰度级，在[0,N-1]内依次选取T阈值，使类间方差最大的值为最佳阈值；
利用连通域算法对分割后的图像做标记，根据轮廓坐标标记大小为100×100像素探针上方微悬臂区域。
A5、拟定关系式
A5-1、利用步骤A4计算得出微悬臂区域最边缘点的横坐标并保存作为基准点X；
A5-2、移动横向电机距离控制在100μm以内，利用步骤5.1得出横坐标X1，ΔX0＝|X0－X1|同时也得到电机移动距离|Lx0|以上的值全部为绝对值不含符号；
A5-3、重复步骤A5-2多次，得到多组对应关系式ΔX1＝|X1－X2|、|Lx1|，ΔX2＝|X2－X3|、|Lx2|……，利用线性回归即可拟合出图像像素与电机移动微米之间的关系式，公式如下：
其中a,b为待求解系数，矩阵A为 B为
执行阶段包括以下步骤：
B1、执行步骤A4；
B2、根据步骤5得出的关系式分别移动横向和纵向电机使微悬臂区域与激光光斑区域重合，并读取四象限探测器的数值对电机移动距离进行微调。
2.根据权利要求1所述的基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，其特征在于，所述电机的移动精度为1μm。
3.根据权利要求1所述的基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，其特征在于，所述步骤A1、A2和A3在磁力显微镜的硬件条件不变的情况下无需每次执行。
4.根据权利要求1所述的基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，其特征在于，所述步骤A2中放大倍率固定为3.5倍。
5.根据权利要求1所述的基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，其特征在于，所述步骤A5在步骤A1、A2后使用一次即可。

说明书全文

一种基于最小二乘和阈值分割的磁力 显微镜气相光路自动调

整方法

技术领域

[0001] 本发明涉及信息科学、控制科学和信号处理领域，具体是一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法。

背景技术

[0002] 磁力显微镜(MFM，Magnetic Force Microscope)是原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)生的一系列力显微镜之一，1987年发明以来已广泛应用于各种磁性材料的研究。近年在磁记录体系、磁性薄膜磁畴结构、磁铁学基本现象、磁盘测试和生物分子磁性等方面应用越来越广。

[0003] AFM是依靠原子、分子之间相互作用力对微纳尺度物体进行成像的仪器，主要由微米尺度的微悬臂其下方带有曲率半径为纳米量级的探针、四象限探测器、激光器及压电陶瓷扫描器组成。MFM与AFM不同的是其探针具有磁性，其工作原理：激光光斑照射到探针上方的微悬臂，光斑经微悬臂反射到四象限探测器中心位置。当磁性探针与磁性样品相互作用时，使微悬臂产生偏移导致反射到四象限探测器的光斑偏离中心，控制压电陶瓷扫描器使反射到四象限的光斑保持在中心位置，通过特定的控制算法计算出样品表面形貌和磁力数据。

[0004] MFM激光反射光路目前主要依靠手动调节，具体实施步骤为：首先调整激光器或探针模组使激光光斑照射在微悬臂后方毫米级的反光片上，然后逐渐调整激光光斑位置使其照射在探针上方的微悬臂上，再调整四象限探测器使光斑反射在其中心位置，调节过程中可利用带有显微镜的CCD对光斑位置进行辅助观察。手动调节方法可操作性差，过程繁琐，每次更换磁力探针时都需要重新调整光路，易使操作者眼睛疲劳甚至出现损伤的状况。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法，首先在探针架装设能通过计算机控制进行二维移动的步进电机；然后利用步进电机进行光路自动调整的自动调整，调整过程包括标定阶段和实施阶段，其中标定阶段包括以下步骤：

