4.2. Формирование и методы обработки асм-изображений

1. Формирование изображений при сканировании поверхности

Процесс сканирования в атомно-силовом микроскопе Femtoscan Online может осуществляться как по оси х, так и по оси у. Площадь сканирования варьируется от 5458×5458нм до 10×10нм. При этом столик с образцом движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе. Сканирование поверхности возможно в режиме повторного прохода. В этом режиме каждая строка проходится два раза.

Информация, полученная с помощью АСМ, в компьютере хранится в виде двумерной матрицы целых чисел a_ij. Физический смысл данных чисел определяется той величиной, которая оцифровывалась в процессе сканирования – например, отклонением кантилевера. Каждому значению пары индексов ij соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования (значение координаты по z в режиме Height).

Как правило, АСМ кадры представляют собой квадратные матрицы, имеющие размер 2ⁿ (в основном 256х256 и 512х512 точек). Числа в исходной матрице лежат в некотором диапазоне, где есть минимальное и максимальное значения. Этому диапазону целых чисел ставится в соответствие цветовая палитра. Наиболее широко используются градиентные палитры, в которых раскраска изображения проводится тоном определенного цвета в соответствии с высотой точки поверхности (как на географической карте). Как правило, наиболее высокому участку поверхности соответствует светлый тон, а наиболее низкому участку – темный.

Визуализация АСМ кадров производится средствами компьютерной графики в виде двумерных (2D) и трехмерных (3D) изображений.

Информацию о поверхности образца для контактного режима можно регистрировать в трех режимах: высота (Height), отклонение (Deflection), трение (Friction). Высота – высота образца (перемещение пьезосканера по оси z, регистрируемое в топографическом режиме). Режим отклонения соответствует ошибке в системе обратной связи, поддерживающей постоянной деформацию кантилевера (сигнал с фотодиода A+B-C-D), в нем хорошо видны микроскопические детали поверхности. Трение – соответствует тангенциальной составляющей деформации кантилевера (сигнал с фотодиода A+C-B-D).

Полученные изображения после сканирования из-за погрешности аппаратуры и внешних воздействий, как указывалось выше, имеют искажения, которые необходимо по возможности устранить. Для этого в программном обеспечении АСМ предусмотрены процедуры по обработке полученных данных. В результате этого получаем приближенную к истинной топографию поверхности образца. После обработки проводится анализ топографии изучаемой поверхности.

4.2.2. Обработка изображений

Программное обеспечение FemtoScan Online включает в себя стандартные процедуры для обработки изображения: усреднение по строкам, вычитание поверхностей среднего наклона, усреднение, медианную фильтрацию, которые мы рассмотрим подробнее, и ряд дополнительных функций обработки и анализа данных (табл.2).

Функции обработки данных	Функции анализа данных	Сервисные функции
Масштабирование по вертикали Удаление искажений Усреднение по строкам Усреднение матрицей Отображение Медианная фильтрация Морфологические фильтры Линейные фильтры Пороговая фильтрация Вычитание поверхностей среднего наклона (1-го и 2-го порядка) Поворот Сглаживание Корреляционные функции Построение биквадратичного сплайна Нахождение границ Выделение зерен Линейный сплайн	Построение сечений(так же со сложным профилем) Измерение расстояний Построение изолиний Измерение углов Измерение длин протяженных объектов Построение калибровочных кривых Построение трехмерных изображений Нахождение объектов Изменение разрешения Измерение шероховатости Фурье-анализ Корреляционный анализ Построение гистограмм распределения по высотеСложение и вычитание изображений Вычисление площади поверхности Пороговая фильтрация Нахождение ступеней Репликация Инверсия Удвоение числа точек Подсветка (градиентное преобразование)	Сохранение файлов Удаление файлов Быстрый просмотр большого количества файлов Просмотр текстового заголовка файла Создание макрокоманд Выбор произвольной цветовой палитры Выделение области привязки палитры Отмена последней операции Дублирование изображений Запись изображений в буфер обмена (clipboard) Экспорт изображений в различные форматы, включая формат BMP

Табл. 2. Функции, реализованные в клиентской части программного обеспечения FemtoScan Online

Усреднение по строкам.

Процесс сканирования поверхности в атомно-силовом микроскопе происходит построчно. При этом частота регистрации информации в строке, по крайней мере, в 100 раз выше, чем частота регистрации строк. Это приводит к тому, что высокочастотные шумы содержатся, в основном, в строках изображения, а низкочастотные шумы изменяют положение строк относительно друг друга.

Во время сканирования возможно изменение расстояния зонд-образец. Следовательно, на АСМ - изображении появятся ступеньки, параллельные направлению сканирования, которых нет на реальной поверхности.

Чтобы убрать этот дефект, применяется процедура усреднения по строкам. При этом профиль строки остается прежним, а профиль столбца изменяется – убираются ступеньки (рис.7).

Рис.7. АСМ изображение топографии поверхности

(а) – до усреднения по строкам; (б) – после усреднения по строкам

Вычитание среднего наклона.

Изображения поверхности, получаемые с помощью зондовых микроскопов, часто имеют общий наклон, который может появляться по разным причинам:

1. Это может быть реальный наклон поверхности.

2. Неточная установка образца относительно зонда.

3. Температурный дрейф, который приводит к смещению образца относительно зонда во время сканирования.

4. Нелинейность перемещений пьезосканера.

Наличие общего наклона на изображении мешает выявлению мелких деталей структуры объекта. Для устранения этого недостатка производят операцию вычитания плоскости среднего наклона. На рис. 8 дано схематическое пояснение одномерного случая, на рис.9 – для поверхности. Эта операция позволяет сделать более заметными детали изображения.

Рис.8. Вычитание линии среднего наклона.

Рис.9. Вычитание плоскости среднего наклона из АСМ изображения поверхности

Нелинейность пьезосканера может привести к тому, что изображение получится вогнутым. В этом случае необходимо вычитать не плоскость, а более сложную поверхность – параболическую или гиперболическую (рис.10).

Рис.10. Вычитание поверхности второго порядка из АСМ изображения поверхности

Усреднение.

Чтобы устранить шумовые составляющие (шумы аппаратуры, нестабильность контакта зонд-образец при сканировании, внешние вибрации и акустические шумы) необходимо провести усреднение сигнала.

Для этого достаточно заменить значение в каждой точке средним арифметическим значений всех точек в ближайшей ее окрестности.

На рис. 11 схематически показана процедура усреднения сигнала в одномерном случае.

Рис. 11. Одномерное усреднение АСМ сигнала.

К матричному массиву чисел применяют усреднения стандартными матрицами 33 и 55.

Медианная фильтрация.

Для удаления случайных высокочастотных помех в АСМ кадрах применяют медианную фильтрацию. Это нелинейный метод обработки изображений, позволяющий убрать резкие выбросы, но, в отличие от усреднения, оставляющий ступеньки. Поясним процесс фильтрации на одномерном случае (рис.12).

Рис. 12. Одномерная медианная фильтрация СЗМ сигнала.

В одномерном случае по горизонтали отложена координата точки, по вертикали – её значение. Для фильтруемой точки берутся значения её соседей и заносятся в таблицу. Таблица сортируется по возрастанию, и за новое значение точки принимается значение из средней ячейки таблицы.

Таким образом, если в точке был резкий выброс, то эта точка окажется на краю отсортированной таблицы и не попадет в отфильтрованное изображение.

Рис.13. Медианная фильтрация с окном 3х3 АСМ изображения поверхности.