CN101086482A - 表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置及方法。在检测大口径精密元件表面时，需要将扫描的成百上千帧子孔径图利用数字图像处理的方法实施图像拼接。本发明针对影响全孔径拼接时的误差—CCD坐标与扫描轨迹坐标间的夹角α，提出根据被测大口径元件尺寸、物方视场大小及所需拼接的N×N的子孔径数，从而确定相应的最大角度容差α_max。本发明设计了特定的角度调整机构，可以实现CCD坐标系与扫描轨迹坐标系一致性的调整。本发明提出了利用具有标准刻线的标准板、XY扫描系统及专门的图像处理软件组合可以实现按照特定的调整方法使两个坐标系的夹角α小于α_max，从而保证全孔径的正确拼接，达到表面疵病等级和位置的正确评定。

Description

表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置及方法

技术领域

本发明涉及一种表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置及方法。

背景技术

表面疵病检测是精密元件质量检验的主要项目之一。随着现代光学技术的发展，对一些元件如光学元件集成电路的硅片表面质量要求越来越高，尤其对一些用于光学系统中的高精度的光学元件表面的疵病更具有严格的控制。在许多领域要用到了大量大口径的精密元件，这些元件表面缺陷、划痕、碎边等各种疵病的存在将造成不同程度散射从而会严重影响整个系统的正常运行。由于大口径精密元件要求检测的疵病要求达到微米量级，为了分辨微米量级的物体，显微镜的物方的成像区域往往可能只有几个mm的大小，这样大口径光学元件的尺寸一般为几百毫米，而扫描的子孔径一般为几毫米左右。因此检测大口径光学元件时，需要扫描的子孔径图有几百甚至几千幅，然后利用数字图像处理的方法，对子孔径图实施拼接得到含有大口径光学元件表面疵病信息的全孔径图，然后将全孔径图进行基于数学形态学的滤波、二值化、疵病特征提取等处理，达到疵病检测和定位的目的。

在数字图像处理方法中，对物面进行XY扫描过程中，XY扫描系统构成了XY轴的物面直角坐标，而成像的CCD坐标又构成了XY轴的像面直角坐标。而这两个坐标在未经过精确的误差分析和调整前两个坐标完全有可能是不吻合的，而被引入到所扫描的子孔径阵列中，而且这些误差会随扫描轨迹的增长而不断的积累，导致子孔径拼接时出现不同程度的像素错位，当被检的口径越大，即子孔径拼接的图像帧数就越多，由于像素错位引入的拼接误差就越大，使表面疵病的几何参数产生偏差，从而影响整个系统对光学元件表面疵病的正确评价。

目前，国内外对表面的疵病常用的检测方法也只是实现小区域疵病的定性和统计的分析，尚没有对大口径元件表面疵病实现自动化检测及数字评价。本发明为实现全孔径图像的正确拼接，对影响全孔径拼接的各项误差进行探讨，找到影响子孔径正确拼接的主要因素以及减小和消除拼接误差的方法，利用特定的调整机构，使物面XY扫描坐标与成像的CCD坐标一致，确实是多帧子孔径图像扫描拼接中一个所需迫切解决的问题，也是实现精确自动化检测的一个重要手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置及方法。

表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置具有基座，在基座上设有角度调整台支座、角度调整台，在角度调整台上装有显微镜固定架，在显微镜固定架中固定有光学显微镜，在光学显微镜上端装有CCD，CCD依次与图像采集卡、计算机、XY扫描驱动电路及XY扫描工作台相连接，在XY扫描工作台上安放调整时用的标准板。

表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整方法包括如下步骤：

1)根据被测大口径元件尺寸、光学显微镜物方视场大小计算出所需拼接的N×N的子孔径数及沿拼接方向重叠区域像素数，计算影响全孔径拼接时的误差源CCD坐标与扫描轨迹坐标间夹角的最大角度容差α_max

${\mathrm{\α}}_{\max }={\tan }^{-1}\frac{1}{(N-1)\×(A-B)}---\left(1\right)$

式中A表示子孔径图某行的像素数，B表示沿拼接方向重叠区域像素数；

2)在XY扫描工作台上安放具有标准刻线的标准板，计算机通过XY扫描驱动电路使XY扫描工作台移动，对标准板上的标准刻线形成扫描，采集有标准刻线图像的子孔径图A₁和图A₂，计算出CCD坐标与扫描轨迹坐标间的实际夹角α，

