本發(fā)明涉及顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

掃描探針聲學(xué)顯微鏡(scanningprobeacousticmicroscope，spam)是將掃描探針顯微鏡(scanningprobemicroscope，spm)和掃描聲學(xué)顯微鏡(scanningacousticmicroscope，sam)兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種新技術(shù)，它既有掃描探針顯微鏡的高分辨表面成像優(yōu)勢(shì)，又有掃描聲學(xué)顯微鏡的非破壞性?xún)?nèi)部成像的特點(diǎn)，可以原位同時(shí)觀察材料基于不同成像機(jī)理的表面形貌和聲學(xué)像，是一種新型多功能顯微成像技術(shù)。

現(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括激光器1，微懸臂探針2，四象限接收器3，樣品4，聲學(xué)換能器5，掃描器6，聲學(xué)信號(hào)源7，相干檢測(cè)解調(diào)模塊9，掃描探針顯微鏡控制器25，表面形貌圖顯示模塊13，聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊14。圖1中，掃描探針聲學(xué)顯微鏡在原有原子力顯微鏡的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)聲學(xué)信號(hào)源7，驅(qū)動(dòng)樣品4底部的聲學(xué)換能器5對(duì)樣品4產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的聲激勵(lì)，以聲波的形式穿過(guò)樣品4和聲學(xué)換能器5的邊界，在樣品4內(nèi)傳播。當(dāng)該頻率的聲波在樣品4中遇到材料微觀結(jié)構(gòu)和局域性能的不均勻時(shí)，如微缺陷、疇結(jié)構(gòu)、晶粒晶界及晶粒取向變化以及成分不均勻等時(shí)，聲波就會(huì)發(fā)生折射、反射、干涉等聲學(xué)過(guò)程，從而在樣品4上表面不同區(qū)域產(chǎn)生振幅和相位的變化。這些變化，將傳遞到與樣品4表面接觸的微懸臂探針2，引起微懸臂探針2的懸臂梁同頻振動(dòng)而形成振動(dòng)信號(hào)，該振動(dòng)信號(hào)的振幅或相位攜帶有樣品4的結(jié)構(gòu)(如表面、亞表面及內(nèi)部)信息。為了不影響“探針-樣品”體系的穩(wěn)定性，保證探針掃描過(guò)程中在反饋系統(tǒng)控制和驅(qū)動(dòng)下能夠始終跟蹤樣品的表面起伏進(jìn)行升降并準(zhǔn)確得到樣品的表面形貌，必須嚴(yán)格控制樣品底部的聲激勵(lì)強(qiáng)度，因而微懸臂探針2接收到的聲學(xué)信號(hào)十分微弱且隱藏在因樣品起伏引起的相對(duì)較大的探針懸臂梁垂直方向振動(dòng)信號(hào)中。但微懸臂探針2的聲學(xué)信號(hào)因聲學(xué)激勵(lì)信號(hào)而產(chǎn)生，它具有一個(gè)十分重要的特征，就是和聲學(xué)激勵(lì)信號(hào)具有相干性。因此，可以采用相干檢測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)微懸臂探針2的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，即以聲學(xué)激勵(lì)信號(hào)作為參考信號(hào)，解調(diào)出微懸臂探針2接收到的微弱聲學(xué)信號(hào)，并將其輸入到由掃描探針顯微鏡控制器25、表面形貌圖顯示模塊13和聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊14組成的掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)中，從而實(shí)時(shí)同步顯示樣品4的表面形貌像和聲學(xué)像，因此，掃描探針聲學(xué)顯微鏡能夠同時(shí)獲得樣品的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

然而，現(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡只具有一個(gè)聲學(xué)信號(hào)源，只能產(chǎn)生單一頻率的聲激勵(lì)信號(hào)在樣品底部進(jìn)行聲激勵(lì)，存在著以下缺點(diǎn)：

(一)聲學(xué)信號(hào)對(duì)樣品的局部區(qū)域檢測(cè)不靈敏，不夠準(zhǔn)確。

掃描探針聲學(xué)顯微鏡檢測(cè)時(shí)，利用探針在樣品表面與樣品接觸耦合，對(duì)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行拾取接收。理論分析表明，當(dāng)聲激勵(lì)信號(hào)的頻率與“樣品-探針”的局部彈性耦合體系的固有頻率接近時(shí)，聲學(xué)信號(hào)的檢測(cè)靈敏度更高。而“樣品-探針”的局部彈性耦合體系的固有頻率除了與探針微懸臂彈性梁的固有頻率相關(guān)，還與針尖所接觸的樣品區(qū)域的材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)(包括缺陷)相關(guān)，也就是說(shuō)，由于樣品在微觀或介觀尺度上的不均勻性，不同區(qū)域的“樣品-探針”的局部彈性耦合體系的固有頻率并不相同，故現(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡采用了單一頻率的聲激勵(lì)信號(hào)，聲學(xué)信號(hào)的檢測(cè)靈敏度也不相同，對(duì)于樣品檢測(cè)范圍中的某些局部區(qū)域，可能會(huì)因?yàn)槁晫W(xué)信號(hào)靈敏度降低而遺漏其結(jié)構(gòu)或缺陷的信息，不夠準(zhǔn)確。

