專利名稱：納米顆粒顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鏡顯鏡，具體地說，涉及一種納米顆粒顯微鏡。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的顯微鏡，有一種是利用光衍射統(tǒng)計方式構(gòu)成的顯微鏡，其只能獲得顆粒的統(tǒng)計特征。還有一種是利用透視的方式構(gòu)成的顯微鏡，它也只能獲得顆粒的透視特征。上述兩種顯微鏡是達(dá)不到既能觀測納米顆粒的形狀形貌又能進(jìn)行納米級顆粒的統(tǒng)計、分級的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述在先技術(shù)中的問題，提供一種納米顆粒顯微鏡，既能觀測納米顆粒的形貌特征、又能得到其統(tǒng)計數(shù)據(jù)。分辯率能夠達(dá)到觀察DNA，即分辯率達(dá)到納米級。同時又可人為地干預(yù)適宜于研究納米顆粒的一種工具。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是在顯微鏡的結(jié)構(gòu)中，包含內(nèi)部含有信息控制采集模塊、形貌圖處理模塊、形貌圖分析模塊、顆粒統(tǒng)計模塊和觀察顯示模塊的主機(jī)；內(nèi)部含有掃描輸出器、Z采樣輸入器、輸出輸入轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主控制器；內(nèi)部含有預(yù)處理器、掃描器和帶振蕩器的探針的探頭。
上述結(jié)構(gòu)中的三大部分主機(jī)、主控制器和探頭。首先是主機(jī)發(fā)出控制信號，經(jīng)過主控制器傳送至探頭上，探頭開始檢測；當(dāng)探頭上的探針接近被測顆粒時，由于原子力的吸收和排斥作用，探針發(fā)生彎曲，于是經(jīng)探針反射后射在探頭內(nèi)接收管上的光點(diǎn)產(chǎn)生移動，接收管將光點(diǎn)的移動轉(zhuǎn)化為電量，經(jīng)探頭內(nèi)的預(yù)處理器處理后送至主控制器。經(jīng)過主控制器中Z采樣輸入器采樣，采樣信號經(jīng)過輸出輸入轉(zhuǎn)換器送入主機(jī)內(nèi)。經(jīng)過主機(jī)中的形貌圖處理和形貌圖分析模塊以及顆粒統(tǒng)計和觀察模塊后，既可以在顯示器上觀察到被測顆粒的形貌圖像，又可以獲得被測顆粒的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。當(dāng)探針越接近被測顆粒時，被測顆粒與探針針尖之間的排斥力越大，探針彎曲的角度越大。則接收管輸出的電量也越大。運(yùn)用改變Z軸的數(shù)據(jù)，使被測顆粒與針尖之間保持恒定的距離，就取得了被測顆粒的形貌起伏變化的數(shù)據(jù)。由于Z軸控制的精度能夠達(dá)到極高，故分辯率能夠達(dá)到納米級。
本發(fā)明顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)是顯著的。
1、本發(fā)明的顯微鏡具有既可以觀察被測顆粒的形貌圖像，又能獲得被測顆粒的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還可以獲得單個顆粒的面積計算等功能。
2、本發(fā)明的顯微鏡的分辯率能夠達(dá)到納米級。能夠使觀測精度達(dá)到DNA納米顆粒的要求。本發(fā)明顯微鏡的測量精度已達(dá)到小于0.5納米。
3、本發(fā)明的顯微鏡有局部人為干預(yù)的功能。主機(jī)可以通過主控制器控制探頭探測，以致控制探頭探針的振動。在不同范圍的掃描均能達(dá)到16位的精度。


圖1是本發(fā)明顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明顯微鏡中探頭3的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-1是圖2探頭3中，預(yù)處理器309的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-2a是圖2探頭3中掃描器307的外形圖。
圖2-2b是圖2-2a的A-A剖視圖。
圖3是本發(fā)明顯微鏡中主控制器2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-1是圖3中掃描輸出器201的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-2是圖3中Z采樣輸入器202的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-3是圖3輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中分配器2031的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-4是圖3輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