CN113466340B - 一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法及装置，包括：接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度；根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度；根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度；根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦。
Description
技术领域
本发明涉及超声扫描显微镜领域，尤其涉及一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法及装置。
背景技术
超声扫描显微镜是一种利用超声波对样品进行显微成像的设备。由于超声波可以穿透样品表面，超声扫描显微镜可以直接对样品内部结构进行成像，因此广泛应用于无损检测领域，例如芯片封装缺陷检测、晶圆键合缺陷检测、复合材料检测、焊接检测等。超声显微镜将脉冲超声波聚焦在样品内部，接收到的脉冲回波包含了样品的材料特性和高度信息。通过在水平面进行逐点线性扫描，可以得到样品各个方向的剖面形貌以及三维形貌。
C扫描是超声扫描显微镜最主要的检测方式之一，可以获得被测样品在特定深度的剖面图像。C扫描是在超声波回波数据中提取某个深度区间的峰值或峰峰值作为该平面像素点的像素灰度值，对平面内每个像素点进行该处理之后，可以得到整幅C扫描图像。超声显微镜的超声探头频率越高、数值孔径越大，则分辨率越高，但聚焦深度范围也越窄，若要获得样品内部结构的清晰形貌，必须精确地聚焦在目标结构所在的深度。
对于弯曲或倾斜样品，例如减薄后的大面积晶圆样品，传统的高分辨率超声扫描显微镜难以在一次扫描时获得完整的内部结构，因为目标结构可能并不在水平面的同一深度，而是距离弯曲表面一个固定的距离。
传统的超声扫描显微镜不具备实时自动对焦功能，需要经过多次不同深度的扫描，再对多层图像进行拼接，才能获得大面积翘曲样品的完整形貌，降低了检测速度，且检测效果难以保证。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法，以使高分辨率超声显微镜可实现对翘曲样品的完整、快速成像。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法，包括：
接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；
根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；
根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度；
根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度；
根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度；
根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦。
进一步地，接收样品在预扫描各点的超声波回波数据前，还包括：
获取样品扫描范围；
根据所述样品扫描范围，确定正式扫描网格点数量；
对所述正式扫描网格点数量进行稀疏处理；
稀疏处理后，确定预扫描各点。
进一步地，根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，包括：
依次处理每个预扫描点的回波数据，确定第一个脉冲回波峰值的横坐标位置；
根据第一个脉冲回波峰值的横坐标、数据采样率和数据延迟采集时间计算第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。
进一步地，根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度，包括：
根据延迟时间t计算各预扫描点的样品表面深度z1，其中z1＝k×t，k为样品所在介质中声速的一半，t为延迟时间。
进一步地，根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度，包括：
根据各预扫描点的样品表面深度z1，计算预扫描点的目标聚焦深度z2＝z1+dz，其中dz为样品内目标聚焦位置到样品上表面的距离。
进一步地，根据预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度，包括：
根据预扫描点的目标聚焦深度以及预扫描和正式扫描坐标点之间的相对位置关系，用二维插值法计算得到各正式扫描点的目标聚焦深度。
进一步地，根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦，包括：
根据正式扫描点的目标聚焦深度，在超声探头依次移动到正式扫描点时，控制超声探头Z向移动，使其聚焦到对应的目标聚焦深度，完成全局对焦。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦装置，包括：
接收模块，用于接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；
提取模块，用于根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；
第一计算模块，用于根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度；
第二计算模块，用于根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度；
第三计算模块，用于根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度；
对焦控制模块，用于根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
根据本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请接收样品在预扫描各点的超声波回波数据，根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度，根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度，根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度，进而根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦。通过本发明实施例提供的方法完成全局对焦后，可用于对翘曲、倾斜样品进行均匀、清晰的成像，不需要多次不同深度的传统C扫描和多层图像拼接，样品检测速度更快。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的在接收样品在预扫描各点的超声波回波数据前处理流程的流程图。