(二)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)存在盲區(qū)，不夠準(zhǔn)確。

與一般掃描探針顯微鏡只能得到樣品表面信息不同，掃描探針聲學(xué)顯微鏡利用聲波在樣品內(nèi)部的穿透性，可以得到樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)(或缺陷)的相關(guān)信息。原理上，樣品內(nèi)部沿聲波傳遞方向上存在一系列間隔為聲波半波長(zhǎng)的檢測(cè)盲區(qū)?，F(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡采用了采用單一頻率的聲激勵(lì)信號(hào)，對(duì)于同一樣品介質(zhì)，其內(nèi)部檢測(cè)盲區(qū)位置也是固定的，在對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可能會(huì)因?yàn)闄z測(cè)盲區(qū)的存在而遺漏位于檢測(cè)盲區(qū)中的結(jié)構(gòu)或缺陷的信息，不夠準(zhǔn)確。

(三)檢測(cè)效率低下和無(wú)法實(shí)時(shí)獲取樣品的全部信息。

為了克服(一)、(二)兩點(diǎn)所述的單一頻率聲激勵(lì)掃描探針聲學(xué)顯微鏡的缺點(diǎn)，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，為了防止樣品結(jié)構(gòu)或缺陷的遺漏，需要在對(duì)樣品進(jìn)行一次掃描成像完成后，重新設(shè)定不同的聲激勵(lì)信號(hào)頻率來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行掃描成像。也就是說(shuō)，為了防止遺漏樣品結(jié)構(gòu)信息或缺陷信息的檢測(cè)，現(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡需改變頻率來(lái)多次成像。由于掃描探針聲學(xué)顯微鏡是一種探針逐點(diǎn)掃描采樣成像的高分辨納米(10^-9米)表征技術(shù)，其成像速度較慢(一般每幅圖像需要1000秒量級(jí))且圖像有效像素點(diǎn)點(diǎn)距很小(一般納米量級(jí))，多次掃描成像導(dǎo)致了檢測(cè)效率低下，無(wú)法實(shí)時(shí)得到樣品的全部結(jié)構(gòu)信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于：提供一種準(zhǔn)確、效率高和實(shí)時(shí)的，多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的在于：提供一種準(zhǔn)確、效率高和實(shí)時(shí)的，多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，包括：

多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源，用于產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)；

多路信號(hào)疊加模塊，用于對(duì)多個(gè)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行疊加，得到疊加后的聲學(xué)信號(hào)；

聲學(xué)換能器，用于根據(jù)疊加后的聲學(xué)信號(hào)對(duì)樣品產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)；

掃描器，用于驅(qū)動(dòng)樣品進(jìn)行掃描移動(dòng)；

微懸臂探針，用于在樣品表面接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)；

光電檢測(cè)系統(tǒng)，用于將微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)；

多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊，用于分別以各所述聲學(xué)信號(hào)源的各個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)作為參考信號(hào)，從光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)中解調(diào)出各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖；

掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)，用于根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示；

各所述聲學(xué)信號(hào)源的輸出端與多路信號(hào)疊加模塊的輸入端連接，所述多路信號(hào)疊加模塊的輸出端與聲學(xué)換能器的輸入端連接，所述聲學(xué)換能器位于樣品的底部以及掃描器的上方，所述光電檢測(cè)系統(tǒng)的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸入端以及各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊的信號(hào)輸入端連接，各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊的參考源輸入端與各所述聲學(xué)信號(hào)源的輸出端對(duì)應(yīng)連接，各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊的輸出端與掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸入端連接，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸出端與掃描器的輸入端連接。

進(jìn)一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)包括：

低通濾波器，用于對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)；

反饋控制模塊，用于根據(jù)濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并生成控制掃描器升降的控制信號(hào)；

多個(gè)樣品聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊，用于顯示各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖；

樣品表面形貌圖顯示模塊，用于顯示樣品的表面形貌圖；

所述低通濾波器的輸入端與光電檢測(cè)系統(tǒng)的輸出端連接，所述低通濾波器的輸出端與反饋控制模塊的輸入端連接，所述反饋控制模塊的輸出端分別與樣品表面形貌圖顯示模塊的輸入端以及掃描器的輸入端連接，各所述聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊的輸入端與各相干檢測(cè)解調(diào)模塊的輸出端對(duì)應(yīng)連接。

進(jìn)一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)還包括：

聲學(xué)信號(hào)融合模塊，用于將所有頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行圖像融合，得到樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像；

聲學(xué)信號(hào)融合圖像顯示模塊，用于顯示樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像；