中數(shù)字信號處理器2032的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-5是圖3輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中轉(zhuǎn)換接口電路2033的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3-6是圖3輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中振蕩控制模塊2036的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4-1是本發(fā)明顯微鏡中主機(jī)1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4-2是圖4-1中信息控制采集模塊101的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明顯微鏡的結(jié)構(gòu)。
圖1是本發(fā)明顯微鏡的整體結(jié)構(gòu)。包括主機(jī)1，與主機(jī)1連接的主控制器2，與主控制器相連的探頭3。連接在主機(jī)1上的顯示器5。供電給主機(jī)1、主控制器2和顯示器5的主電源4。
主機(jī)1發(fā)出探測指令，經(jīng)過主控制器2傳至探頭3。探頭3將探測被測顆粒的數(shù)據(jù)和形貌圖像經(jīng)主控制器2傳送至主機(jī)1。主機(jī)1對數(shù)據(jù)和形貌圖像進(jìn)行處理、分析和統(tǒng)計。最終在顯示器5上顯示出被測顆粒的形貌圖像，以及給出被測顆粒的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
圖2是本發(fā)明顯微鏡中探頭3的具體結(jié)構(gòu)。由圖2所示，本發(fā)明的探頭3包含接收管301，帶有振蕩器306的探針303，激光光源305，掃描器307和預(yù)處理器309。其中，預(yù)處理器309分別與接收管301、激光光源305、振蕩器306和主控制器2相連。激光光源305發(fā)射的激光束射在探針303針尖的背面上。探針針尖303反射的光束射在接收管301的接收面上。圖2中為了縮短光路，加入兩個反射鏡302、304。探針303的針尖指向掃描器307的臺面。被測顆粒308就置放在掃描器307的臺面上。
掃描器307與主控制器2相連，由主控制器2控制掃描器307的掃描。
當(dāng)被測顆粒308置放在掃描器307的臺面上，主機(jī)1通過主控制器2中的掃描輸出器201使掃描器307帶著被測顆粒308開始掃描。與此同時，主機(jī)1通過主控制器2的振蕩控制模塊2036和預(yù)處理器309使振蕩器306帶動探針303不停地振動；并同時使激光光源305發(fā)射激光束射在探針303針尖的背面上。探針303探測到的被測顆粒308在X、Y、Z方向上的變化，通過探針303針尖背面上反射光束的變化反映出來。反射光束射在接收管301的接收面上，被接收管301接收后，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斶M(jìn)預(yù)處理器309中，經(jīng)過預(yù)處理器309預(yù)處理(見圖2-1)后，通過主控制器2中的Z采樣輸入器202送進(jìn)主機(jī)1中進(jìn)行處理。
圖2-1是所說的預(yù)處理器309的結(jié)構(gòu)。含有分別與接收管301相連的加、減法運(yùn)算器3091、3092。與加、減法運(yùn)算器3091、3092相連的有效值運(yùn)算器3093。與振蕩器306相連的乘法運(yùn)算器3094。與乘法運(yùn)算法3094相連的正弦信號發(fā)生器3095。
上述結(jié)構(gòu)的預(yù)處理器309，從接收管301得到上、下兩個能量信號A、B。經(jīng)過加法運(yùn)算器3091做A+B加法運(yùn)算，經(jīng)過減法運(yùn)算器3092做B-A減法運(yùn)算，兩個運(yùn)算結(jié)果A+B和B-A均送入有效值運(yùn)算器3093內(nèi)做[(B-A)/(A+B)]運(yùn)算，最后得到有效值送入主控制器2中的Z采樣輸出器202中。其中經(jīng)過加法運(yùn)算器3091獲得A+B為總能量E，經(jīng)過主控制器2中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A/D)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入控制總線XBUS中。正弦信號發(fā)生器3095產(chǎn)生的正弦波信號(即振動頻率信號)與主控制器2中振蕩控制模塊2036送來的振幅信號(即振動幅度)通過乘法運(yùn)算器3094得到電壓信號送到振蕩器306(本實(shí)施例中，振蕩器306為壓電陶瓷管)上，從而控制探針303的振動幅度和頻率。