图3是根据一示例性实施例示出的步骤S12的流程图。
图4是根据一示例性实施例示出的超声扫描显微镜工作原理示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的预扫描网格点设置示意图。
图6是根据一示例性实施例示出的超声波回波信号与脉冲触发信号示意图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦装置的框图。
图8是根据一示例性实施例示出的在接收样品在预扫描各点的超声波回波数据前处理流程的框图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
图1是根据一示例性实施例示出的一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法的流程图，本发明实施例提供的一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法主要针对的是翘曲样品或倾斜样品，所述翘曲或倾斜样品，其特征为上表面非水平面，且目标探测结构和上表面相对距离固定。具体地，样品可以为翘曲的晶圆、被挤压的样品、柔性复合材料、放置倾斜的芯片等。如图1所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤S11，接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；
步骤S12，根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；
步骤S13，根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度；
步骤S14，根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度；
步骤S15，根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度；
步骤S16，根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦。
由上述实施例可知，本申请可通过一次正式扫描实现全局对焦。通过本发明实施例提供的方法完成全局对焦后，可用于对翘曲、倾斜样品进行均匀、清晰的成像，不需要多次不同深度的传统C扫描和多层图像拼接，样品检测速度更快。
参考图2，本发明实施例中，在接收样品在预扫描各点的超声波回波数据前，还可包括：
步骤S21，获取样品扫描范围；
具体地，获取样品扫描范围的XY坐标上下限。
步骤S22，根据所述样品扫描范围，确定正式扫描网格点数量；
具体地，根据所述样品扫描范围，以及预期的扫描步距，确定正式扫描网格点数量。
步骤S23，对所述正式扫描网格点数量进行稀疏处理；
具体地，保持扫描范围不变，按照一定比例对正式扫描网格点进行稀疏处理。在一个具体的实施例中，正式扫描网格点数量为m×n个，可在每a个正式扫描点设置一个预扫描点，预扫描点的总数为((m-1)/a+1)×((n-1)/a+1)，在正式扫描点数很多时，预扫描点数约等于m×n/a2，预扫描花费的时间约为正式扫描的1/a2。图5是根据一示例性实施例示出的预扫描网格点设置示意图，m＝10，n＝10，a＝3，共计10×10＝100个扫描点，每3个正式扫描点取一个预扫描点，预扫描点总数为4×4＝16个，预扫描花费的时间仅为正式扫描的16％。
步骤S24，稀疏处理后，确定预扫描各点。
具体地，稀疏处理后，确定预扫描各点的XY平面坐标。
在步骤S11的具体实施中，接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；
具体地，超声波回波数据可在发射脉冲触发信号后延迟一定的时间再开始采集，以减少存储的数据量，节约计算机内存。
参考图3，在步骤S12的具体实施中，根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，该步骤可以包括：
步骤S31，依次处理每个预扫描点的回波数据，确定第一个脉冲回波峰值的横坐标位置；
具体地，参考图6，系统发射脉冲触发信号后，会接收到超声波回波数据。超声波回波数据第一个脉冲为样品上表面的回波信号，其峰值横坐标反映了样品表面距离超声探头的深度。
步骤S32，根据第一个脉冲回波峰值的横坐标、数据采样率和数据延迟采集时间计算第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。
具体地，第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间t＝第一个脉冲回波峰值的横坐标÷数据采样率+数据延迟采集时间。
在步骤S13的具体实施中，根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度，该步骤可以包括：
根据延迟时间t计算各预扫描点的样品表面深度z1，其中z1＝k×t，k为样品所在介质中声速的一半。
具体地，介质中的声速为系统的固有参数，可以提前标定，并不会因为更换样品而改变。
在步骤S14的具体实施中，根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度，该步骤可以包括：
根据各预扫描点的样品表面深度z1，计算预扫描点的目标聚焦深度z2＝z1+dz，其中dz为样品内目标聚焦位置到样品上表面的距离。
具体地，样品内目标聚焦位置是期望获取清晰成像的位置，目标聚焦位置到样品上表面的距离为固定值dz。
在步骤S15的具体实施中，根据预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度，包括：
根据预扫描点的目标聚焦深度以及预扫描和正式扫描坐标点之间的相对位置关系，用二维插值法计算得到各正式扫描点的目标聚焦深度。
具体地，若预扫描点的X方向坐标序列为MX，Y方向坐标序列为MY，目标聚焦深度矩阵为MZ，则坐标为(i,j)的正式扫描点，其目标聚焦深度计算公式为z2(i,j)＝interp2(MX,MY,MZ,i,j,method)，其中interp2为二维插值函数，method为插值方法，可选择双线性插值、双三次插值、最邻近插值等插值方法。