所述聲學(xué)信號(hào)融合模塊的輸入端分別與各相干檢測(cè)解調(diào)模塊的輸出端連接，所述聲學(xué)信號(hào)融合模塊的輸出端與聲學(xué)信號(hào)融合圖像顯示模塊的輸入端連接。

進(jìn)一步，所述反饋控制模塊由cpu、dsp或fpga及外圍電路組成，所述多路信號(hào)疊加模塊或聲學(xué)信號(hào)融合模塊為由運(yùn)算放大器、電阻和電容構(gòu)成的加法電路。

進(jìn)一步，所述光電檢測(cè)系統(tǒng)包括：

激光器，用于發(fā)出入射光；

四象限接收器，用于接收入射光經(jīng)微懸臂探針?lè)瓷浜笮纬傻姆瓷涔猓?/p>

所述四象限接收器的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸入端以及各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊的信號(hào)輸入端連接。

本發(fā)明所采取的另一技術(shù)方案是：

一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

對(duì)多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源的多個(gè)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行疊加，得到疊加后的聲學(xué)信號(hào)；

疊加后的聲學(xué)信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲學(xué)換能器對(duì)樣品產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)；

微懸臂探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描，接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)；

通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)將微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)；

多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊分別以各聲學(xué)信號(hào)源的各個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)作為參考信號(hào)，從光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)中解調(diào)出各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖；

掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示。

進(jìn)一步，所述微懸臂探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描，接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)這一步驟，其包括：

聲學(xué)換能器產(chǎn)生的多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品，形成相應(yīng)的聲學(xué)信號(hào)；

微懸臂探針在樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到微懸臂探針懸臂梁的振動(dòng)信號(hào)，所述微懸臂探針懸臂梁的振動(dòng)信號(hào)包括樣品表面形貌起伏引起的低頻振動(dòng)信號(hào)和聲學(xué)信號(hào)引起的高頻振動(dòng)信號(hào)，所述聲學(xué)信號(hào)引起的高頻振動(dòng)信號(hào)包含了分別與多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)的頻率相同的振動(dòng)。

進(jìn)一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示這一步驟，其包括：

對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)；

反饋控制模塊根據(jù)濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并生成控制掃描器升降的控制信號(hào)；

將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示。

進(jìn)一步，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示這一步驟，還包括：

聲學(xué)信號(hào)融合模塊將所有頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行圖像融合，得到樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像；

將樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像進(jìn)行顯示。

進(jìn)一步，所述通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)將微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)這一步驟，其包括：

光電檢測(cè)系統(tǒng)的激光器發(fā)出入射光；

光電檢測(cè)系統(tǒng)的四象限接收器接收入射光經(jīng)微懸臂探針?lè)瓷浜笮纬傻姆瓷涔猓?/p>

光電檢測(cè)系統(tǒng)的四象限接收器根據(jù)接收反射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到與微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。

本發(fā)明的系統(tǒng)的有益效果是：包括多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源、多路信號(hào)疊加模塊、聲學(xué)換能器、掃描器、微懸臂探針、光電檢測(cè)系統(tǒng)、多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊和掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)，采用了多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源和多路信號(hào)疊加模塊來(lái)取代一個(gè)聲學(xué)信號(hào)源，能驅(qū)動(dòng)聲學(xué)換能器產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)，解決了現(xiàn)有采用單一頻率的聲激勵(lì)信號(hào)的掃描探針聲學(xué)顯微鏡對(duì)樣品的局部區(qū)域檢測(cè)不靈敏和樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)存在盲區(qū)的問(wèn)題，更加準(zhǔn)確；采用多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊來(lái)取代一個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊，并以聲學(xué)信號(hào)源的各個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)作為相干檢測(cè)解調(diào)模塊的參考信號(hào)，只需一次掃描成像就可得到多種頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)，不再需要多次掃描成像，檢測(cè)效率高，且能實(shí)時(shí)得到樣品的全部結(jié)構(gòu)信息。進(jìn)一步，掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)還包括聲學(xué)信號(hào)融合模塊，能配合多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊對(duì)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)原位同步采集，使得不同頻率的聲學(xué)信號(hào)完全對(duì)應(yīng)于樣品的相同位置，克服了納米級(jí)漂移引起的錯(cuò)位問(wèn)題，能直接通過(guò)信號(hào)融合得到攜帶有多頻樣品聲學(xué)信號(hào)的樣品聲學(xué)融合圖像。