圖2-2a，圖2-2b是探頭3中掃描器307的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，掃描器307選用壓電陶瓷管(PZT)。利用壓電陶瓷管的壓電效應(yīng)，在加電壓的作用下，有規(guī)律地產(chǎn)生形變，帶動放在它上面的被測顆粒308做三維運(yùn)動。壓電陶瓷管(PZT)可以選用PZT-5A型，或PZT-8型、或PZT-4、或PZT-4D、或PZT-5B、或PZT-5J、或PZT-5H、或PZT-5等型號的壓電陶瓷管。壓電陶瓷管有5個方向的變形，即為5個方向+X、-X、+Y、-Y、-Z方向的運(yùn)動。
如上述結(jié)構(gòu)，因?yàn)轭A(yù)處理器309控制振蕩器306使探針303的針尖處在不斷地上下震動狀態(tài)。所以，本發(fā)明不僅能夠獲得很高的分辯率，而且探針303不會使被測顆粒受力過大，就是對剛性較差的被測顆粒也可以進(jìn)行測試。
本實(shí)施例中，接收管301選用四象限接收管。
圖3是本發(fā)明顯微鏡的主控制器2的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，主控制器2包含兩端分別連接到主機(jī)1和總控制線XBUS的輸出輸入轉(zhuǎn)換器203。輸入端與控制總線XBUS相連，輸出端連接到探頭1上掃描器307上的掃描輸出器(包括X、Y、Z三個方向)201。輸入端分別與探頭1上預(yù)處理器309相連，輸出端連接到控制總線XBUS的Z采樣輸入器202和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)204。其中所說的輸出輸入轉(zhuǎn)換器203內(nèi)含有與主機(jī)1連接的轉(zhuǎn)換接口電路(I/O)2033。與轉(zhuǎn)換接口電路2033相連的數(shù)字信號處理器2032。與數(shù)字信號處理器2032相連的分配器2031。輸入端與電源相連，輸出端輸出為低壓電源2034(+5V、-5V、+15V、-15V)和高壓電源2035(+200V、-200V)的低通濾波器2037。輸入端與控制總線XBUS相連，輸出端經(jīng)過低通濾波器2037連接到探頭1上預(yù)處理器309上的振蕩控制模塊2036。
所說的控制總線XBUS含有控制信號傳輸線、地址分配傳輸線、數(shù)字信號傳輸線以及模擬信號傳輸線等。
圖3-1是圖3中所說的掃描輸出器201的結(jié)構(gòu)。掃描輸出器201包含X、Y、Z三個方向上的掃描單元201X、201Y、201Z。每個掃描單元都包含與控制總線XBUS相連的總線收發(fā)器和控制器。在本實(shí)施例中，X、Y二方向上的掃描單元201X、201Y共用一個總線收發(fā)器2017XY和共用一個控制器2018XY。Z方向上獨(dú)立使用總線收發(fā)器2017Z和控制器2018Z；分別都與總線收發(fā)器和控制器相連的掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)2015X、2015Y、2015Z、偏移量數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)2012X、2012Y、2012Z以及精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)2011X、2011Y、2011Z。精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)2011X、2011Y、2011Z的輸入端分別與掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器2015X、2015Y、2015Z的輸出端相連。分別與偏移量數(shù)模轉(zhuǎn)換器2012X、2012Y、2012Z的輸出端以及與精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器2011X、2011Y、2011Z的輸出端相連的加法器2013X、2013Y、2013Z。分別與加法器2013X、2013Y、2013Z的輸出端相連的放大器2014X、2014Y、2014Z。
在掃描單元201X和201Y中，還包含分別與放大器2014X、2014Y相連的倒相器2016X、2016Y。所說的放大器2014X、2014Y、2014Z以及倒相器2016X、2016Y的輸出端均連接的探頭3上的掃描器307上。其中放大器2014X的輸出控制掃描器307在X軸的負(fù)方向-X運(yùn)動。經(jīng)過倒相器2016X倒相后，增加X軸正方向+X的運(yùn)動。同樣，放大器2014Y的輸出控制掃描器307在Y軸負(fù)方向-Y的運(yùn)動，經(jīng)過倒相器2016Y倒相后，增加Y軸正方向+Y的運(yùn)動。因此，倒相器起到了擴(kuò)大X、Y軸掃描范圍的作用。
