文摘
在探索纳米结构的运动,重复位置和运动是经常发生失败的位置误差和宽容是严格的。操纵者轴和图像之间的一致性是非常重要的因为视觉伺服自动操纵的是最重要的工具。提出了一个自动轴对齐为nanomanipulator在SEM方法识别闭环控制末端执行器的位置,可以描述这两个轴之间的关系,然后据此可以计算旋转矩阵。这种方法的误差及其传递函数也比较迭代法和平均法计算。本文中的方法可以加速轴对齐,避免过程中电子束诱导沉积影响技巧。试验示范表明,精度可以达到0.1度90秒。
1。介绍
纳米操作在扫描电子显微镜(SEM)各领域已经发现许多用途(1]。例子包括纳米材料特征(2- - - - - -9奈米电子探测(),10- - - - - -12],nanodevices原型[13],光子学[14,15],和生物研究[16- - - - - -18]。最常见的安装包括安装piezo-based机械手SEM。使用操纵杆来控制机械手的运动,并提供实时的扫描电镜图像反馈。这种组合提供了一个直观的手眼协调的方法与目标,在微米和纳米尺度。
一些基于SEM纳米操作系统已经在文献中报道(19- - - - - -23]。也有来自Kleindiek的商用系统,常规心电图系统(之前Zyvex), SmarAct Klocke, Attocube。大多数的这些系统没有位置传感器集成,因此可重复的运动不能,操纵效率在很大程度上依赖于人类操作员的技能。其他系统包含光学编码器进行位置反馈,但是激光二极管产生的热量很难消散在真空,导致位置漂移率高。机械滑轨的使用指导压电粘滑运动运动是不可重复的,由于摩擦的接口和机械rails的变形。粘滑运动运动也产生机械振动,同时运动,从而导致末端执行器(设备的机械手臂,爪子和针等)或样品损失。
我们曾报道一个新的负载制动兼容纳米操作系统,解决与现有纳米操作系统限制。系统采用独特的真空,低功耗电子传感应变片变形,弯曲的基础定位器的设计。系统能产生纳米分辨率闭环定位,每分钟subnanometer漂移,振动和摩擦自由,自由运动在SEM。紧凑的系统可以安装在大多数使用标准SEM扫描电镜样品持有人,从而使系统中添加或删除从SEM秒。
应用程序,操作可以通过SEM的实时视觉引导,由运营商,或计算机生成运动目标根据预设的任务。因为所有的位置信息计算基于图像,这就需要图像之间的一致性和机械手的轴。然而,总有安装错误,和两组轴不能完全保持一致。末端执行器不匹配预期的位置与这些错误的图像,和细微的差别会导致大的偏差在纳米尺度上运动。
有三个主要的误差来源,要求全系统校准每次使用之前。()在处理系统中,人类的手施加的力导致微小变化的机械装配系统。这些变化导致micronanometer规模系统的性能变化。()当系统安装在扫描电镜SEM和纳米操作系统之间存在小的偏差。即使安装仔细进行,它是不可能使系统SEM舞台与纳米精度。()内部温度的SEM可以随几度每次设置后,从而影响定位器传感器精度。所有这些因素导致不准确的位置传感器,要求调整每次操作之前。
手动执行重复性的校准是耗时和穷人。扩展的电子束曝光末端执行器和样品也会导致大量的电子束诱导沉积(EBID) [24]。的旋转扫描电镜的形象只能使一个图像的和机械的轴,或 这不能处理的情况,机械手的旋转坐标轴不垂直。所以一个自动校准过程是必要的快速测量角度和计算旋转矩阵在扫描电镜对齐纳米操作机器人的轴。
本文开发了一个自动校准的方法。标定方法的性能评估的速度、校准可重复性和定位精度。相比之下,我们的会议论文(25),本文提供了额外的优化和细节上的错误设在偏差补偿;此外,更多的实验数据。简要介绍了纳米操作系统部分2。部分3介绍了自动对齐方法基于SEM图像处理。部分4分析了系统的误差传递和优化。最后,部分5总结了纸。
2。系统概述
在这项研究中使用的纳米操作系统由四个机械手安装在真空中负载制动兼容的载体(26]。每个机械手包括三个远程粗定位器和三个高精度精细定位器堆在上面。粗定位器由三个基于粘滑运动的压电定位器定位。没有感觉反馈实现粗定位器来减少热量的产生来源。三曲引导好定位器,加载压电定位器与一个应变计安装在每个压电堆栈。位置传感原理涉及应变仪的使用安装在压电和利用time-to-digital转换器(TDC)应变传感。