本發(fā)明的方法的有益效果是：包括對(duì)多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源的多個(gè)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行疊加，得到疊加后的聲學(xué)信號(hào)以及疊加后的聲學(xué)信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲學(xué)換能器對(duì)樣品產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)的步驟，能驅(qū)動(dòng)聲學(xué)換能器產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)，解決了現(xiàn)有采用單一頻率的聲激勵(lì)信號(hào)的掃描探針聲學(xué)顯微鏡對(duì)樣品的局部區(qū)域檢測(cè)不靈敏和樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)存在盲區(qū)的問(wèn)題，更加準(zhǔn)確；包括多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊分別以各聲學(xué)信號(hào)源的各個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)作為參考信號(hào)，從光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)中解調(diào)出各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖的步驟，采用多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊來(lái)取代一個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊，并以聲學(xué)信號(hào)源的各個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)作為相干檢測(cè)解調(diào)模塊的參考信號(hào)，只需一次掃描成像就可得到多種頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)，不再需要多次掃描成像，檢測(cè)效率高，且能實(shí)時(shí)得到樣品的全部結(jié)構(gòu)信息。進(jìn)一步，還包括聲學(xué)信號(hào)融合模塊將所有頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行圖像融合，得到樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像的步驟，能配合多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊對(duì)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)原位同步采集，使得不同頻率的聲學(xué)信號(hào)完全對(duì)應(yīng)于樣品的相同位置，克服了納米級(jí)漂移引起的錯(cuò)位問(wèn)題，能直接通過(guò)信號(hào)融合得到攜帶有多頻樣品聲學(xué)信號(hào)的樣品聲學(xué)融合圖像。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的信號(hào)傳輸及處理流程示意圖；

圖4為本發(fā)明一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法的整體流程圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D2和圖3，一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，包括：

多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源7，用于產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)；

多路信號(hào)疊加模塊8，用于對(duì)多個(gè)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行疊加，得到疊加后的聲學(xué)信號(hào)；

聲學(xué)換能器5，用于根據(jù)疊加后的聲學(xué)信號(hào)對(duì)樣品4產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)；

掃描器6，用于驅(qū)動(dòng)樣品4進(jìn)行掃描移動(dòng)；

微懸臂探針2，用于在樣品4表面接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)；

光電檢測(cè)系統(tǒng)，用于將微懸臂探針2的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)；

多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊9，用于分別以各所述聲學(xué)信號(hào)源的各個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)作為參考信號(hào)，從光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)中解調(diào)出各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖；

掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)，用于根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品4的表面形貌圖，并將樣品4的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示；

各所述聲學(xué)信號(hào)源7的輸出端與多路信號(hào)疊加模塊8的輸入端連接，所述多路信號(hào)疊加模塊8的輸出端與聲學(xué)換能器5的輸入端連接，所述聲學(xué)換能器5位于樣品4的底部以及掃描器6的上方，所述光電檢測(cè)系統(tǒng)的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸入端以及各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊9的信號(hào)輸入端signal連接，各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊9的參考源輸入端ref.與各所述聲學(xué)信號(hào)源7的輸出端對(duì)應(yīng)連接，各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊9的輸出端與掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸入端連接，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸出端與掃描器6的輸入端連接。

參照?qǐng)D2和圖3，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)包括：

低通濾波器10，用于對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)；

反饋控制模塊11，用于根據(jù)濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并生成控制掃描器升降的控制信號(hào)；

多個(gè)樣品聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊14，用于顯示各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖；

樣品表面形貌圖顯示模塊13，用于顯示樣品的表面形貌圖；

所述低通濾波器10的輸入端與光電檢測(cè)系統(tǒng)的輸出端連接，所述低通濾波器10的輸出端與反饋控制模塊11的輸入端連接，所述反饋控制模塊11的輸出端分別與樣品表面形貌圖顯示模塊13的輸入端以及掃描器6的輸入端連接，各所述聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊14的輸入端與各相干檢測(cè)解調(diào)模塊9的輸出端對(duì)應(yīng)連接。

參照?qǐng)D2和圖3，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)還包括：

聲學(xué)信號(hào)融合模塊12，用于將所有頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行圖像融合，得到樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像；

聲學(xué)信號(hào)融合圖像顯示模塊15，用于顯示樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像；

所述聲學(xué)信號(hào)融合模塊12的輸入端分別與各相干檢測(cè)解調(diào)模塊9的輸出端連接，所述聲學(xué)信號(hào)融合模塊12的輸出端與聲學(xué)信號(hào)融合圖像顯示模塊15的輸入端連接。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述反饋控制模塊由cpu、dsp或fpga及外圍電路組成，所述多路信號(hào)疊加模塊或聲學(xué)信號(hào)融合模塊為由運(yùn)算放大器、電阻和電容構(gòu)成的加法電路。

其中，反饋控制模塊以高性能中央處理器(cpu，centralprocessingunit)、數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessing，dsp)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field-programmablegatearray，fpga)為核心，配合數(shù)模轉(zhuǎn)換電路等外圍電路，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的輸入輸出控制。

參照?qǐng)D2和圖3，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述光電檢測(cè)系統(tǒng)包括：

激光器1，用于發(fā)出入射光；

四象限接收器3，用于接收入射光經(jīng)微懸臂探針2反射后形成的反射光；

所述四象限接收器3的輸出端分別與掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)的輸入端以及各所述相干檢測(cè)解調(diào)模塊9的信號(hào)輸入端signal連接。

