專利名稱:壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描探針顯微鏡精確成像技術(shù)，是一種壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷管掃描器是掃描探針顯微鏡的主要運(yùn)動(dòng)部件之一，它帶動(dòng)探針或樣品進(jìn)行X、Y方向的掃描及Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，從而完成樣品表面形貌的成像。用于掃描器的壓電陶瓷管具有如下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)內(nèi)表面與外表面金屬化后，按徑向極化，外壁金屬涂層被分隔成四個(gè)電極作為水平X和垂直Y的掃描電極，整個(gè)管的內(nèi)壁作為調(diào)節(jié)針尖高低的Z向電極。由于壓電陶瓷管本身固有的遲滯特性，其伸縮變形量與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線呈現(xiàn)明顯的非線性，特別是當(dāng)進(jìn)行大范圍掃描時(shí)，非線性更嚴(yán)重。此外，由于壓電陶瓷管加工過(guò)程中外壁電極分割不均勻和管壁厚度不均勻等問(wèn)題，使得X與Y向電壓驅(qū)使的運(yùn)動(dòng)不能精確正交。所有這些都嚴(yán)重影響了掃描器的工作特征，會(huì)造成掃描圖形的畸變，因此必須對(duì)壓電陶瓷管掃描器進(jìn)行非線性校正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，依此方法能夠有效地消除用壓電陶瓷管掃描器進(jìn)行圖形掃描時(shí)所引起的掃描圖像畸變，從而有利于獲得物體表面實(shí)貌的真實(shí)掃描圖像。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于包括以下步驟(1)采用測(cè)微儀器測(cè)量出壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)；(2)將所述系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作出的曲線擬合成壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線并求其擬合函數(shù)。
還包括以下步驟將所述擬合函數(shù)轉(zhuǎn)換為反函數(shù)，即以壓電陶瓷管的伸縮量為自變量；通過(guò)計(jì)算得到用于等間隔伸縮所需的電壓值，以對(duì)壓電陶瓷管的非線性特征進(jìn)行逐點(diǎn)校正。
所述測(cè)微儀器為邁克爾遜干涉裝置。
所述步驟(1)中壓電陶瓷管掃描器的驅(qū)動(dòng)電壓值采用等差數(shù)列；所述壓電陶瓷管的自變量伸縮值采用等差數(shù)列。
所述壓電陶瓷管的伸縮量有X方向和Y方向的伸縮量，所述電壓為相應(yīng)的X向和Y向驅(qū)動(dòng)電壓，并分別擬合而成相應(yīng)的的關(guān)系曲線。
所述擬合采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行二次擬合或二次以上擬合。
所述邁克爾遜干涉裝置中，采用旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)壓電陶瓷管作同軸旋轉(zhuǎn)的方法，可精確地找到壓電陶瓷管的伸縮端，消除非正交性對(duì)測(cè)壓電陶瓷管伸縮量與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線的影響。
所述邁克爾遜干涉裝置中，采用滑動(dòng)塊帶動(dòng)平面反射鏡移動(dòng)及連接桿與壓電陶瓷管伸縮端滑動(dòng)接觸的結(jié)構(gòu)，避免了壓電陶瓷管與旋轉(zhuǎn)臺(tái)同軸旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)光路的影響。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下由于本發(fā)明壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，采用了現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)微儀器，如光學(xué)的或電學(xué)的精密測(cè)量?jī)x器，測(cè)量出壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，并將該系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作出的曲線擬合成壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線；有了擬合關(guān)系曲線，就等于確立了所述伸縮量與所述電壓之間的函數(shù)式，通過(guò)確定該函數(shù)式的反函數(shù)就能夠做到以電壓值的非等差距變化來(lái)獲得伸縮值的等差距變化，即可以進(jìn)行壓電陶瓷管掃描器的非線性校正，將校正參數(shù)用于壓電陶瓷管掃描器驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)控制加載電壓得到等間隔的伸縮，從而可以用于掃描探針顯微鏡保證獲得非畸變的掃描圖像。實(shí)驗(yàn)證明依此方法能夠有效地消除用壓電陶瓷管掃描器進(jìn)行圖形掃描時(shí)所引起的掃描圖像畸變。
