面向原子力顯微鏡應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、目前，原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)作為一種針對(duì)納米級(jí)樣品的成像與操作工具，已被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、材料等工業(yè)領(lǐng)域之中。原子力顯微鏡雖然具有非常高的成像和操作精度（亞納米級(jí)），但原子力顯微鏡在掃描和操作樣品過程中缺乏視覺信息反饋卻成為限制原子力顯微鏡應(yīng)用的重要缺陷之一。在使用其進(jìn)行納米操作時(shí)，由于無法直接獲得操作中間過程的樣品表面的高度信息和受力信息，使得基于原子力顯微鏡的納米操作效率非常低下。

2、
　　 針對(duì)以上問題，本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于原子力顯微鏡系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了AFM掃描成像和納米操作過程的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，具體而言，該平臺(tái)針對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵問題展開研究：
　　 (1)首先，針對(duì)探針掃描過程不可視的問題，設(shè)計(jì)了AFM掃描成像過程的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用樣品的高度信息三維動(dòng)態(tài)顯示樣品表面形貌，同時(shí)用戶可根據(jù)功能需求通過多種角度、方位及光照進(jìn)行觀察。在此基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)原子力顯微鏡與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間的接口，實(shí)現(xiàn)在快速掃描

3、過程中，實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)的掃描過程以及樣品的表面變化過程。
　　 (2)第二，重點(diǎn)研究并開發(fā)了AFM納米操作過程的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。在對(duì)探針理論受力分析的基礎(chǔ)上，建立探針-微懸臂力學(xué)模型，研究探針在操作過程中X、Y、Z方向的受力情況，并分析微懸臂的彎曲形變和扭曲形變，同時(shí)使用細(xì)節(jié)層次算法簡化微懸臂模型，在線改變其在虛擬場景中的位姿。在此基礎(chǔ)上，對(duì)被操作對(duì)象進(jìn)行表面硬度分析，辨識(shí)得到樣品表面的楊氏模量，從而用于計(jì)算樣品在操作過程中產(chǎn)生的形