參照?qǐng)D4，一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

對(duì)多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源的多個(gè)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行疊加，得到疊加后的聲學(xué)信號(hào)；

疊加后的聲學(xué)信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲學(xué)換能器對(duì)樣品產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)；

微懸臂探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描，接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)；

通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)將微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)；

多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊分別以各聲學(xué)信號(hào)源的各個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)作為參考信號(hào)，從光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)中解調(diào)出各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖；

掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述微懸臂探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描，接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)這一步驟，其包括：

聲學(xué)換能器產(chǎn)生的多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品，形成相應(yīng)的聲學(xué)信號(hào)；

微懸臂探針在樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，接收多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)，得到微懸臂探針懸臂梁的振動(dòng)信號(hào)，所述微懸臂探針懸臂梁的振動(dòng)信號(hào)包括樣品表面形貌起伏引起的低頻振動(dòng)信號(hào)和聲學(xué)信號(hào)引起的高頻振動(dòng)信號(hào)，所述聲學(xué)信號(hào)引起的高頻振動(dòng)信號(hào)包含了分別與多個(gè)不同頻率的聲激勵(lì)信號(hào)穿過(guò)樣品后形成的聲學(xué)信號(hào)的頻率相同的振動(dòng)。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示這一步驟，其包括：

對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)；

反饋控制模塊根據(jù)濾除聲學(xué)信號(hào)后的樣品表面形貌信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并生成控制掃描器升降的控制信號(hào)；

將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)根據(jù)光電檢測(cè)系統(tǒng)的電信號(hào)得到樣品的表面形貌圖，并將樣品的表面形貌圖和各個(gè)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行同步顯示這一步驟，還包括：

聲學(xué)信號(hào)融合模塊將所有頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖進(jìn)行圖像融合，得到樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像；

將樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像進(jìn)行顯示。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述通過(guò)光電檢測(cè)系統(tǒng)將微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)這一步驟，其包括：

光電檢測(cè)系統(tǒng)的激光器發(fā)出入射光；

光電檢測(cè)系統(tǒng)的四象限接收器接收入射光經(jīng)微懸臂探針?lè)瓷浜笮纬傻姆瓷涔猓?/p>

光電檢測(cè)系統(tǒng)的四象限接收器根據(jù)接收反射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到與微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解釋和說(shuō)明。

實(shí)施例一

針對(duì)現(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡不夠準(zhǔn)確、效率低和實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種新的多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明采用多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源來(lái)產(chǎn)生頻率各不相同的信號(hào)，經(jīng)多路信號(hào)疊加器進(jìn)行相加后，驅(qū)動(dòng)聲學(xué)換能器在樣品底部對(duì)樣品進(jìn)行多種頻率的聲學(xué)激勵(lì)，然后利用微懸臂探針在樣品表面接收后，采用多個(gè)獨(dú)立的相干檢測(cè)解調(diào)通道分別對(duì)每個(gè)頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行相干檢測(cè)解調(diào)，同步獲得對(duì)應(yīng)于每個(gè)不同頻率的聲學(xué)激勵(lì)源的聲學(xué)圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，與現(xiàn)有單一頻率的聲激勵(lì)信號(hào)的掃描探針聲學(xué)顯微鏡相比，不但可以解決對(duì)樣品的某些局部不靈敏和存在檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題，而且一次掃描成像就可得到多種頻率的聲學(xué)信號(hào)，極大提高了樣品實(shí)際測(cè)試的效率。此外，本發(fā)明不同頻率的聲學(xué)信號(hào)是實(shí)時(shí)原位同步采集的，其對(duì)應(yīng)于樣品上的位置也嚴(yán)格一致，不存在“探針-樣品”體系納米級(jí)漂移引起的錯(cuò)位，故可直接將解調(diào)后不同頻率的多路樣品聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)融合，得到攜帶有多頻聲學(xué)信號(hào)的樣品聲學(xué)融合圖像。

如圖2所示，本發(fā)明的顯微鏡系統(tǒng)主要包括激光器1、微懸臂探針2、四象限接收器3、樣品4、聲學(xué)換能器5、掃描器6、多個(gè)聲學(xué)信號(hào)源7、多路信號(hào)疊加模塊8、多個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊9，低通濾波器10、反饋控制模塊11、聲學(xué)信號(hào)融合模塊12、樣品表面形貌圖顯示模塊13、聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊14和聲學(xué)信號(hào)融合圖像顯示模塊15。