由于將所述擬合關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換為反函數(shù)，即以壓電陶瓷管的伸縮量為自變量；通過(guò)計(jì)算得到用于等間隔伸縮所需的電壓值，從而便于實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷管掃描器的非線性特征進(jìn)行逐點(diǎn)校正。
由于測(cè)微儀器采用邁克爾遜干涉裝置，即利用成熟的邁克爾遜干涉原理的光學(xué)法，可以進(jìn)行精確的測(cè)量。用干涉法測(cè)量壓電陶瓷的伸縮量與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線，測(cè)量原理和方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
由于壓電陶瓷管的自變量伸縮值采用等差數(shù)列，這樣就便于提高非線性校正方法的精確性，以及實(shí)際操作運(yùn)行中使壓電陶瓷管掃描器實(shí)現(xiàn)等間隔伸縮的確定性。
由于分別測(cè)得壓電陶瓷管的X向和Y向驅(qū)動(dòng)電壓與伸縮量之間的關(guān)系曲線，符合以壓電陶瓷管作為掃描器的實(shí)際情況，更為滿足該驅(qū)動(dòng)裝置掃描圖像的需求。
由于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行二次擬合或二次以上擬合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件方法與光學(xué)方法的結(jié)合，這就可以最大程度地接近驅(qū)動(dòng)電壓與伸縮量變化關(guān)系的實(shí)際狀況。一般說(shuō)來(lái)，二次擬合就能夠充分滿足實(shí)際需要。
由于邁克爾遜干涉裝置中，采用旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)壓電陶瓷管同軸旋轉(zhuǎn)，可精確地找到壓電陶瓷管的伸縮端，消除壓電陶瓷管的非正交性對(duì)測(cè)其伸縮量與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線的影響。
由于邁克爾遜干涉裝置中，采用滑動(dòng)塊帶動(dòng)平面反射鏡移動(dòng)及連接桿與壓電陶瓷管伸縮端滑動(dòng)接觸的結(jié)構(gòu)，這就可以避免壓電陶瓷管與旋轉(zhuǎn)臺(tái)同軸旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)光路的影響。
綜上所述，依據(jù)本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和基本的技術(shù)構(gòu)思，可以得到一個(gè)完善的壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，能夠有效地消除用壓電陶瓷管掃描器進(jìn)行圖形掃描時(shí)所引起的掃描圖像畸變，從而獲得物體表面實(shí)貌的真實(shí)掃描圖像。



圖1為測(cè)壓電陶瓷管X向和Y向驅(qū)動(dòng)電壓與伸縮量關(guān)系曲線的光學(xué)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為壓電陶瓷管的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為壓電陶瓷管伸縮端滑動(dòng)接觸結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)記列示如下1.滑動(dòng)臺(tái)；2.壓電陶瓷管；3.旋轉(zhuǎn)臺(tái)；4.連接桿；5.滑動(dòng)塊；6.激光管S；7.平面反射鏡M1；8.平面反射鏡M2；9.平面反射鏡M3；10.平面反射鏡M4；11.凸透鏡G1；12.凸透鏡G2；13.分光鏡N；14.濾波鏡F；15.接收屏P；16.干涉條紋；17.干涉條紋移動(dòng)方向；18.壓電陶瓷管外壁電極金屬涂層；19.絕緣層；20.壓電陶瓷管內(nèi)壁電極金屬涂層；21.接觸點(diǎn)K。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