在本實(shí)施例中所說的總線收發(fā)器2017XY和2017Z選用總線收發(fā)BUFFER芯片，起到保護(hù)數(shù)據(jù)不失貞的作用；所說的控制器(GAL)2018XY、2018Z選用控制芯片GAL16V8D。起到保證主機(jī)1通過控制總線XBUS輸送的控制信息正確傳遞；所說的掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器2015X、2015Y、2015Z以及偏移量數(shù)模轉(zhuǎn)換器2012X、2012Y、2012Z均選用AD669芯片。通過這個芯片主要是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成8位的模擬信號；所說的精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器2011X、2011Y、2011Z均選用AD7846芯片。這個芯片除將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成8位的模擬信號，還能使輸入的信號位數(shù)疊加。即當(dāng)掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器2015X、2015Y、2015Z輸出的8位信號輸入到精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器2011X、2011Y、2011Z后，兩個8位信號即位數(shù)疊加為16位。
如上述掃描輸出器201的結(jié)構(gòu)，當(dāng)主機(jī)1發(fā)出啟動指令，通過控制總線XBUS和控制器2018XY、2018Z分別向各個掃描單元201X、201Y、201Z發(fā)出啟動信號；數(shù)據(jù)通過總線收發(fā)器2017XY、2017Z分別送進(jìn)掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器2015X、2015Y、2015Z，偏移量數(shù)模轉(zhuǎn)換器2012X、2012Y、2012Z以及精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器2011X、2011Y、2011Z中，將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成8位的模擬信號；掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器2015X、2015Y、2015Z將各自的8位信號分別輸入精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器2011X、2011Y、2011Z上，8位信號疊加為16位信號后，分別輸入加法器2013X、2013Y、2013Z中并與偏移量數(shù)模轉(zhuǎn)換器2012X、2012Y、2012Z輸進(jìn)加法器2013X、2013Y、2013Z的數(shù)值相加后，分別經(jīng)過放大器2014X、2014Y、2014Z放大后，分別控制探頭3上的掃描器307作-X、-Y、-Z方向的運(yùn)動。在掃描單元201X、201Y中，為了擴(kuò)大X、Y方向的掃描范圍，放大器2014X、2014Y的輸出經(jīng)過倒相器2016X、2016Y后，增加控制掃描管307的+X、+Y方向的運(yùn)動。由此可見，本發(fā)明的掃描精度均達(dá)到16位的精度。
圖3-2是主控制器2中Z采樣輸入器202的結(jié)構(gòu)，包含與探頭3上預(yù)處理器309輸出端相連的低通濾波器(SS)2022，與低通濾波器2022輸出端相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)2021，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器2021輸出端相連的采樣總線收發(fā)器2023。采樣總線收發(fā)器2023的輸出連接到控制總線XBUS上。
在本實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)2021選用ADS926芯片，采樣總線收發(fā)器2023選用BUFFER芯片。
如上述Z采樣輸入器202的結(jié)構(gòu)，當(dāng)預(yù)處理器309輸出的Z采樣信號輸入到主控器2中Z采樣輸入器202內(nèi)，經(jīng)過低通濾波器2022濾掉高頻信號后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器2021內(nèi)，將模擬信號數(shù)變換為數(shù)字信號后，通過采樣總線收發(fā)器2023(保證數(shù)據(jù)不失貞)發(fā)送到控制總線XBUS上。隨后，輸出輸入轉(zhuǎn)換器203會通過控制總線XBUS獲取此數(shù)字信號，經(jīng)過分配器送入數(shù)字信號處理器2032中進(jìn)行處理后，通過轉(zhuǎn)換接口電路(I/O)2033送入主機(jī)1中。