從圖2可知，與現(xiàn)有的掃描探針聲學(xué)顯微鏡結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡具有n(n≥2)個(gè)獨(dú)立的聲學(xué)信號(hào)源，獨(dú)立分別產(chǎn)生頻率為f1到fn的聲學(xué)信號(hào)，且fi≠fj(i≠j，1≤i≤n，1≤j≤n)，這些信號(hào)輸入到多路信號(hào)疊加模塊8進(jìn)行疊加后，驅(qū)動(dòng)樣品4底部的聲學(xué)換能器5對(duì)樣品4產(chǎn)生n個(gè)特定頻率的聲激勵(lì)信號(hào)。這n個(gè)不同頻率聲激勵(lì)信號(hào)的聲波穿過(guò)聲學(xué)換能器5與樣品4的邊界，在樣品4內(nèi)進(jìn)行傳播，到達(dá)樣品4表面后，由微懸臂探針2在樣品4表面逐點(diǎn)掃描，并通過(guò)“探針-樣品”耦合體系進(jìn)行接收，轉(zhuǎn)變?yōu)槲冶厶结?懸臂梁的對(duì)應(yīng)振動(dòng)，也就是說(shuō)，微懸臂探針2對(duì)樣品4進(jìn)行掃描的過(guò)程中，懸臂梁的振動(dòng)包含了兩種振動(dòng)信號(hào)：1、樣品4表面形貌起伏引起的振動(dòng)信號(hào)，為低頻信號(hào)(其頻率＜1khz)，強(qiáng)度較大且與樣品4表面起伏的高度差相關(guān)；2、聲學(xué)信號(hào)引起的探針振動(dòng)信號(hào)，為高頻信號(hào)，該高頻信號(hào)包含了分別與多個(gè)聲激勵(lì)信號(hào)源頻率(一般＞10khz)相同的振動(dòng)，這些振動(dòng)的強(qiáng)度相對(duì)較弱且與樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)。而由低通濾波器10、反饋控制模塊11、聲學(xué)信號(hào)融合模塊12、樣品表面形貌圖顯示模塊13、聲學(xué)信號(hào)圖顯示模塊14和聲學(xué)信號(hào)融合圖像顯示模塊15組成的掃描探針顯微鏡控制系統(tǒng)在控制微懸臂探針2在平面掃描運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)因樣品4表面起伏引起的探針懸臂梁的上下彎曲變形(即懸臂梁的低頻振動(dòng))來(lái)驅(qū)動(dòng)掃描器6升降，以抵消樣品4的表面起伏，得到樣品4的表面形貌。微懸臂探針2懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)由激光器1和四象限接收器3構(gòu)成的光電檢測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)一路通過(guò)低通濾波器濾除相對(duì)高頻的聲學(xué)信號(hào)后輸入到反饋控制模塊11，實(shí)現(xiàn)“探針-樣品”體系的穩(wěn)定控制，并得到樣品4的表面形貌圖；另一路輸入到與各個(gè)聲學(xué)信號(hào)源7對(duì)應(yīng)的相干檢測(cè)解調(diào)模塊9，每個(gè)相干檢測(cè)解調(diào)模塊9以各自的聲學(xué)信號(hào)源7為參考信號(hào)，對(duì)輸入電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到對(duì)應(yīng)于該頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖，并與樣品形貌圖同步顯示。

如背景部分所述，樣品材料及結(jié)構(gòu)(包括缺陷)的不均勻性導(dǎo)致現(xiàn)有的掃描探針顯微鏡對(duì)不同頻率的聲學(xué)信號(hào)在檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)盲區(qū)上存在差異，其在某一頻率的聲學(xué)圖像中遺漏的樣品信息，可能在另一頻率的聲學(xué)圖像中得到，因此，本發(fā)明通過(guò)針對(duì)不同頻率信號(hào)的相干檢測(cè)解調(diào)獲得的多路不同頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行綜合分析，可以獲得樣品更為全面的信息。

而本發(fā)明不同頻率的聲學(xué)信號(hào)是實(shí)時(shí)原位同步采集(即同時(shí)輸入到多路信號(hào)疊加模塊8和相干檢測(cè)解調(diào)模塊9中)的，其對(duì)應(yīng)于樣品4上的位置也嚴(yán)格一致，故該顯微鏡系統(tǒng)將解調(diào)后不同頻率的多路樣品聲學(xué)信號(hào)經(jīng)聲學(xué)信號(hào)融合模塊12進(jìn)行在線(xiàn)信號(hào)融合后，得到攜帶有多頻聲學(xué)信號(hào)的樣品多頻聲學(xué)信號(hào)融合圖像，并實(shí)時(shí)顯示，極大方便了樣品測(cè)試者。

本發(fā)明多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的信號(hào)傳輸及處理流程圖如圖3所示。圖3中，16為四象限接收器3輸出的電信號(hào)，17為微懸臂探針2因樣品4表面起伏引起的振動(dòng)信號(hào)，18、19和20分別為頻率f1、f2和fn對(duì)應(yīng)的相干檢測(cè)解調(diào)模塊，21、22和23分別為相干檢測(cè)解調(diào)模塊18、19和20對(duì)應(yīng)(即頻率f1、f2和fn對(duì)應(yīng))的樣品聲學(xué)信號(hào)圖，24為頻率f1至fn對(duì)應(yīng)的這n個(gè)樣品聲學(xué)信號(hào)圖融合后得到的樣品聲學(xué)信號(hào)融合圖像。