[0008] A1、手动调节激光光路，保证激光光斑和微悬臂在CCD视场内可见；

[0009] A2、调整带有CCD的显微镜到合适放大倍率，保证在成像过程中能够观察到被测样品；

[0010] A3、识别激光光斑在CCD图像的位置坐标

[0011] A3-1、移动探针架电机至微悬臂后的反光片全部进入CCD视场，保存图像为I1；

[0012] A3-2、运用图像差分法I2－I1得出差分图像，用连通域算法对差分图像进行标记得出光斑轮廓，根据轮廓坐标利用重心法在图像I2计算光斑质心，公式如下：

[0013]

[0014] 其中xc、yc代表x和y方向质心，I(x,y)代表图像(x,y)点灰度值；

[0015] A4、利用自适应阈值分割算法识别微悬臂

[0016] A4-1、对CCD图像进行灰度变换，公式如下：

[0017] I(x,y)＝0.3×IR(x,y)+0.59×IG(x,y)+0.11×IB(x,y)

[0018] 其中IR(x,y),IG(x,y),IB(x,y)分别为彩色图像的红绿蓝分量，I(x,y)为变换后的灰度值(x,y)代表图像横纵坐标；

[0019] A4-2、对灰度直方图进行增强，原图像直方图k级灰度值Ik(x,y)经增强后为：

[0020]

[0021] 其中ni为灰度值为i的像素个数，n为图像总像素值个数；

[0022] A4-3、对图像数值取反对应公式G(x,y)＝255-I(x,y)；

[0023] A4-4、利用自适应阈值算法将图像中的微悬臂进行分割，自适应阈值公式为：

[0024] σ2＝ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2

[0025] 其中ω0代表目标像素所占的比例，μ0为目标像素的灰度均值，ω1为背景像素所占的比例，μ1背景像素的灰度均值，μ为整个图像的灰度均值，σ2为类间方差。图像共有N个灰度级，在[0,N-1]内依次选取T阈值，使类间方差最大的值为最佳阈值；

[0026] 利用连通域算法对分割后的图像做标记，根据轮廓坐标标记大小为100×100像素探针上方微悬臂区域。

[0027] A5、拟定关系式

[0028] A5-1、利用步骤A4计算得出微悬臂区域最边缘点的横坐标并保存作为基准点X；

[0029] A5-2、移动横向电机距离控制在100μm以内，利用步骤5.1得出横坐标X1，ΔX0＝|X0－X1|同时也得到电机移动距离|Lx0|以上的值全部为绝对值不含符号；

[0030] A5-3、重复步骤A5-2多次，得到多组对应关系式ΔX1＝|X1－X2|、|Lx1|，ΔX2＝|X2－X3|、|Lx2|……，利用线性回归即可拟合出图像像素与电机移动微米之间的关系式，公式如下：

[0031]

[0032] 其中a,b为待求解系数，矩阵A为 B为

[0033] 执行阶段包括以下步骤：

[0034] B1、执行步骤A4；

[0035] B2、根据步骤5得出的关系式分别移动横向和纵向电机使微悬臂区域与激光光斑区域重合，并读取四象限探测器的数值对电机移动距离进行微调。

[0036] 作为本发明进一步的方案：所述电机的移动精度为1μm。

[0037] 作为本发明进一步的方案：所述步骤A1、A2和A3在磁力显微镜的硬件条件不变的情况下无需每次执行。

[0038] 作为本发明进一步的方案：所述步骤A2中放大倍率固定为3.5倍。

[0039] 作为本发明进一步的方案：所述步骤A5在步骤A1、A2后使用一次即可。

[0040] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0041] 本发明通过在原子力显微镜系统中加设用于移动探针架的电机，并通过相关计算实现对磁力显微镜反射光路的自动调整，具有操作简便、定位精准的优点，避免操作者眼疲劳甚至出现损伤的情况。附图说明

[0042] 图1为基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法的原理。

具体实施方式

[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0044] 本发明针对现有MFM手动调整激光反射光路操作繁琐等缺点，提出了一种基于最小二乘和阈值分割的磁力显微镜气相光路自动调整方法。