圖3-3是輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中的分配器203 1的結(jié)構(gòu)。含有三八譯碼器20314，相互連接的第一、第二、第三分配芯片20311、20312、20313。三八譯碼器20314的輸出連接到第二分配芯片20312上；第一分配芯片20311與數(shù)字信號處理器2032相連。第三分配芯片20313連接到控制總線XBUS上。
在本實(shí)施例中，三八譯碼器20314選用74LS138芯片。第一、第二、第三分配芯片20311、20312、20313均選用BUFFER芯片。三八譯碼器20314配合控制器起到地址分配作用。
圖3-4是輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中的數(shù)字信號處理器2032的結(jié)構(gòu)。包含數(shù)字信號處理芯片20322，連接于數(shù)字信號處理芯片20322與主機(jī)1接口之間的控制芯片20321、20323。與數(shù)字信號處理芯片20322連接的雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器20324。
本實(shí)施例中，數(shù)字信號處理芯片20322采用DSP芯片。
如圖3-4的結(jié)構(gòu)，一方面，數(shù)字信號處理芯片20322收到主機(jī)1的指令信息，向雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器20324發(fā)出地址信號和控制信號，并從指令信息中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，通過轉(zhuǎn)換接口電路2031中的總線收發(fā)器向控制總線XBUS中發(fā)送數(shù)據(jù)信號、地址信號和控制信號，以此控制掃描器、探針等設(shè)備；另一方面，為數(shù)字信號處理芯片20322收到主機(jī)1的指令信息，向控制總線SBUS中發(fā)送地址信號和控制信號，并讀取數(shù)據(jù)，處理后再向雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器20324發(fā)出數(shù)據(jù)信號、地址信號和控制信號，存儲數(shù)據(jù)。然后發(fā)送信號給主機(jī)1，通知主機(jī)來取走數(shù)據(jù)。
圖3-5是輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中的轉(zhuǎn)換接口電路(I/O)2033的結(jié)構(gòu)。包含兩塊雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器20332、20333和連接于雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器20332、20333與主機(jī)1接口之間的控制芯片20331。
本實(shí)施例中，雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器20332、20333(包括上述的20324)均選用IDT77134存儲芯片?？刂菩酒?0331選用GAL芯片。
如圖3-5所示的轉(zhuǎn)換接口電路(I/O)2033。當(dāng)主機(jī)1發(fā)出指令信息后，通過控制芯片20331控制兩個雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器20332和20333的啟動指令。
圖3-6是輸出輸入轉(zhuǎn)換器203中的振蕩控制模塊2036的結(jié)構(gòu)。
包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器20362，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器20362輸入端相連的振蕩總線收發(fā)器20361，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器203625輸出端相連的壓電跟隨器20363。振蕩總線收發(fā)器20361的輸入端連接到控制總線XBUS上；壓電跟隨器20363的輸出端連接到探頭3上的預(yù)處理器309上。
如圖3-6所示的振蕩控制模塊2036的結(jié)構(gòu)，由控制總線XBUS傳過來的數(shù)據(jù)通過振蕩總線收發(fā)器20361(保持?jǐn)?shù)據(jù)不失貞)，送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器20362中，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，發(fā)出的模擬信號經(jīng)過一個電壓跟隨器20363后，得到振幅信號送入預(yù)處理器309中，控制探針303振動的幅度。