關(guān)于本發(fā)明壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法的技術(shù)構(gòu)思由于壓電陶瓷管本身的性質(zhì)，使得壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)裝置往往具有很大的非線性特征，即在等間隔的電壓驅(qū)動(dòng)下將得到非線性的伸縮。這就給用壓電陶瓷管制作的掃描器帶來(lái)許多的麻煩。本發(fā)明提出了一項(xiàng)簡(jiǎn)易壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)裝置校準(zhǔn)方法。首先利用測(cè)微儀器(例如邁克爾遜干涉方法)測(cè)量壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)裝置的電壓/伸縮量特征曲線；然后將測(cè)量結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線擬合，得到S＝f(v)擬合函數(shù)(其中S是壓電陶瓷管的伸縮量，v是壓電陶瓷管上所施加的電壓)。利用函數(shù)分析得到上述函數(shù)的反函數(shù)，v＝f-1(S)。為了得到等間距線性伸縮量特征，將相應(yīng)伸縮值輸入該反函數(shù)，即可得到保證等間隔線性伸縮量需加載于壓電陶瓷管上的電壓。等間隔伸縮是掃描器無(wú)畸變的重要保證。
實(shí)施例如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明壓電陶瓷管掃描器的伸縮量測(cè)量使用邁克爾遜干涉裝置，其中標(biāo)記6為激光管S，標(biāo)記7、8、9、10分別為平面反射鏡M1、M2、M3、M4，標(biāo)記11、12分別為凸透鏡G1、G2，標(biāo)記14為濾波鏡F，標(biāo)記13為分光鏡N，標(biāo)記15為接收屏P，標(biāo)記16為干涉條紋，標(biāo)記17為干涉條紋移動(dòng)方向，標(biāo)記18為壓電陶瓷管外壁金屬涂層，標(biāo)記19為絕緣層，標(biāo)記20為壓電陶瓷管內(nèi)壁金屬涂層，標(biāo)記21為接觸點(diǎn)K，以及滑動(dòng)臺(tái)1、壓電陶瓷管2、旋轉(zhuǎn)臺(tái)3及連接桿4。其中要求壓電陶瓷管2固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)3上并使兩者同軸；滑動(dòng)塊5的一端固定反射鏡M4，另一端固定一連接桿4并通過(guò)此桿與壓電陶瓷管2的伸縮端滑動(dòng)接觸。其工作過(guò)程為從激光管S發(fā)出的一束激光經(jīng)平面反射鏡M1和M2被提升到一定高度，再依次經(jīng)過(guò)G1、F和G2進(jìn)行聚焦、濾波和擴(kuò)束后變成平行光。此平行光經(jīng)過(guò)分光鏡N后被分成兩束光(反射光和透射光)，其中一束射到固定的反射鏡M3上，另一束射到固定在滑動(dòng)塊5上的反射鏡M4上，兩束光分別經(jīng)過(guò)M3和M4的反射后再次經(jīng)過(guò)分光鏡N的透射與反射后形成明暗相間的干涉條紋16，其可在接受屏P上看到。由于在理想情況下，壓電陶瓷管X向和Y向是完全正交的，即如圖2所示X向電極AB方向與Y向電極CD方向完全垂直；但在實(shí)際中，存在壓電陶瓷管外壁電極分割不均勻和管壁厚度不均勻等問(wèn)題，就會(huì)有如圖2所示的情況Y向電極在C’D’方向，這樣就使得X向與Y向電壓驅(qū)使的運(yùn)動(dòng)不能精確正交，因此采用了圖1右側(cè)的結(jié)構(gòu)來(lái)精確地找到壓電陶瓷管實(shí)際狀況的伸縮端A(B)或C’(D’)點(diǎn)。實(shí)施的測(cè)量手段以施加X(jué)向電壓測(cè)X向伸縮量為例，具體操作如下在調(diào)節(jié)整個(gè)光路與附加裝置時(shí)將接觸點(diǎn)K盡量設(shè)置在C’(或D’)點(diǎn)附近即接近Y向(這可通過(guò)壓電陶瓷管電極的外接電源引線點(diǎn)確定)，然后給壓電陶瓷管2逐步施加X(jué)向電壓，看干涉條紋16是否移動(dòng)，如有移動(dòng)需調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)3改變接觸點(diǎn)K，反復(fù)重復(fù)上述過(guò)程直到干涉條紋不再移動(dòng)，這時(shí)K點(diǎn)一定與C(或D)點(diǎn)重合(AB向與CD向完全垂直)，然后再將旋轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針或逆時(shí)針精確旋轉(zhuǎn)90度(旋轉(zhuǎn)的精確度由旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的刻度盤決定)，也就是說(shuō)此時(shí)接觸點(diǎn)K與A(或B)重合，從而保證了所測(cè)得的系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為壓電陶瓷管2實(shí)際狀況的X向驅(qū)動(dòng)電壓與X向伸縮量關(guān)系。反之，測(cè)壓電陶瓷管2的Y向驅(qū)動(dòng)電壓與Y向伸縮量關(guān)系曲線時(shí)，方法亦然。當(dāng)壓電陶瓷管2在電壓的驅(qū)動(dòng)下伸縮時(shí)會(huì)帶動(dòng)M4移動(dòng)，進(jìn)而干涉條紋由于光程差的變化也將發(fā)生移動(dòng)。