[0045] 首先需要在探针架装设能通过计算机控制进行二维移动的步进电机，精度1μm。

[0046] 利用步进电机进行光路自动调整的自动调整，调整过程包括标定阶段和实施阶段，其中标定阶段包括以下步骤：

[0047] A1、手动调节激光光路，保证激光光斑和微悬臂在CCD视场内可见；

[0048] A2、调整带有CCD的显微镜到合适放大倍率，保证在成像过程中能够观察到被测样品，本实施例中放大倍率固定为3.5倍；

[0049] A3、识别激光光斑在CCD图像的位置坐标

[0050] A3-1、移动探针架电机至微悬臂后的反光片全部进入CCD视场，保存图像为I1；

[0051] A3-2、运用图像差分法I2－I1得出差分图像，用连通域算法对差分图像进行标记得出光斑轮廓，根据轮廓坐标利用重心法在图像I2计算光斑质心，公式如下：

[0052]

[0053] 其中xc、yc代表x和y方向质心，I(x,y)代表图像(x,y)点灰度值；

[0054] 需要说明的是，步骤A1、A2和A3是为步骤A4做准备，故在装配时只需使用一次，如硬件条件不变则无需每次执行；

[0055] A4、利用自适应阈值分割算法识别微悬臂

[0056] A4-1、对CCD图像进行灰度变换，公式如下：

[0057] I(x,y)＝0.3×IR(x,y)+0.59×IG(x,y)+0.11×IB(x,y)

[0058] 其中IR(x,y),IG(x,y),IB(x,y)分别为彩色图像的红绿蓝分量，I(x,y)为变换后的灰度值(x,y)代表图像横纵坐标；

[0059] A4-2、对灰度直方图进行增强，原图像直方图k级灰度值Ik(x,y)经增强后为：

[0060]

[0061] 其中ni为灰度值为i的像素个数，n为图像总像素值个数；

[0062] A4-3、对图像数值取反对应公式G(x,y)＝255-I(x,y)；

[0063] A4-4、利用自适应阈值算法将图像中的微悬臂进行分割，自适应阈值公式为：

[0064] σ2＝ω0(μ0-μ)2+ω1(μ1-μ)2

[0065] 其中ω0代表目标像素所占的比例，μ0为目标像素的灰度均值，ω1为背景像素所占的比例，μ1背景像素的灰度均值，μ为整个图像的灰度均值，σ2为类间方差。图像共有N个灰度级，在[0,N-1]内依次选取T阈值，使类间方差最大的值为最佳阈值；

[0066] 利用连通域算法对分割后的图像做标记，根据轮廓坐标标记大小为100×100像素探针上方微悬臂区域。

[0067] A5、拟定关系式

[0068] A5-1、利用步骤A4计算得出微悬臂区域最边缘点的横坐标并保存作为基准点X；

[0069] A5-2、移动横向电机距离控制在100μm以内，利用步骤5.1得出横坐标X1，ΔX0＝|X0－X1|同时也得到电机移动距离|Lx0|以上的值全部为绝对值不含符号；

[0070] A5-3、重复步骤A5-2多次，得到多组对应关系式ΔX1＝|X1－X2|、|Lx1|，ΔX2＝|X2－X3|、|Lx2|……，利用线性回归即可拟合出图像像素与电机移动微米之间的关系式，公式如下：

[0071]

[0072] 其中a,b为待求解系数，矩阵A为 B为

[0073] 本发明采集8组数据进行拟合，求Y方向的对应关系式，只需移动纵向电机和保存纵坐标即可，故步骤A5在步骤A1、A2后使用一次求出对应关系式即可。

[0074] 执行阶段包括以下步骤：

[0075] B1、执行步骤A4；

[0076] B2、根据步骤5得出的关系式分别移动横向和纵向电机使微悬臂区域与激光光斑区域重合，并读取四象限探测器的数值对电机移动距离进行微调。

[0077] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0078] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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