由圖3可見(jiàn)，多個(gè)不同頻率(f1～fn)的聲學(xué)信號(hào)同時(shí)從樣品4的底部進(jìn)入并在樣品4內(nèi)傳輸，到達(dá)樣品4的表面后，由在表面掃描的微懸臂探針2接收，轉(zhuǎn)變?yōu)槲冶厶结?懸臂梁的對(duì)應(yīng)振動(dòng)，經(jīng)四象限接收器3轉(zhuǎn)變成電信號(hào)(該電信號(hào)在樣品表面形貌信號(hào)中疊加有相對(duì)高頻的聲學(xué)信號(hào)，如圖3中的信號(hào)16所示)，該電信號(hào)一路經(jīng)低通濾波器10濾除聲學(xué)信號(hào)后得到如圖3所示的信號(hào)17，輸入到反饋控制模塊11中得出樣品4的表面形貌圖；另一路輸入到與各個(gè)聲學(xué)信號(hào)源對(duì)應(yīng)的相干檢測(cè)解調(diào)模塊18、19和20，進(jìn)行解調(diào)得到對(duì)應(yīng)于該激勵(lì)頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)圖21、22和23，不同頻率的樣品聲學(xué)信號(hào)經(jīng)聲學(xué)信號(hào)融合模塊12進(jìn)行信號(hào)融合后，得到攜帶有多頻聲學(xué)信號(hào)的樣品聲學(xué)融合圖像24。

在本發(fā)明的多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)中，理論上，聲學(xué)信號(hào)源的頻率越多，防止聲學(xué)圖像中樣品信息的遺漏就越有效。但是，過(guò)多頻率的聲學(xué)信號(hào)源會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，而且現(xiàn)有的部分掃描探針顯微鏡也可能沒(méi)有足夠的預(yù)留通道來(lái)處理過(guò)多的聲學(xué)信號(hào)，因此聲學(xué)信號(hào)源的頻率以2～4個(gè)為宜。

多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)中，信號(hào)疊加、相干檢測(cè)解調(diào)和信號(hào)融合是重要的組成部分，也承擔(dān)了該系統(tǒng)的主要功能，以下以具有三個(gè)頻率聲學(xué)信號(hào)源的掃描探針聲學(xué)顯微鏡為例分別對(duì)這三個(gè)模塊進(jìn)行說(shuō)明：

1)多路信號(hào)疊加模塊

多路信號(hào)疊加模塊的功能就是將3個(gè)聲學(xué)信號(hào)源輸出的不同頻率的聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性疊加。

其中，3個(gè)聲學(xué)信號(hào)源輸出分別表示為：

其中，ai為信號(hào)輸出源振幅(i＝1、2、3)，fi為信號(hào)源頻率，為信號(hào)源初始相位角，且有：

f1≠f2≠f3(4)

則多路信號(hào)疊加模塊的輸出為：

由式(4)可知，由于3個(gè)聲學(xué)信號(hào)源的頻率各不相同，故其初始相位角可以不予考慮，即式(5)可簡(jiǎn)化為：

so＝a1·sin2πf1t+a2·sin2πf2t+a3·sin2πf3t(6)

2)相干檢測(cè)解調(diào)模塊

假設(shè)表達(dá)式為式(6)的聲學(xué)激勵(lì)信號(hào)從樣品底部進(jìn)入樣品并在樣品內(nèi)傳輸，由于樣品內(nèi)部的不均勻性，到達(dá)樣品表面的不同位置，其聲學(xué)信號(hào)各不相同，該聲學(xué)信號(hào)由微懸臂探針逐點(diǎn)接收后，輸入相應(yīng)的相干檢測(cè)解調(diào)模塊解調(diào)出特定信號(hào)源產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)。

聲學(xué)信號(hào)到達(dá)表面某個(gè)特定點(diǎn)接收到的信號(hào)可表達(dá)為：

si＝a1k1·sin(2πf1t+θ1)+a2k2·sin(2πf2t+θ2)+a3k3·sin(2πf3t+θ3)(7)

其中，ki為聲學(xué)信號(hào)到該特定點(diǎn)的傳遞系數(shù)，θi為聲學(xué)信號(hào)傳遞到該特定點(diǎn)的相位差。ki和θi均攜帶了樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，其隨樣品表面位置的變化構(gòu)成了每個(gè)頻率的聲學(xué)圖像，故ki和θi為相干檢測(cè)解調(diào)模塊所要定量解調(diào)和檢測(cè)的參數(shù)。

