[发明专利]一种基于改进稀疏样本一致性的原子力显微镜图像自适应校正方法

说明书

一种基于改进稀疏样本一致性的原子力显微镜图像自适应校正方法。本发明设计了一种自适应的图像校正算法，该算法包括数据预处理和直线拟合两个步骤，能够自动生成最优拟合结果来匹配原子力显微镜扫描每条轮廓线的基准线，在此基础上，通过从畸变图像中减去拟合直线来校正图像的畸变；针对垂直漂移和虚假斜坡严重影响原子力显微镜成像质量的问题，利用本发明所设计的图像校正算法，能够准确模拟样本形貌图像截面剖面中的垂直漂移和虚假斜坡，从而实现对图像畸变的有效校正。实验结果表明，本发明所设计的图像校正算法精度高、鲁棒性强，利用该算法能够有效消除垂直漂移和虚假斜坡导致的图像畸变，从而提升原子力显微镜的成像质量。

技术领域

本发明属于微纳米科学与技术领域中的显微工具——原子力显微镜，主要涉及一种基于改进稀疏样本一致性的自适应图像校正方法。

背景技术

在许多研究工作中，利用原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)对样品进行成像是很重要的。虽然AFM在理论上具有纳米级的成像精度，但许多误差源仍然会降低成像质量。引起图像失真的误差根据来源的不同可分为四类，即扫描系统、针尖-表面相互作用、外部环境和数据处理[1-2]。这些误差引起的畸变表现为图像在水平方向上的变形和形貌图像在垂直方向上的伪影,特别是垂直漂移和虚假斜坡是造成地形图像垂直伪影的代表性误差源，难以真实表征样品表面的形貌特征。

垂直漂移的原因是很难完全定义的，因为它由多个误差源激发。例如:垂直漂移引起的图像失真可以清楚地表示为形态轮廓在不同快速扫描线上的随机垂直移动，从而在形态图像上产生人工波纹。虽然提高硬件性能，配备更纯净的实验环境，如减振平台、隔离罩、超洁净室环境等，可以减少垂直漂移对AFM成像质量的损害，但由于垂直漂移的不可控性和随机性，商用AFM仍然存在漂移引起的图像失真问题。因此，商用AFM系统通常对获得的样本形貌图像进行逐行拟合来校正畸变[3-6]。此外，研究者们还提出了许多先进的校正算法来在线补偿垂直漂移，以实现高质量成像，包括设计鲁棒控制器[7]，改善扫描算法[8-10]和改良图像处理算法[11-13]。

此外，虚假斜坡是指AFM的水平扫描平面与样品表面之间的倾斜角度，使构建的样本形貌图像产生人为倾斜。引起虚假斜坡的主要因素有安装坡度[2]、悬臂和样本之间的倾斜角[14]、扫描器在垂直方向的蠕变[15]等等。为了纠正由坡度引起的图像失真，人们提出了各种各样的算法来从形貌图像中减去坡度，这其中的关键是精确地拟合斜面。例如，C.Han等提出了一种新的方法，只使用两张扫描图像，无需特殊工具即可获得倾斜角度[15]、X.Dong等设计了一种基于递归最小二乘法的实时预处理方法进行坡度消除[16]、Y.Wang等提出了一种基于图像分割的两步算法，实现了图像平滑的自动化优化[17]、C.Yang等提出了一种基于改进的图像边缘检测方法的自适应背景去除算法[18]。

随机样本一致性算法是一种应用广泛的算法，它能够从一组包含正确数据和异常数据的观测数据中估计出数学模型的参数。然而，该算法需要预先考虑模型内部的概率；另外，该算法由于随机抽样从而具有不确定性，这意味着只有在一定概率下建模结果是合理的，因此，该算法不能保证产生最优结果。

发明内容

本发明的目的是解决垂直漂移和虚假斜坡导致原子力显微镜成像畸变的问题，提供一种基于改进稀疏样本一致性的原子力显微镜图像自适应校正方法：包括1)一种新颖的数据预处理算法，对AFM扫描得到的样本高度数据进行有效滤波；2)一种基于改进稀疏样本一致性的线拟合算法，自动生成最优拟合结果来匹配每个轮廓线的基准线，通过从畸变图像中减去拟合线来校正图像畸变，提升原子力显微镜的成像质量。

本发明所提出的自适应校正方法可以在内部概率未知的前提下获得最佳拟合结果，能够同时校正垂直漂移和虚假斜坡引起的图像畸变，提升了原子力显微镜的成像质量，且不需要进行硬件改动和在线算法修改，因此具有很强的适用性和可移植性。

本发明的技术方案

一种基于改进稀疏样本一致性的原子力显微镜图像自适应校正方法，具体步骤包括：