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{|y_1-y_2|\×A}{d\×W}\right)---\left(2\right)$

式中y₁、y₂是标准刻线与子孔径图A₁、A₂与Y轴的交点坐标；A表示显微系统物方子孔径边长，W表示子孔径图每行像素数，d为两次采样的距离；

3)根据计算求出α值，旋转安装在角度调整台支座上的角度调整台转动α角，使CCD与XY扫描工作台扫描轨迹两个坐标间夹角α调整至最小值，该最小值由角度调整台的角度旋转灵敏度确定。

所述的调整时用的标准板采用石英材料及二元光学光刻的方法制作了具有标准刻线的标准板。

本发明在检测大口径精密元件表面疵病将扫描的成百上千帧子孔径图利用数字图像处理的方法实施图像拼接时，针对影响全孔径拼接时的误差源——CCD坐标与扫描轨迹坐标间的夹角α，提出了确定相应的最大角度容差α_max的计算方法。通过对标准刻线进行光学成像，利用专门的计算机角度检测和调整的图像处理软件可以直接求取计算两坐标的偏离角即调整角α并且可以进行精确的调整。该方法检测偏离角精确、计算和调整快速准确。使CCD坐标系与扫描轨迹坐标系的夹角α小于其最大容差α_max，以使由α引入的拼接误差不超过1个像素，从而保证全孔径的正确拼接，确保大口径表面疵病检测时对元件表面疵病实现精确的疵病参数评定。

附图说明

图1是表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置示意图；

图2是表面疵病检测中图像扫描拼接时物像坐标误差产生的疵病拼接未调整前错位图像；

图3是扫描示意图；

图4是拼接示意图；

图5是调试示意图；

图6(a)是进行坐标调整前采集的子孔径A₁；

图6(b)是进行坐标调整前采集的子孔径A₂；

图7(a)是进行坐标调整后采集的子孔径A₁′；

图7(b)是进行坐标调整后采集的子孔径A₂′；

图8(a)是5×5子孔径阵列；

图8(b)是5×5子孔径阵列在坐标调整后拼接的全孔径图；

具体实施方式

如图1所示，表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置具有基座5，在基座5上设有角度调整台支座4、角度调整台3，在角度调整台3上装有显微镜固定架9，在显微镜固定架9中固定有光学显微镜2，在光学显微镜2上端装有CCD1，CCD1依次与图像采集卡10、计算机11、XY扫描驱动电路12及XY扫描工作台8相连接，在XY扫描工作台8上安放调整时用的标准板7。

所述的调整时用的标准板7采用石英材料及二元光学光刻的方法制作了具有标准刻线的标准板。

表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整方法包括如下步骤：

1)根据被测大口径元件尺寸、光学显微镜(2)物方视场大小计算出所需拼接的N×N的子孔径数及沿拼接方向重叠区域像素数，计算影响全孔径拼接时的误差源CCD坐标与扫描轨迹坐标间夹角的最大角度容差α_max。

${\mathrm{\α}}_{\max }={\tan }^{-1}\frac{1}{(N-1)\×(A-B)}---\left(1\right)$

最大角度容差α_max的计算依据：由于大口径精密元件要求检测的疵病要求达到微米量级，为了分辨微米量级的物体，显微镜的物方的成像区域往往可能只有几个mm的大小，这样大口径光学元件的尺寸一般为几百毫米，而扫描的子孔径一般为几毫米左右。因此检测大口径光学元件时必须进行XY两方向的子孔径扫描成像，然后对子孔径图施行拼接，得到带有疵病信息的全孔径图。扫描时先沿X轴向右扫描，平移台每移动一步长(相应于物方的成像区大小)，同步采集一幅图像，直至沿X轴的一行图像采集完成后，沿Y轴移动一步长，X轴再进行与上述同样的扫描，从而完成对整个被测表面的子孔径扫描成像。为了得到完整和连续的疵病信息，扫描得到的子孔径阵列是一系列含有重叠区域的子孔径图，还不是被检测光学元件表面疵病信息直观表现，必须对其实施全孔径拼接才能用于数字化评价。但是，在扫描过程中机构的误差被引入到子孔径阵列中，而且这些误差引起的拼接误差会随扫描子孔径的增多而不断的积累，导致子孔径拼接时出现不同程度的像素错位，如果在拼接处存在像素错位，那么横跨这两个子孔径的划痕就会在拼接错位处被分成两条划痕，图2圈中即为拼接错位使一条划痕一分为二，使划痕的长度计算产生错误，同理，对于麻点来说会影响麻点的直径计算。从而影响整个系统对光学元件表面疵病的正确评价。

