[发明专利]一种基于图像处理和线性回归的原子力显微镜光路自动调整方法

摘要

本发明公开了一种基于图像处理和线性回归的原子力显微镜光路自动调整方法，首先在原子力显微镜的探针架上装设可通过计算机控制进行二维方向上移动的电机，然后利用电机进行光路的自动调整，所述自动调整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原子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。

主权项

1.一种基于图像处理和线性回归的原子力显微镜光路自动调整方法，其特征在于，首先在原子力显微镜的探针架上装设可通过计算机控制进行二维方向上移动的电机，然后利用电机进行光路的自动调整，所述自动调整包括标定阶段和实施阶段；其中标定阶段包括以下步骤：A1、手动装配包括调节激光光路、调整带有CCD的显微镜的放大倍率，保证激光光斑和微悬臂在CCD视场内可见且在成像过程中能够观察到被测样品。A2、识别微悬臂A2‑1、将CCD图像进行灰度变换，对应公式为：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，I(x,y)代表图像横纵坐标；A2‑2、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；A2‑3、对图像数值取反对应公式：G(x,y)＝255‑I(x,y)；A2‑4、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；A2‑5、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。A3、采用线性回归的方法计算出电机移动距离与CCD图像像素之间的关系式A3‑1、利用步骤A2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X0；A3‑2、移动横向电机距离控制在100μm以内，利用步骤3.1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；A3‑3、重复步骤3.2即可得出多组对应关系式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A4、运用图像差减法I2－I1得出差减图像，用连通域算法对差减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。最后通过质心标出大小为100×100像素区域。实施阶段包括以下步骤：B1、执行步骤A2和步骤A4；B2、根据步骤A3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。