SurfaceXplorer — это программа для платформы Windows 32, предназначенная для обработки, визуализации и анализа данных сканирующей зондовой микроскопии, дополнительно содержащая модуль управления атомно-силовым микроскопом NT-206.

Для представления и трансформации СЗМ-изображений в SurfaceXplorer используется технология OpenGL, что обеспечивает удобный и оперативный контроль над параметрами визуализации.

SurfaceXplorer обеспечивает возможность подключения внешних специализированных программных модулей (plug-ins), что позволяет в любой момент добавлять новые или модифицировать имеющиеся функции для работы с СЗМ-данными.

Программа SurfaceXplorer разработана исследователями, имеющими богатый опыт работы в области сканирующей зондовой микроскопии, в том числе в интерпретации и анализе СЗМ-данных Это означает, что пользователь получает сбалансированный набор функций, действительно важных для работы с данными, получаемыми методами сканирующей зондовой микроскопии и др..

SurfaceXplorer содержит общий набор функций, обычных для программ обработки СЗМ-данных (3D-, 2D-, 1D- визуализация, фильтрация, расчет статистических параметров, моделирование подсветки и т.д.) и включает передовые возможности для представления данных, такие как гибкая настройка цветовой палитры, способов отображения, масштабирование и вращение трехмерного изображения "на лету" и т.д. Возможность подключения внешних модулей (Plug-ins) придает программе дополнительную функциональность.

Ниже приведен список функций, реализованных в модуле обработки СЗМ-данных программы SurfaceXplorer. Функции модуля управления СЗМ NT-206 приведены в описании данного прибора.

1. Функции визуализации СЗМ-изображений

• быстрый предварительный просмотр файлов данных и их содержания (с помощью пиктограмм)
• двухмерное представление
• трехмерное представление с возможностью непосредственной (интерактивной) трансформации СЗМ-изображения в окне визуализации
• уникальная функция – построение совместного изображения: совмещение трехмерной топографии с данными карты свойств
• имитация подсветки
• настройка цветовой палитры изображения пользователем в том числе с использованием заготовленных цветовых схем, сохранение цветовых схем
• возможность имитации фактуры материалов (для трехмерного представления)
• импорт/экспорт файлов данных в текстовом формате
• импорт файлов растрового графического формата (*.bmp, *.jpg) с конвертацией их в трехмерное изображение (возможность работы с изображениями, полученными с помощью электронных микроскопов)
• экспорт обработанных изображений в файлы растрового графического формата (*.bmp, *.jpg)
• создание отчета с сохранением подготовленных в программе изображений и вспомогательной информации в формате *.doc или *.htm
• возможность создания ссылок на наиболее часто используемые папки данных

2. Функции обработки и преобразования СЗМ-изображений

• выравнивание по линиям сканирования: вычитание прямой линии или параболы
• выравнивание по поверхности: вычитание плоскости или параболоида
• выравнивание по выделению: вычитание плоскости, задаваемой тремя установленными опорными точками, вычитание параболических линий, плоскости или параболоида внутри или по образцу выделенной прямоугольной области
• сглаживание линии сканирования или прямоугольной области интерполяцией граничных данных
• вырезание прямоугольного участка
• арифметические операции с матрицами СЗМ-данных
• произвольное и ступенчатое масштабирование СЗМ-изображения
• нормализация
• транспонирование (зеркальное отображение) по вертикали, по горизонтали, поворот изображения на 90°

3. Построение профилей поперечного сечения

• по произвольной прямой линии
• по произвольной ломаной линии
• по линии сканирования
• возможность совместного анализа профилей топографии и карт свойств
• автономное выравнивание линий профиля с вычитанием прямой или параболической линии; возможность задания пользователем произвольной прямой линии для вычитания из профиля
• транспонирование (зеркальное отображение) линии по вертикали, по горизонтали
• анализ статистических параметров линий профиля и расчет параметров шероховатости Ra, Rq, Rsk, Rku
• возможность расстановки текстовых меток в произвольных точках линий профиля
• возможность импорта данных линейного типа для анализа в специализированном окне

4. Расчет статистических параметров СЗМ-изображений

• анализ высот с построением гистограммы распределения и опорной кривой
• анализ локальных углов наклона
• анализ локальных ориентационных характеристик
• определение стандартных параметров шероховатости: Ra, Rq, Rsk, Rku
• определение номинальной (проекционной) и полной (истинной) площади поверхности.