圖4-1是本發(fā)明顯微鏡的主機(jī)1結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明顯微鏡主機(jī)1的載體是計算機(jī)。
本發(fā)明的主機(jī)1是建立在計算機(jī)操作系統(tǒng)的平臺上。如圖4-1所示。本發(fā)明的主機(jī)1含有信息控制采集模塊101，與信息控制采集模塊101輸出端相聯(lián)的形貌圖處理模塊102，與形貌圖處理模塊102輸出端相聯(lián)的形貌圖分析模塊103，與形貌圖分析模塊103輸出端相聯(lián)的顆粒統(tǒng)計模塊104，以及與顆粒統(tǒng)計模塊104輸出端相聯(lián)的觀察顯示模塊105。
圖4-2是圖4-1中所說的信息控制采集模塊101的結(jié)構(gòu)。包含兩條模塊組，一條是控制信息輸入模塊組，另一條是信息采集模塊組?？刂菩畔⑤斎肽K組包含首先是控制信息接收模塊1011，接著依次連接的控制信息分析處理模塊1012、控制信息傳遞模塊1013、控制數(shù)據(jù)計算模塊1014、控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊1015，控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊1015連接至主機(jī)1(計算機(jī))的輸出接口；信息采集模塊組包含與主機(jī)1輸入接口(計算機(jī)串口)連接的首先是探頭數(shù)據(jù)獲取模塊1016，接著依次連接的探頭數(shù)據(jù)收集整理模塊1017、采集數(shù)據(jù)傳遞模塊1018、采樣數(shù)據(jù)初步處理模塊1019、圖像數(shù)據(jù)顯示與保存模塊1010。圖像數(shù)據(jù)顯示與保存模塊1010的輸出端連至形貌圖處理模塊102上。探頭數(shù)據(jù)獲取模塊1016的輸出還連接到控制數(shù)據(jù)計算模塊1014上。
如上述圖4-2信息控制采集模塊101的結(jié)構(gòu)。
首先由控制信息接收模塊1011讀取人機(jī)界面的控制參數(shù)，這些參數(shù)為方便用戶交流多帶有單位，這些參數(shù)傳遞給控制信息分析處理模塊1012進(jìn)行處理；控制信息分析處理模塊1012將從控制信息接收模塊1011送來的控制信息進(jìn)行分析，分析用戶輸入的數(shù)據(jù)的單位和范圍等，并將控制參數(shù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部二進(jìn)制代碼后，送入控制信息傳遞模塊1013內(nèi)；控制信息傳遞模塊1013實(shí)現(xiàn)將控制信息分析處理模塊1012的輸出信息按照數(shù)據(jù)計算模塊1014的要求格式傳遞給控制數(shù)據(jù)計算模塊1014；控制數(shù)據(jù)計算模塊1014根據(jù)控制信息傳遞模塊1013的控制信息以及探頭數(shù)據(jù)獲取的數(shù)據(jù)計算控制數(shù)據(jù)，送給控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊1015；控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊1015將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給執(zhí)行器(A/D轉(zhuǎn)換器、掃描器等)。
上述1011-1015模塊實(shí)現(xiàn)了用戶由人機(jī)界面制定的控制信息，并傳遞給硬件。
探頭數(shù)據(jù)獲取模塊1016從硬件(探頭等)獲取光斑位置等原始信息，傳遞給控制數(shù)據(jù)計算模塊1014，同時傳遞給探頭數(shù)據(jù)收集整理模塊1017處理；
探頭數(shù)據(jù)收集整理模塊1017將由探頭數(shù)據(jù)獲取模塊1016得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組等處理，然后送入采集數(shù)據(jù)傳遞模塊1018；采集數(shù)據(jù)傳遞模塊1018將探頭數(shù)據(jù)收集整理模塊1017的輸出數(shù)據(jù)按照采樣數(shù)據(jù)初步處理1019的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)傳遞給采樣數(shù)據(jù)初步處理模塊1019；采樣數(shù)據(jù)初步處理模塊1019將探頭數(shù)據(jù)收集整理模塊1017的輸出數(shù)據(jù)按照指定實(shí)時校正方式初步處理，將內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面向用戶的帶單位數(shù)據(jù)，傳遞給圖像數(shù)據(jù)顯示與保存模塊1010；圖像數(shù)據(jù)顯示與保存模塊1010將掃描數(shù)據(jù)按圖像的方式顯示給用戶，同時保存成文件，給形貌圖處理模塊102進(jìn)行處理。
1016-1010模塊完成了將采樣數(shù)據(jù)分析整理，并保存，最后顯示給用戶的過程。