在步骤S16的具体实施中，根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦，包括：
具体地，在某个特定的正式扫描点坐标(i,j)，根据计算得到的目标聚焦深度z2(i,j)，控制超声探头的Z向位置移动到z2(i,j)+f，其中f为超声探头的焦距。
请参见图4，超声探头1发射超声波2，穿过样品上表面3，聚焦到目标聚焦界面4。
与前述的用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法的实施例相对应，本申请还提供了用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦装置的实施例。
图7是根据一示例性实施例示出的一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦装置框图。参照图7，该装置可以包括：
接收模块11，用于接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；
提取模块12，用于根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；
第一计算模块13，用于根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度；
第二计算模块14，用于根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度；
第三计算模块15，用于根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度；
对焦控制模块16，用于根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦。
本发明实施例中，参考图8，在接收模块11前，还可包括：
获取模块21，用于获取样品扫描范围；
第一确定模块22，用于根据所述样品扫描范围，确定正式扫描网格点数量；
处理模块23，用于对所述正式扫描网格点数量进行稀疏处理；
第二确定模块24，用于稀疏处理后，确定预扫描各点。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法。
相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如上述的用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (4)
1.一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦方法，其特征在于，包括：
接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；接收样品在预扫描各点的超声波回波数据前，还包括：获取样品扫描范围；根据所述样品扫描范围，确定正式扫描网格点数量；对所述正式扫描网格点数量进行稀疏处理；稀疏处理后，确定预扫描各点；
根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；包括：依次处理每个预扫描点的回波数据，确定第一个脉冲回波峰值的横坐标位置；根据第一个脉冲回波峰值的横坐标、数据采样率和数据延迟采集时间计算第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度；包括：根据延迟时间t计算各预扫描点的样品表面深度z1，其中z1=k×t，k为样品所在介质中声速的一半，t为延迟时间；根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度；包括：根据各预扫描点的样品表面深度z1，计算预扫描点的目标聚焦深度z2=z1+dz，其中dz为样品内目标聚焦位置到样品上表面的距离；
根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度；包括：根据预扫描点的目标聚焦深度以及预扫描和正式扫描坐标点之间的相对位置关系，用二维插值法计算得到各正式扫描点的目标聚焦深度；
根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦；包括：根据正式扫描点的目标聚焦深度，在超声探头依次移动到正式扫描点时，控制超声探头Z向移动，使其聚焦到对应的目标聚焦深度，完成全局对焦。
2.一种用于超声扫描显微镜的预扫描全局对焦装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收样品在预扫描各点的超声波回波数据；接收样品在预扫描各点的超声波回波数据前，还包括：获取样品扫描范围；根据所述样品扫描范围，确定正式扫描网格点数量；对所述正式扫描网格点数量进行稀疏处理；稀疏处理后，确定预扫描各点；
提取模块，用于根据所述超声波回波数据，提取各预扫描点的第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；包括：依次处理每个预扫描点的回波数据，确定第一个脉冲回波峰值的横坐标位置；根据第一个脉冲回波峰值的横坐标、数据采样率和数据延迟采集时间计算第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间；
第一计算模块，用于根据所述延迟时间，计算各预扫描点的样品表面深度；包括：根据延迟时间t计算各预扫描点的样品表面深度z1，其中z1=k×t，k为样品所在介质中声速的一半，t为延迟时间；
第二计算模块，用于根据各预扫描点的样品表面深度，计算各预扫描点的目标聚焦深度；包括：根据各预扫描点的样品表面深度z1，计算预扫描点的目标聚焦深度z2=z1+dz，其中dz为样品内目标聚焦位置到样品上表面的距离；
第三计算模块，用于根据各预扫描点的目标聚焦深度，计算正式扫描点的目标聚焦深度；包括：根据预扫描点的目标聚焦深度以及预扫描和正式扫描坐标点之间的相对位置关系，用二维插值法计算得到各正式扫描点的目标聚焦深度；
对焦控制模块，用于根据正式扫描点的目标聚焦深度，控制超声探头移动，使其依次聚焦到每个正式扫描点的目标聚焦深度，完成全局对焦；包括：根据正式扫描点的目标聚焦深度，在超声探头依次移动到正式扫描点时，控制超声探头Z向移动，使其聚焦到对应的目标聚焦深度，完成全局对焦。
3.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1所述的方法。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
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