5. Специализированные функции

• набор функций фильтрации СЗМ-изображений: Медианный, Импульсный, Фурье 2D, Гаусса, Максимизирующий, Усредняющий линейный, Усредняющий, Минимизирующий, Медианный, Лапласа, Нормали, Резкостный, Резкостный восьмиугольный, Собела
• сравнение СЗМ-изображений для определения автокорреляции
• расчет и анализ модуля упругости по СЗМ-данным силовой спектроскопии (кривым подвода-отвода)
• функция построения многослойных изображений (нанотомография)
• расчет формы острия зонда и вычитание факторов ее влияния из СЗМ-изображения топографии
• исключение артефактов, обусловленных неоднородностью локальной жесткости образца
• фрактальный анализ
• зеренный анализ
• выделение изолиний
• моделирование контакта участков поверхностей, задаваемых отсканированными СЗМ-изображениями, и др.

Дополнительно в программе SurfaceXplorer реализована возможность работы с файлами СЗМ-данных других производителей СЗМ: NanoScope/MultiMode (DI/Veeco), АСМ "ФемтоСкан" (ООО НПП «Центр перспективных технологий» МГУ).

Специальной функцией программы SurfaceXplorer является возможность непосредственного анализа СЗМ-изображения топографии и сопутствующего изображения контраста. АСМ в дополнение к их изначальной функции измерения топографии позволяют картографировать локальные силы трения, микромеханические свойства, локальные электрические, магнитные или теплофизические свойства, а также регистрировать данные статической и динамической силовой спектроскопии. Анализ распределения свойств материала по участку поверхности и их сопоставление с микрогеометрией помогает понять некоторые присущие особенности материалов и предложить новые пути их улучшения для достижения новых предварительно задаваемых показателей.

Совместное 3D изображение (см. рисунок) позволяет комбинировать данные двух типов. Один из них служит основным набором данных и отображается как трехмерный СЗМ-образ. В качестве основного набора данных могут быть использованы различные СЗМ-изображения, однако изображение топографии имеет среди прочих приоритет, т.к. описывает "фундаментальную" характеристику пространственного распределения материала на границе фаз в пределах участка сканирования. Вторичный набор данных служит в качестве таблицы цветов, в соответствии с которой и осуществляется окрашивание точек рельефа базового трехмерного изображения. СЗМ-изображения контрастов, получаемые одновременно с измерением топографии, и используются в качестве вторичного набора данных. Таким образом. совместное 3D изображение сочетает информацию от двух наборов данных и непосредственно визуализирует распределение спецефических характеристик на участке сканирования. Рисунок показывает, что подобный совместный анализ особенно полезен при исследовании образцов с неоднородными свойствами, например, композиционных материалов.

Вверху: Пример совместного анализа топографии и изображения контраста. Топография и изображение фазового контраста представлены на совместном 3D изображении. Поверхность пьезокерамики, с добавкой порошка серебра. Синий цвет соответствует частицам серебра, желтый цвет соответствует материалу керамической матрицы. Видно. что серебро выступает над поверхностью керамической матрицы, т.е. выдавливается из нее.

Справа: Пример совместного анализа топографии и изображения контраста с помощью программного пакета SurfaceXplorer. Топография и изображение фазового контраста представлены на совместном 3D изображении: поверхность алмазоподобного покрытия после трения. Исходная поверхность в процессе трения модифицируется с переходом углерода в состояние графита на пятнах действительного контакта (наиболее выступающие вершины рельефа). Темный тон указывает на снижение локального модуля упругости, т.е. на наличие материала, значительно отличающегося по этому показателю от исходного (светлый тон).

Уникальной функцией программы SurfaceXplorer является процедура устранения артефактов измерения высоты, вызываемых нерваномерным деформированием материала образца острием зонда АСМ при сканировании в полуконтактном режиме (Tapping Mode).

Данная функция принимает во внимание действительные модули Юнга материалов, находящихся в пределах сканируемого участка на поверхности образца (верхний рисунок) и корректиррует высоту точек на АСМ-изображении топографии, используя информацию о распределении локальной жесткости из соответствующего изображения фазового контраста. В результате рассчитывается матрица разницы высот (нижний рисунок), которая и используется для коррекции изображения топографии.

Функция визуализации профиля поперечного сечения включает возможность одновременного отображения и анализа любого количества параллельных профилей, относящихся к одному набору трехмерных данных. Так, если на одном из изображений (см. рисунок ниже), например, топографии выбирается произвольная линия для построения профиля поперечного сечения, программа отслеживает аналогичные профили (по координатам в плоскости изображения) во всех других матрицах данных (например, фазовом контрасте), существующих в этом наборе (файле) СЗМ-данных. Эта функция обеспечивает более точные измерения и анализ интересующих характеристик СЗМ-изображения, включая сопоставление свойств, отличных от данных топографии. На рисунке показан пример, на котором профиль по изображению топографии совмещен с соответствующим профилем по изображению фазового контраста. Программа SurfaceXplorer позволяет также использовать функцию визуализации профилей для импорта и анализа любых наборов линейных данных.