上述的控制信息接收模塊1011、圖像數(shù)據(jù)顯示與保存模塊1010，是面向用戶的，屬于在線控制的界面層a；控制信息分析處理模塊1012、采樣數(shù)據(jù)初步處理模塊1019，完成接受用戶數(shù)據(jù)以及把數(shù)據(jù)提供給用戶，屬于界面數(shù)據(jù)處理層b；控制信息傳遞模塊1013、采樣數(shù)據(jù)傳遞模塊1018，可以看成一個接口層c；控制數(shù)據(jù)計算模塊1014、探頭數(shù)據(jù)收集整理模塊1017，屬于同一層d，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器控制和采集算法；控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊1015、探頭數(shù)據(jù)獲取模塊1016，屬于控制與采集的最低層e，完成與執(zhí)行器的聯(lián)系。
圖1中，所說的形貌圖處理模塊102含有最小二乘方擬合模塊1021、形貌圖平整化和平面擬合模塊1022以及多種濾波器模塊1023。其中多種濾波器模塊1023含有頻域?yàn)V波的二維快速傅立葉變換(FFT)和逆二維傅立葉變換，帶通帶阻的頻域?yàn)V波器，空間域上的各種阻、通空間域模板式的線性濾波器，如高通濾波器、低通濾波器、高斯濾波器和卷積等，還有基于順序統(tǒng)計量的非線性中值濾波器。這種濾波器對濾掉脈沖式或椒鹽式噪音的干擾很起作用。但又不失形貌圖的細(xì)節(jié)部分。
所說的形貌圖分析模塊103含有自相關(guān)分析模塊1031、比俐(Bearing)分析模塊1032、顆粒度分析模塊1033、粗糙度分析模塊1034、規(guī)律譜分析模塊1035和橫截面分析模塊1036。通過上述的分析模塊后，可以獲得被測顆粒的許多表面特征的數(shù)據(jù)。
對于功率譜密度(PSD)、快速傅立葉變換(FFT)、自相關(guān)(ACF)和粗糙度(RMS)之間的關(guān)系PSD＝|FFT|2＝FFT{ACF}＝RSM2卷積給定卷積核如3×3的核 對形貌圖方陣中的數(shù)據(jù)bij進(jìn)行卷積濾波，取以bij為中心的3×3點(diǎn) 用aji＝x11bi-1、j-1+x12bi-1、j+x13bi-1、j+1+x21bi、j-1+x22bi、j+x23bi、j+1+x31bi+1、j-1+x32bi+1、j+x33bi+1、j+1替換bij即是。
所說的高通濾波器、低通濾波器就是用不同的卷積而已。不過，一般為了保持與圖形形狀關(guān)系密切的相位不變，要求卷積核具有對稱性。
高斯濾波的核是f=1σ2πe-12(iσ)2]]>低通高斯濾波的值是a0′=Σi=-12N2aifi]]>ai是原始值代替ao
高斯高通濾波的值是a0′=Σi=-N2N22aifi-ao]]>中值濾波把相鄰的9個點(diǎn)值按順序排列，以中間的值取代要濾波的值，這是基于順序統(tǒng)計量的非線性濾波。
利用上述各分析模塊分析的結(jié)果，通過顆粒統(tǒng)計模塊104確立被測顆粒的邊緣。再利用顆粒度的分析，獲得形貌圖顆粒的面積，等效直徑的分布和方差等信息。還可以進(jìn)行對顆粒的分離和修復(fù)。而且不失真實(shí)性。
所說的觀察顯示模塊105內(nèi)含有形貌圖頂視顯示模塊1051和形貌圖三維顯示模塊1052?？梢岳貌煌墓庹蘸陀^察角度。顯示立體的形貌圖。
權(quán)利要求
1.一種納米顆粒顯微鏡，包含帶有顯示器的主機(jī)，與主機(jī)連接的主控制器和與主控制器連接的探頭，其特征在于所說的主機(jī)內(nèi)含有信息控制采集模塊、形貌圖處理模塊、形貌圖分析模塊、顆粒統(tǒng)計模塊和觀察顯示模塊；所說的主控制器內(nèi)含有掃描輸出器、Z采樣輸入器、輸出輸入轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所說的探頭內(nèi)含有預(yù)處理器、掃描器和帶振蕩器的探針。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的探頭還包含接收管和激光光源；所說的預(yù)處理器分別與接收管、激光光源、振蕩器以及主控制器相連；激光光源發(fā)射的激光束射在探針針尖的背面上，探針針尖反射的光點(diǎn)落在接收管的接收面上；探針的針尖指向掃描器的臺面，被測顆粒置放在掃描器的臺面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的探頭內(nèi)的預(yù)處理器內(nèi)包含分別與接收管相連的加、減法運(yùn)算器，與加、減法運(yùn)算器相連的有效值運(yùn)算器，與乘法運(yùn)算器相連的正弦信號發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的掃描輸出器內(nèi)含有X、Y、Z三個方向的掃描單元，每個掃描單元都包含與控制總線相連的總線收發(fā)器和控制器，分別與總線收發(fā)器和控制器相連的掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