相干檢測(cè)解調(diào)模塊的基本原理是以聲學(xué)信號(hào)源的信號(hào)為參考信號(hào)，在微懸臂探針接收到的信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)接收信號(hào))中，利用電信號(hào)與激勵(lì)源的相關(guān)性，濾除其他無(wú)關(guān)信號(hào)，將當(dāng)中對(duì)應(yīng)于該聲學(xué)信號(hào)源信號(hào)的相應(yīng)聲學(xué)信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。相干檢測(cè)解調(diào)模塊可通過(guò)接收信號(hào)和參考信號(hào)的乘法運(yùn)算和積分運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)說(shuō)明如下：

以頻率為f1的聲學(xué)信號(hào)通道為例，將式(7)的接收信號(hào)分別與信號(hào)源1的參考信號(hào)sin2πf1t和正交參考信號(hào)相乘，并對(duì)時(shí)間t積分，可得到該通道信號(hào)的x分量s1x：

從上式的推導(dǎo)過(guò)程中可以看出，以信號(hào)源1為參考信號(hào)，經(jīng)過(guò)乘法運(yùn)算后，可以得到一個(gè)和信號(hào)源1的振幅a1、傳遞系數(shù)k1及相位差θ1相關(guān)的直流部分，以及分別與3個(gè)信號(hào)源頻率相關(guān)的5個(gè)交流部分(頻率分別為2f1、│f1-f2│、f2+f1、│f3-f1│、f3+f1)，而對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算時(shí)，隨著積分時(shí)間的增加，交流部分趨于0。而在實(shí)際系統(tǒng)中，檢測(cè)及信號(hào)采集均有時(shí)效性，故積分時(shí)間不可能是無(wú)窮大，但只要積分時(shí)間足夠大，交流部分完全可以有效抑制，故有：

同樣地，由下式(9)：

可以推導(dǎo)出該通道信號(hào)的的y分量s1y：

由式(8)和(10)，可以得到：

由式(11)和(12)可知，相干檢測(cè)解調(diào)模塊實(shí)際是在微懸臂探針對(duì)樣品掃描過(guò)程中，逐點(diǎn)完成乘法和積分運(yùn)算得到x和y分量sx和sy后，求得其聲學(xué)傳遞系數(shù)k和相位θ，從而獲得聲學(xué)信號(hào)圖。通常，相干檢測(cè)解調(diào)模塊得到的聲學(xué)信號(hào)圖既指聲學(xué)信號(hào)振幅(ak，即聲激勵(lì)源振幅a和傳遞系數(shù)k的乘積)的樣品表面二維分布圖，也指聲學(xué)信號(hào)相位θ的樣品表面二維分布圖。

3)聲學(xué)信號(hào)融合模塊

對(duì)于多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡，如2)中所述，每個(gè)頻率的聲學(xué)激勵(lì)都可得到2個(gè)聲學(xué)圖像(ak和θ)，以具有三個(gè)頻率聲學(xué)信號(hào)源的掃描探針聲學(xué)顯微鏡為例，對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其每次掃描均可得到7幅圖像：樣品表面形貌、3個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的3聲學(xué)信號(hào)振幅圖，以及3個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的3聲學(xué)信號(hào)相位圖。在實(shí)際檢測(cè)中，用戶(hù)同時(shí)監(jiān)控這么多幅聲學(xué)圖像非常麻煩。聲學(xué)信號(hào)融合模塊的功能就是將多幅聲學(xué)信號(hào)振幅圖和多幅聲學(xué)信號(hào)相位圖分別進(jìn)行信號(hào)融合，得到1幅聲學(xué)信號(hào)振幅融合圖和1幅聲學(xué)信號(hào)相位融合圖，方便用戶(hù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷分析，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

聲學(xué)信號(hào)融合模塊可通過(guò)多種模型實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)融合的功能，其最具代表性的線(xiàn)性疊加信號(hào)融合模型表達(dá)式為：

或者：

在式(13)、(14)和(15)中，n為需要進(jìn)行融合的信號(hào)通道數(shù)，ki和θi為第i通道的聲學(xué)信號(hào)傳遞系數(shù)和相位，k∑(或ak∑)和/或θ∑為融合后的聲學(xué)信號(hào)傳遞系數(shù)(或振幅)和/或相位。

綜上所述，本發(fā)明一種多頻掃描探針聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，既可同步獲得對(duì)應(yīng)于不同頻率激勵(lì)源的聲學(xué)圖像，也可實(shí)時(shí)得到多路聲學(xué)的融合信號(hào)圖像，與現(xiàn)有采用單一頻率的聲激勵(lì)信號(hào)的掃描探針聲學(xué)顯微鏡相比，不但可以解決其對(duì)樣品的某些局部不靈敏和存在檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題，而且能有效克服“探針-樣品”體系漂移引起的錯(cuò)位，一次掃描成像就可得到多種頻率的聲學(xué)信號(hào)，極大提高了樣品實(shí)際測(cè)試的效率，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和很高的實(shí)用價(jià)值。

以上是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。