在检测中分析发现，CCD坐标与扫描轨迹坐标不重合而存在夹角α是影响全孔径拼接最主要的误差源。CCD坐标与扫描轨迹间的夹角引入的拼接误差属于系统误差，它对全孔径的拼接体现为非对称现象，其误差累积效果随所采集子孔径的增多而不断增大。这种误差对全孔径拼接的影响仍然体现在重叠区域无疵病特征的子孔径的拼接上。设X_cOY_c和X_sOY_s分别表示CCD坐标系和扫描轨迹坐标系，当两坐标系存在夹角α时，其扫描子孔径示意图如上图3所示，图中A_ij分别表示扫描时的子孔径的行列位置，其中一条短划痕穿过子孔径A₁₄和A₁₅，另一条长划痕穿过子孔径A₁₁、A₁₂、A₁₃，可以看出所有扫描子孔径实际位置(图中实线)相对于理想位置(图中虚线)产生了旋转。当对图3所采集的子孔径进行拼接时，全孔径坐标系与子孔径A₁₁对应的坐标系一致(即为X_cOY_c)。由于子孔径A₁₁、A₁₂、A₁₃的重叠区域均有疵病特征因而拼接时采用匹配拼接法，因此这三个子孔径不会引入拼接误差。但是，当拼接子孔径A₁₄时，因为子孔径A₁₄和A₁₃的重叠区域如果没有疵病特征所以采用了坐标直接拼接的方法，从而导致子孔径A₁₄的拼接位置(图4中虚线所示)相对其实际位置(图4中实线所示)引入拼接误差ΔH。这个拼接误差必然也会传递给与子孔径A₁₄进行匹配的子孔径A₁₅，从而使子孔径A₁₅也具有ΔH的误差，因此这种误差有传递性。由以上分析可以看出，CCD坐标与扫描轨迹间夹角引入的拼接误差具有累加性和传递性。累加性主要表现在拼接误差随扫描子孔径数的增加而增加，传递性主要体现在只要某个子孔径拼接时产生拼接误差，必然导致其后的所有子孔径都含有同样的拼接误差。在大口径精密元件疵病的检测中，由于拼接子孔径图有成百上千幅，因此这种误差的累积性和传递性必然会严重影响全孔径的拼接，最终导致拼接错位的现象。

因为CCD坐标与扫描轨迹间夹角α无法直接通过机构精确测得，所以对于重叠区域无疵病特征的子孔径的实际位置与其拼接位置的偏差也无法精确计算，因而要从软件方面改善这种误差的影响非常困难。所以，有必要找到不影响N×N个子孔径拼接的CCD坐标系与扫描坐标间的夹角α的最大容差α_max，根据最大容差α_max进行CCD坐标与扫描轨迹坐标夹角的调整，减小其累积误差的影响，从而实现全孔径的正确拼接。

相邻两子孔径进行拼接时由于CCD坐标与扫描轨迹坐标的夹角引入的拼接的偏移量Δ_α为：

Δ_α＝(A-B)×tanα    (3)

式中A表示子孔径图某行的像素数，B表示沿拼接方向重叠区域像素数，α表示CCD坐标与扫描轨迹坐标的夹角。从而可推得相同行的第N个子孔径相对于该行第一个子孔径图的偏移量为：

Δ_αN＝(N-1)×(A-B)×tanα    (4)