器、偏移量數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及與掃描電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出端相連的精度擴(kuò)展數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分別與偏移量數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端以及精度擴(kuò)展樹模轉(zhuǎn)換器輸出端相連的加法器，與加法器輸出端相連的放大器，以及在X、Y方向上的掃描單元中，還含有與放大器輸出端相連的倒相器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于Z采樣輸入器包含與探頭上預(yù)處理器輸出端相連的低通濾波器，與低通濾波器輸出端相連的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出端相連的采樣總線收發(fā)器，采樣總線收發(fā)器的輸出連接到控制總線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的輸出輸入轉(zhuǎn)換器內(nèi)包含與主機(jī)連接的轉(zhuǎn)換接口電路，與轉(zhuǎn)換接口電路相連的數(shù)字信號處理器，與數(shù)字信號處理器相連的分配器，輸入端與電源相連，輸出端連接有低壓電源和高壓電源的低通濾波器，輸入端與控制總線相連，輸出端連接到探頭上預(yù)處理器上的振蕩控制模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的分配器含有三八譯碼器，相互連接的第一、第二、第三分配芯片；三八譯碼器的輸出連接到第二分配芯片上，第一分配芯片與數(shù)字信號處理器相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的轉(zhuǎn)換接口電路內(nèi)包含兩塊雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器和連接于雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器與主機(jī)接口之間的控制芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的主機(jī)是建立在計算機(jī)操作系統(tǒng)的平臺上；含有信息控制采集模塊，與信息控制采集模塊輸出端相聯(lián)的形貌圖處理模塊，與形貌圖處理模塊輸出端相聯(lián)的形貌分析模塊，與形貌分析模塊輸出端相聯(lián)的顆粒統(tǒng)計模塊以及與顆粒統(tǒng)計模塊輸出端相聯(lián)的觀察顯示模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米顆粒顯微鏡，其特征在于所說的信息控制采集模塊包含兩個模塊組，一個是控制信息輸入模塊組，另一個是信息采集模塊組；控制信息輸入模塊組包含首先是控制信息接收模塊，接著依次連接的控制信息分析處理模塊、控制信息傳遞模塊、控制數(shù)據(jù)計算模塊、控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，控制數(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接至主機(jī)的輸出接口；信息采集模塊組包含與主機(jī)輸入接口連接的首先是探頭數(shù)據(jù)獲取模塊，接著依次連接的探頭數(shù)據(jù)收集整理模塊、采集數(shù)據(jù)傳遞模塊、采樣數(shù)據(jù)初步處理模塊、圖像數(shù)據(jù)顯示與保存模塊。
全文摘要
一種納米顆粒顯微鏡，包含主機(jī)、主控制器和探頭。主機(jī)發(fā)出控制信號，經(jīng)過主控制器送至探頭上；探頭開始探測，探頭上的探針測得被測顆粒的信息經(jīng)過探頭內(nèi)的預(yù)處理器預(yù)處理后，經(jīng)過主控制器送至主機(jī)內(nèi)。主機(jī)內(nèi)經(jīng)過形貌圖處理模塊、形貌圖分析模塊、顆粒統(tǒng)計模塊以及觀察顯示模塊后，既可以在顯示器上觀察到被測顆粒的形貌圖像，又能獲得較精確的被測顆粒的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。所以，本發(fā)明的顯微鏡具有觀察顆粒形貌圖像和統(tǒng)計顆粒數(shù)據(jù)的兩大功能。分辨率能夠達(dá)到納米級，測量精度小于0.5納米，在不同范圍的掃描均達(dá)到16位的精度。
文檔編號G02B21/32GK1627120SQ20041010096
公開日2005年6月15日 申請日期2004年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者李榮慶, 林學(xué)海 申請人:上海愛建納米科技發(fā)展有限公司