车载电子产品被放置在铝住房在SEM纳米操作系统的载体。外部电子由一个单片机和数组的运算放大器驱动压电堆栈。从车载电子接收传感器读出后,单片机计算所需的压电堆栈驱动电压基于PID控制律和驱动电压发送到车载电子产品。
纳米操作系统安装在一个标准的SEM样品持有人,允许添加或删除系统在几秒钟内从SEM阶段。
当操纵样本在SEM,纳米操作系统内部转移通过真空负载制动SEM。然后,样品内部转移。轴需要对齐,保证位置精度。感兴趣的区域可以手动定位,将进行一系列预设的操作。
手动校准每个细定位器进行了SEM成像。它包括来回移动的每个细定位器来确定它的运动路径,紧随其后的是光栅旋转扫描电镜图像调整positioner-image失调。这个过程是通过手工完成的试验和错误。需要大约2分钟确定一个好的定位器的失调角轴。4-manipulator系统12轴,总校准需要~ 24分钟。在收集所有的偏差角之间的精细定位和扫描电镜图像,使用一个旋转矩阵。这个校准过程需要重复如果系统被删除/添加回扫描电镜或身体接触与人类的手。自执行的手动操作,可重复性和准确性都不稳定。
3所示。方法
一个自动校准方法提出了计算旋转矩阵。系统末端执行器自动移动和公认的末端执行器的位置基于模板匹配的方法。基本思想是旋转矩阵将预期的运动图像坐标到每一个轴的运动: 在哪里机械手和轴的延伸预计末端执行器的运动图像。自设在“运动不能观察到由于SEM的反馈是2 d图像,- - -可以校准相互重合。
3.1。图像的过滤和认可
高SEM图像帧率为纳米操作实时是可取的,但它会导致图像质量退化。低电压加速用于最小化电子诱导损伤样本,但图像信噪比很差。一个过滤器的方法来减少图像噪声实时是必要的。
GPU加速外地意味着(NL-means)方法(10,27)被证明是有效的减少实时扫描电镜图像噪声。它是基于全球平均图像中的所有像素并产生较低的图像噪声和保留的更多细节。算法在实现图形处理单元(gpu)可以满足实时扫描电镜图像去噪/处理。图1的图像帧,其去噪结果并手动选择模板。
(一)
(b)
(c)
去噪后的图像,可以准确地认出了末端执行器的位置。在校正阶段,SEM的形象可以调整的背景几乎是黑色的,所以它的前景影响是明显的。寺庙匹配方法认识到末端执行器的位置(28]。考虑SEM图像的噪声水平,采用基于FFT的模板匹配,具有良好的性能在速度和鲁棒性。为模板 ,在图像的匹配函数 是 在哪里 的旋转和扩张吗。的换位。马克西姆浸的点是定位点。图2稳定的目标的识别结果(图2(一个))和移动目标(图2 (b))。
(一)
(b)
3.2。的旋转矩阵
计算旋转矩阵的关键是获得机械手的运动轴之间的角度和图像的轴。末端执行器控制一系列移动位置,其次是图像配准和记录的位置。这些序列位置坐标可以安装和角度。首先,定义坐标系如图3。
如图3,,,轴的形象。 机械手的终止框架。,,终止坐标系上的投影吗飞机。, , ,和之间的角度和,和,和,和,分别。
具体的算法如下:
()调整放大扫描电镜13000年x。调整扫描电镜成像参数最大化SEM图像的焦点和对比。手动选择模板。
()控制端效应对特定位置,直到误差小于5纳米。
()过滤图像和重组末端执行器的位置 。
()重复步骤()和(),一个串行等距的位置,并记录位置 , 。
()考虑 二维数据是在一条直线,这两个变量测量误差。适合戴明回归和线的线 ,
()移动它设在,认识到这个职位自动化, 。适合他们,得到与边坡。
(),那么 , ,根据旋转矩阵(1),可以计算为 所以我们有
在视觉伺服,如果预计在图像的位置 机械手的轴运动的目标 。
3.3。设在偏差补偿
机械手的设在,目标图像是二维图像根据扫描电镜的成像原理和不能反映深度信息。开发许多深度预测方法(12,29日收集有用的信息方向。在应用程序中,该运动设在常常引起额外的运动- - -相互重合,由于安装错误,在操作是有害的,因为它可能会导致样品损失是搬到样品表面。所以它需要补偿。新的旋转矩阵 在哪里 和 。
然而,和都是不可估量的,所以我们首先搬设在有一个很大的距离并记录形象的运动和;然后我们有 , ,所以旋转矩阵是
在其他一些场合,末端执行器的示例中,运动的设在可以体现在一些方式来帮助说明它的运动。当运动,我们可以移动吗和一点,所以末端执行器似乎前进。这种模式涵盖了短缺不能直接观察在扫描电镜的图像。意识到这一点,我们可以改变位置后对齐: 在哪里 和是新的旋转矩阵。