可以得到CCD坐标与扫描轨迹坐标偏离的夹角α，子孔径拼接时，要求每行子孔径的拼接误差不超过1个像素，否则当子孔径图的重叠区域无疵病特征而采用直接拼接时引入拼接误差，造成像素错位的现象，令当Δ_αN＝1，则最大容差α_max

${\mathrm{\α}}_{\max }={\tan }^{-1}\frac{1}{(N-1)\×(A-B)}---\left(1\right)$

由此，当CCD的像素为320×240，采样时的重叠区域B为64像素的N×N子孔径图进行拼接时，可以得到CCD坐标与扫描轨迹坐标间夹角的最大容差α_max随每行需拼接的子孔径数的增加而减小，而每行需拼接的子孔径数N与被测光学元件的实际尺寸成正比，与显微系统的物方视场大小成反比。由此可知，在满足系统分辨率的前提下，显微系统的物方视场越大，CCD坐标与扫描轨迹间的夹角的最大容差α_max越大，而α_max越大越容易进行调整。当物方视场大小及被测光学元件尺寸一定，则相应的α_max也就确定，要实现N×N子孔径图的正确拼接，必须对CCD坐标与扫描轨迹坐标的夹角进行调整，使其夹角α小于相应的α_max。

2)在XY扫描工作台(8)上安放具有标准刻线的标准板(7)，计算机(11)通过XY扫描驱动电路(12)使XY扫描工作台(8)移动，对标准板(7)上的标准刻线形成扫描，采集有标准刻线图像的子孔径图A₁和图A₂，计算出CCD坐标与扫描轨迹坐标间的实际夹角α，

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{|y_1-y_2|\×A}{d\×W}\right)---\left(2\right)$

CCD坐标与扫描轨迹坐标夹角α的检测和计算需要制作一个含标准线的标准板，标准板用石英材料制作，且标准线的长度大于10mm为宜，用显微成像系统对标准线进行采样，根据所采的图计算CCD坐标与扫描轨迹坐标的夹角α，再将所计算的夹角α的大小反馈给CCD旋转系统(如图1所示的角度调整台)，通过角度调整台的转动使CCD坐标与扫描轨迹坐标间的夹角α小于相应的最大容差α_max，从而确保每行拼接误差小于1个像素。

CCD坐标系和扫描轨迹坐标系分别以X_cOY_c和X_sOY_s表示。调整时首先将含有标准线的标准板放在检测平台上，放置时使标准线平行于CCD坐标的X_c轴(如图5所示)。采集子孔径图A₁，这时标准线与子孔径图A₁的Y_c轴交于点E(0，y₁)，再使显微成像系统移动接近标准线长度的距离d并采集子孔径A₂，可以得到标准线与子孔径A₂的Y_c轴交于点F(0，y₂)。根据所采集的子孔径图A₁和A₂可以计算出CCD坐标与扫描轨迹坐标间的夹角α

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{|y_1-y_2|\×A}{d\×W}\right)---\left(2\right)$

求出α值，再使CCD转动α角从而实现两坐标系调整一致的目的。

3)根据计算求出α值，旋转安装在角度调整台支座(4)上的角度调整台(3)转动α角，使CCD(1)与XY扫描工作台(8)扫描轨迹两个坐标间夹角α调整至最小值，该最小值由角度调整台(3)的角度旋转灵敏度确定。

这种调整方法的分辨率受CCD旋转系统分辨率的限制，所以，CCD旋转系统的精度应优于系统所要求的CCD坐标与扫描轨迹坐标夹角的最大容差α_max。在本系统中CCD旋转系统的旋转机构的精度为30″，而当α_max＝30″时，可以保证29×29的子孔径阵列的拼接不产生像素错位。对于待拼接的子孔径较多时(大于900幅)，由于其相对应的α_max很小，所以可以选择更高旋转精度的机构。

实施例

针对影响子孔径拼的误差(CCD坐标与扫描轨迹坐标间的夹角α)进行两坐标系的调整检测。检测中，子孔径大小为320×240像素，XY轴的系统扫描定位精度为1um，，物方视场取最小2.875mm×2.168mm，标准线长度为30mm。

