High-speed multiresolution scanning probe microscopy based on Lissajous scan trajectories

Abstract

A novel scan trajectory for high-speed scanning probe microscopy is presented in which the probe follows a two-dimensional Lissajous pattern. The Lissajous pattern is generated by actuating the scanner with two single-tone harmonic waveforms of constant frequency and amplitude. Owing to the extremely narrow frequency spectrum, high imaging speeds can be achieved without exciting the unwanted resonant modes of the scanner and without increasing the sensitivity of the feedback loop to the measurement noise. The trajectory also enables rapid multiresolution imaging, providing a preview of the scanned area in a fraction of the overall scan time. We present a procedure for tuning the spatial and the temporal resolution of Lissajous trajectories and show experimental results obtained on a custom-built atomic force microscope (AFM). Real-time AFM imaging with a frame rate of 1 frame s⁻¹ is demonstrated.

Hochpräzise roboterbasierte 3D-In-Prozess-Messtechnik

“…Sie wird durch ein schnelles und eine langsames Dreieckssignal an den beiden Scanachsen generiert und bietet eine einheitliche Auflösung über den gesamten Scanbereich, was eine konstante Pixel-Clock für die Zuweisung von Datenpunkten zu einem Referenzraster bedeutet. Obwohl die Raster-Trajektorie der Standard für viele wissenschaftliche Applikationen ist, stellt sie oft auch die Limite für die erreichbare Scangeschwindigkeit dar [34]. Für ein DreiecksReferenz-Signal müssen mindestens die ersten 7-11 Harmonischen der Grundwelle innerhalb der Systembandbreite liegen, sodass eine hohe Reglerbandbreite benötigt wird, die wiederum hohe Anforderungen an die mechanische Struktur zur Folge hat [15].…”

“…Die Lissajous-Trajektorie stellt eine Alternative zu Raster-Trajektorien dar und wird ebenfalls zunehmend in Präzisionsanwendungen verwendet [34]. Sie wird durch Sinussignale mit definierten Frequenzen an beiden Systemachsen generiert, wobei die Frequenzen Auflösung und Bildrate definieren [35].…”

High frame-rate multichannel beam-scanning microscopy based on Lissajous trajectories

“…Lissajous trajectory beam scanning TPEF microscopes were previously built with MEMS mirrors [16] or fiber scanners [17][18][19]. Lissajous trajectories have also been utilized in other applications such as atomic force microscopy (AFM) [20,21]. In general, these previous strategies utilized relatively low least common multipliers or non-repeating Lissajous trajectories with correspondingly low resolution images.…”

Butterworth Pattern-based Simultaneous Damping and Tracking Controller Designs for Nanopositioning Systems

“…In applications which require high scanning speeds (Ando et al, 2002;Tuma et al, 2012), a controller which damps the resonant mode is required. Numerous damping controllers have been presented in the literature.…”