通常是非常小的,和小位移- - -方向可以表示的运动设在,使操作人员能清楚,提高控制精度。切换和在不同的场合可以使操作方便。
4所示。误差分析
对纳米级运动,小错误定位器轴可能导致大的区别。由于对位置误差的容忍度是严格的在数据收集过程中,减少轴对准误差的方法需要研究。本文对齐的方法是利用目标注册和斜率计算。随机误差主要来自于图像失真,图像噪声,识别错误,拟合误差,和形状变化的末端执行器(由于EBID)。为了减少定位误差,几个方法可以采用,比如无偏过滤和识别算法,自变量选择的拟合精度提高的斜率。
此外,多个对齐也可以减少错误。SEM的形象是不同的物理对象和由此产生的误差可以减少迭代方法。调整后的轴旋转矩阵用于机械手系统,用两个旋转矩阵;我们可以得到一个新的矩阵。重复这个过程,直到误差低于某个阈值。另一方面,图像噪声,识别错误,可以减少配件制造同样的多次测量,取平均。这两种方法都可以提高精度。然而,对齐的过程必须尽可能快速减少EBID对末端执行器的影响。如果一次对齐不能满足所需的精度,定位方法需要进一步优化。这错误的传播算法研究比较迭代法和平均法条件下有限的时间。 The confidence interval of position is adopted to indicate the error.
4.1。置信区间的位置
表示末端执行器的误差作为,在那里 。这个错误来自于旋转矩阵,这是通过一系列的转换。不失一般性,我们可以分析误差的传播的单元位移的轴( )。的主要误差来源是两个参数和。和在最终结果的贡献太小了。表示的错误和作为和;然后我们有
考虑到实验的- - -相互重合是独立的,他们的错误是独立的。因此,方差是 在哪里和的方差和,他们可以通过重叠估计计算,这是一个重采样技术特别适合方差和偏差估计。基本思想是为每个子样品估计参数省略观察估计未知的价值的平均水平。的方差是 在哪里 和样本大小。
自和是对称的,我们计算设在第一。根据戴明回归参数的置信区间 ,在那里置信水平,是标准的错误。的方差可以以同样的方式。的置信区间是
4.2。错误的优化
方程(12为分析)太复杂,所以它应该简化。在应用程序中,轴之间的角度的图像和机械手很小,也就是说, ,利用二阶泰勒展开,我们可以得到 和 。高阶无穷小下降后,我们有
它可以概括,置信区间的末端执行器的位置是由和。当和是足够小, 。显然,减少和提高了精度。本文中的方法,多次校准和的平均值和是优化选择。当和不足够小,这样,机械手安装不正确或需要旋转,系数和在传播显著大于1,和系统需要重复几次,直到和是足够小,然后用平均法优化它。
5。实验
最小化的热诱导漂移系统在真空环境中,纳米操作系统安装到前3小时的SEM试验,以确保在SEM系统达到热平衡。选择的放大13000倍,有视野(FOV) 9.7×7.3 um,和每个像素的大小是12.2海里。选择一个图像放大可以提高图像分辨率高,但只有一个小nanopositioner视场内运动可以观察到。一节中描述的方法3实现一致的吗设在和的结果- - -设在图所示4。
(一)
(b)
在这个实验中,设在机械手的形象,相对较大的影响的设在较小。这两条线是斜坡 和 ,这意味着 和
至于设在,只有它的影响- - -设在可以观察到,我们调整- - -设在的运动(7)。设在移动在较大范围和位移- - -方向是记录来计算补偿- - -设在的运动。结果如图5。的设在的运动范围是3,和影响- - -设在−42.51−21.25 nm。
和旋转矩阵
该联合后的运动- - -设在图所示6。
(一)
(b)
细节请参考补充视频网上(见补充材料https://doi.org/10.1155/2017/3982503)。机械手的运动很适合图像的轴后自动对齐。整个过程耗时90秒,斜率是 和 ,这意味着角误差小于0.1°。
6。结论
本文讨论了自动化机械手系统内部SEM轴对齐方法。一个末端执行器的识别和戴明回归采用计算角偏差和多个旋转矩阵提出了正确的动作在不同的条件。这种方法的误差传播进行了分析。平均法和迭代法进行比较找出更快的方法当不止一次校准是必要的。对齐的方法可以加快这一进程,避免由于EBID端效应的损害。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金(61528304,61528304,61473295),由北京自然科学基金(4152054)。
补充材料
这是一个自动轴对齐过程。