STM/AFM相关软件系统设计与开发

【摘要】： 该文介绍了相关扫描隧道显微镜和原子力显微镜(STM/AFM)机型的整个软件系统的设计思路及其实现方法,对其中的三大分支:硬件控制采集系统、图像处理与3D重建系统、扫描隧道谱采集与识别系统分别进行了论述。 作者结合自己在三个子系统开发中的实际经验和理论研究成果,对每个系统设计中的关键性技术进行了细致的分析和对比实验。对硬件控制和采集系统,针对原有控制程序,提出了一系列改进和改良方案,主要包括定时控制的新方案、多线程实现的稳定性增强方案、探针扫描路线新方案、底层兼容性的解决方法和界面交互等的原有控制程序的若干漏洞的修正。对图像处理,介绍了本设计中使用的大量实用的图像处理技术。从几何变换、图像增强、模板操作到傅立叶频谱域的各种高低通滤波处理的实现,重点论述了相关处理对于隧道扫描图像的针对性作用,并作了大量对比实验。在3D重建方面,介绍了本设计特有的关于OpenGL法线的优化算法、特殊的光照处理、规则高度场的快速三角化、伪彩色处理、等高面块的实现方法、图像矢量化等相关技术。对隧道谱处理,介绍了示波器图像中曲线的识别、离散整数点的平滑、拟合和高阶导数求取等处理的实现原理和方法。 该系统自2003年初开始研制以来,期间经过多次大的修改和调整,并结合实际测试中的反馈意见进行了大量细致的改进,目前该系统已经作为标配系统提供给实际工作环境,其中,扫描程序较之原有控制程序,提供更广泛的平台支持和运行稳定性,以及更多实时控制功能。图像处理和3D重建程序也已经能够完全替代原来使用的第三方商业软件(PhotoShop Matlab)的对应功能实现相关的处理,并具有更高的执行效率和更丰富的针对性处理能力。对隧道谱采集与处理系统,已经成功完成与四川大学的合作项目中隧道谱的测试和分析,具有准确高效的的识别能力的稳定独立的运行性能。 通过本系统测量和处理,已经得到众多有价值的研究成果,协助多方进行了大量材料和生物领域的相关学术研究和产品研发,市场反映良好,应用前景广阔。