按照上述的步骤，当标准线与CCD的X_c轴平行后采集子孔径A₁，然后扫描系统移动d＝20mm采集子孔径A₂，图6是进行坐标调整前采集的子孔径A₁、A₂，从图中可见，由于两坐标的偏离，同一根标准直线已在Y轴方向产生偏离，可得标准线与子孔径A₁、A₂交点坐标E、F分别为(0，231)，(0，192)。从而可计算得到此时的α

由所计算的α角再根据扫描系统移动方向以及y₁、y₂大小关系可以判定CCD的转动方向，从而利用旋转系统使CCD按所判定的方向转动α，即可实现两坐标系调整的目的。调整后对标准线的同一位置进行采样得到子孔径A₁′、A₂′，

图7是进行两坐标系调整后采集的子孔径A₁、A₂，此时标准线与子孔径的交点坐标E′、F′均为(0，207)，可以明显的判断：标准线在Y轴方向经过检测调整后已消除了偏离，。由此可知在检测20mm范围内两坐标系夹角引入的拼接误差已小于1个像素。当检测范围增大时，其物方视场也需要作相应调整，此时同样可以用上述方法实现两坐标系的调整，调整中所用的标准线越长，读数误差的影响就越小。

对于5×5的子孔径阵列的拼接，其对应的α_max＝214.86″。而本系统中所用的CCD旋转系统的旋转精度为30″，所以经上述调整后CCD坐标与扫描轨迹坐标间的夹角满足α＜30″＜α_max＝214.86″，因此拼接时不会引入拼接误差。如图8即为两坐标系的夹角进行调整后，对标准板采样得到的子孔径阵列及相应的全孔径图。从图8中可以看出经过调整后全孔径图没有拼接错位的现象。

Claims (4)

1.一种表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置，其特征在于它具有基座(5)，在基座(5)上设有角度调整台支座(4)、角度调整台(3)，在角度调整台(3)上装有显微镜固定架(9)，在显微镜固定架(9)中固定有光学显微镜(2)，在光学显微镜(2)上端装有CCD(1)，CCD(1)依次与图像采集卡(10)、计算机(11)、XY扫描驱动电路(12)及XY扫描工作台(8)相连接，在XY扫描工作台(8)上安放调整时用的标准板(7)。

2.根据权利要求书1所述的一种表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整装置，其特征在于所述的调整时用的标准板(7)采用石英材料及二元光学光刻的方法制作了具有标准刻线的标准板。

3.一种利用权利要求书1所述装置的表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整方法，其特征在于包括如下步骤：

1)根据被测大口径元件尺寸、光学显微镜(2)物方视场大小计算出所需拼接的N×N的子孔径数及沿拼接方向重叠区域像素数，计算影响全孔径拼接时的误差源CCD坐标与扫描轨迹坐标间夹角的最大角度容差α_max

${\mathrm{\α}}_{\max }=\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{1}{(N-1)\×(A-B)}---\left(1\right)$

式中A表示子孔径图某行的像素数，B表示沿拼接方向重叠区域像素数；

2)在XY扫描工作台(8)上安放具有标准刻线的标准板(7)，计算机(11)通过XY扫描驱动电路(12)使XY扫描工作台(8)移动，对标准板(7)上的标准刻线形成扫描，采集有标准刻线图像的子孔径图A₁和图A₂，计算出CCD坐标与扫描轨迹坐标间的实际夹角α，

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{|y_1-y_2|\×A}{d\×W}\right)---\left(2\right)$

式中y₁、y₂是标准刻线与子孔径图A₁、A₂与Y轴的交点坐标；A表示显微系统物方子孔径边长，W表示子孔径图每行像素数，d为两次采样的距离；

3)根据计算求出α值，旋转安装在角度调整台支座(4)上的角度调整台(3)转动α角，使CCD(1)与XY扫描工作台(8)扫描轨迹两个坐标间夹角α调整至最小值，该最小值由角度调整台(3)的角度旋转灵敏度确定。

4.根据权利要求书3所述的一种表面疵病检测图像拼接时物像坐标误差调整方法，其特征在于所述的调整时用的标准板(7)采用石英材料及二元光学光刻的方法制作了具有标准刻线的标准板。

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