工业SPM整体软件设计与三维图像拼接技术的研究

摘要

迄今为止，扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM）具有高分辨力、实时成像能力以及纳米操纵等功能，无论是在物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有一席之地。根据探针与样品之间近场作用参数和应用领域的不同，SPM已经演化出许多分支，成为了一个庞大的家族。但是随着工业化的普及，扫描探针显微技术暴露出了很多不足之处，例如扫描速度缓慢以及扫描区域的局限性等。本项目针对传统SPM的缺陷，研发一种新型工业型扫描探针显微测试系统，在探针形状标定与更换、3D形貌信息获取、快速扫描控制及其补偿、快速无损进针等关键技术上进行研究。
　　本论文主要完成工业型扫描探针显微测试系统上位机软件的开发与测试工作，上位机软件包含实时扫描与图像离线处理两部分。此外，针对样品真实三维形貌的获取，提出一种图像拼接算法，应用在实际样品中，取得了较好的拼接效果。论文主要工作包括以下几个部分：
　　1、概述了SPM与三维图像拼接技术的研究背景，包括SPM的发展历程以及图像拼接技术在获得图像真实三维形貌中的应用。
　　2、从系统工作流程出发，搭建合理的程序框架，为实现各模块的功能，分配不同的类库与辅助类库。阐述了程序主要通信协议TCP/IP的数据收发原理以及主要图形接口OpenGL的显示机理。
　　3、实现上位机实时扫描功能，包括电机控制、区域选择、粗定位、快速扫描、3D扫描、快速逼近、视图界面等模块。各模块分工不同，协同工作，完成对样品的实时扫描。
　　4、设计图像离线处理模块，为实时扫描得到的扫描数据进行后处理工作，包括图像的显示（平面图、三维图、局部图），图像的数据统计（高度概率图、截面图、粗糙度），图像的后处理（线拟合、调平）。
　　5、设计图像拼接算法应用在二维扫描数据中，还原真实的三维图像。利用一种经过预处理的图像匹配算法获得最佳匹配点，之后对侧壁图像进行一系列翻转、旋转、切割、拼接操作达到目的。把算法应用在菱形棱镜表面图像上，并评价了拼接结果。

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第一章 绪论

1.1扫描探针显微镜的研究现状

1.2三维图像拼接技术的研究背景

1.3课题研究意义与主要研究内容

第二章 系统设计

2.1框架的搭建

2.2系统环境

2.3本章小结

第三章 实时扫描（Realtime）

3.1区域选择模块

3.2粗定位模块

3.3电机控制模块

3.4快速扫描模块

3.5 3D扫描模块

3.6快速逼近模块

3.7视图模块

3.8本章小结

第四章 图像离线处理（Offfline）

4.1图像的显示

4.2图像的数据统计

4.3图像后处理

4.4本章小结

第五章 三维图像拼接

5.1被测样品与实验流程

5.2图像匹配算法

5.3图像拼接算法

5.4图像拼接效果评价

5.5本章小结

第六章 总结展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

附表：