依據(jù)邁克爾遜干涉儀M4每移動(dòng)λ/2(λ為激光波長(zhǎng))的距離就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光干涉的拍信號(hào)，因此可根據(jù)光拍信號(hào)的個(gè)數(shù)計(jì)算出壓電陶瓷管伸縮量，從而獲得壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線。然后，再分別對(duì)其單程曲線進(jìn)行二次擬合s＝av2+bv+c(s為伸縮量，v為驅(qū)動(dòng)電壓，a、b、c為擬合系數(shù))。最后，將擬合系數(shù)a、b和c寫入掃描校正程序中，通過(guò)軟件給壓電陶瓷管施加非等間距的電壓，目的是產(chǎn)生等間距變化的伸縮量，從而使壓電陶瓷管以線性方式工作，達(dá)到非線性校正的目的。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，依據(jù)本發(fā)明的原理，還可以作出若干變化和改進(jìn)，但是，這些均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于包括以下步驟(1)采用測(cè)微儀器測(cè)量出壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)；(2)將所述系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作出的曲線擬合成壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線并求其擬合函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于還包括以下步驟將所述擬合函數(shù)轉(zhuǎn)換為反函數(shù)，即以壓電陶瓷管的伸縮量為自變量；通過(guò)計(jì)算得到用于等間隔伸縮所需的電壓值，以對(duì)壓電陶瓷管的非線性特征進(jìn)行逐點(diǎn)校正。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于所述測(cè)微儀器為邁克爾遜干涉裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于所述步驟(1)中壓電陶瓷管的驅(qū)動(dòng)電壓值采用等差數(shù)列；所述壓電陶瓷管的自變量伸縮值采用等差數(shù)列。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于所述壓電陶瓷管的伸縮量有X方向和Y方向的伸縮量，所述電壓為相應(yīng)的X向和Y向驅(qū)動(dòng)電壓，并分別擬合而成相應(yīng)的關(guān)系曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于所述擬合采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行二次擬合或二次以上擬合。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于所述邁克爾遜干涉裝置中，采用旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)壓電陶瓷管作同軸旋轉(zhuǎn)的方法，可精確地找到壓電陶瓷管的伸縮端，消除壓電陶瓷管的非正交性對(duì)測(cè)其伸縮量與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的壓電陶瓷管壓電陶瓷管非線性校正方法，其特征在于所述邁克爾遜干涉裝置中，采用滑動(dòng)塊帶動(dòng)平面反射鏡移動(dòng)及連接桿與壓電陶瓷管伸縮端滑動(dòng)接觸的結(jié)構(gòu)，避免壓電陶瓷管與旋轉(zhuǎn)臺(tái)同軸旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)光路的影響。
專利摘要
本發(fā)明提供一種壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，依此方法能夠有效地消除用壓電陶瓷管掃描器進(jìn)行圖形掃描時(shí)所引起的掃描圖像畸變，從而有利于獲得物體表面實(shí)貌的真實(shí)掃描圖像。本發(fā)明的技術(shù)方案為，壓電陶瓷管掃描器非線性校正方法，其特征在于包括以下步驟(1)采用測(cè)微儀器測(cè)量出壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)；(2)將所述系列對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作出的曲線擬合成壓電陶瓷管的伸縮量與其驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線。
文檔編號(hào)G01Q40/00GKCN1544913SQ200310113670
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月19日
發(fā)明者王丹丹, 左燕生, 韓立, 安秉謙, 林云生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan