CN114878583B - 用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像处理和暗场显微成像疵病检测技术领域，具体而言，涉及用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法及系统。包括如下步骤：计算图像的RMSE值，并根据疵病的有效容差范围，确定有效RMSE；当RMSE值大于或等于有效RMSE时，依次对图像进行伽马变换以及灰度调节处理，直至RMSE值小于有效RMSE，得到校正后的图像；基于校正后的图像进行疵病检测。本发明所提供的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法及系统，通过伽马变换增强物体轮廓信息，通过灰度调节抑制衍射旁瓣的影响，以此改善成像质量，提高疵病检测精度，可有效地减少聚焦透镜像差对疵病检测的影响。

Description

用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法及系统
技术领域
本发明涉及图像处理和暗场显微成像疵病检测技术领域，具体而言，涉及用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法及系统。
背景技术
暗场显微成像技术可以实现光学元件表面及内部微小瑕疵的检测，是确保元件高质量、辅助加工工艺改善的有效手段；利用高数值孔径透镜聚焦光束可获得小尺寸的聚焦光斑，获得更窄的激励点扩展函数，从而提高检测分辨率；在暗场显微成像中，聚焦透镜存在像差时会使聚焦光斑产生畸变，而当畸变的光斑照明物体时会造成成像图中物体轮廓信息缺失的现象。
目前，在暗场显微成像中，对暗场成像图的图像处理很少考虑成像图中物体轮廓信息缺失的情形。显微物镜存在像差以及聚焦透镜存在像差是造成暗场成像图中物体轮廓信息缺失与畸变的主要原因。目前对于暗场成像图像差的校正主要针对显微物镜的像差校正，而针对聚焦透镜存在像差而导致成像图中物体轮廓信息缺失情形的研究较少。
此外，对由于光照不均匀导致成像质量与检测精度降低的图像校正，主要针对缺失信息的补全，但暗场检测通过接收散射光与衍射光进行成像，因此成像图中存在衍射旁瓣，而在对成像图中信息加强的同时，会加强衍射旁瓣的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法及系统，通过伽马变换增强物体轮廓信息，通过灰度调节抑制衍射旁瓣的影响，以此改善成像质量，提高疵病检测精度，可有效地减少聚焦透镜像差对疵病检测的影响。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，包括如下步骤：
计算图像的RMSE值，并根据疵病的有效容差范围，确定有效RMSE；
当RMSE值大于或等于有效RMSE时，依次对图像进行伽马变换以及灰度调节处理，直至RMSE值小于有效RMSE，得到校正后的图像；
基于校正后的图像进行疵病检测。
根据一种优选实施方式，所述计算图像的RMSE值，表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
上式中，M与N表示图像的像素点，I(i，j)表示存在像差时的图像，I0(i，j)表示理想图像。
根据一种优选实施方式，所述疵病的有效容差范围根据图像的疵病尺寸确定。
根据一种优选实施方式，所述图像的疵病尺寸计算表达式如下：
Figure 78776DEST_PATH_IMAGE002
上式中，Lmax表示疵病的最大宽度，Lmin表示疵病的最小宽度，L表示疵病的均值尺寸。
根据一种优选实施方式，所述伽马变换处理的表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
上式中，α与γ表示正常数，Ib表示伽马变换处理前的图像，Ir表示伽马变换处理后的图像。
根据一种优选实施方式，所述灰度调节处理的表达式如下：
Figure 684201DEST_PATH_IMAGE004
上式中，Ir1表示灰度调节处理后的图像，imadjust表示灰度调节函数，[low_in；high_in]表示Ir中需要变换的灰度范围，[low_out；high_out]表示变换后的灰度范围。
本发明还提供用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理系统，应用到如上述所述的方法，包括：
计算模块，用于计算图像的RMSE值，并根据疵病的有效容差范围，确定有效RMSE；
图像处理模块，用于当RMSE值大于或等于有效RMSE时，依次对图像进行伽马变换以及灰度调节处理，直至RMSE值小于有效RMSE，得到校正后的图像，基于校正后的图像进行疵病检测。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明所提供的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法及系统，通过伽马变换增强物体轮廓信息，通过灰度调节抑制衍射旁瓣的影响，以此改善成像质量，提高疵病检测精度，可有效地减少聚焦透镜像差对疵病检测的影响。
附图说明
图1为本发明提供的图像处理方法的流程示意图；
图2为本发明提供的图像处理方法的具体实例过程图；
图3（a）至图3（f）分别为聚焦透镜的球差系数为1λ、1.25λ，像散系数和慧差系数为0.75λ、1λ时的暗场成像图；
图3（g）至图3（l）分别为校正处理后的暗场成像图；
图4为经过伽马变换后的输入和输出图像灰度值关系。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
参见图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法的流程示意图。
具体地，本发明实施例所提供的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，包括如下步骤：
计算图像的RMSE值，需要说明的是，RMSE值指的是均方根误差，均方根误差是预测值与真实偏差的平方与观测次数n比值的平方根；衡量的是预测值与真实值之间的偏差，并且对数据中的异常值较为敏感。
在一种实施方式中，所述计算图像的RMSE值，表达式如下：
Figure 821921DEST_PATH_IMAGE001
上式中，M与N表示图像的像素点，I(i，j)表示存在像差时的图像，I0(i，j)表示理想图像。
进一步地，根据疵病的有效容差范围，确定有效RMSE；在一种实施方式中，所述疵病的有效容差范围根据图像的疵病尺寸确定，图像的疵病尺寸利用标准光束测量获得。需要注意的是，若实际需求是测量微米级或纳米级的疵病，则可按疵病尺寸的5%为疵病的有效容差范围。
在一种实施方式中，图像的疵病尺寸计算表达式如下：
Figure 612023DEST_PATH_IMAGE002
上式中，Lmax表示疵病的最大宽度，Lmin表示疵病的最小宽度，L表示疵病的均值尺寸。
本发明基于有效RMSE对进行判断，以此找出低于疵病的有效容差范围对应的暗场图像，即找出RMSE值低于有效RMSE对应的暗场图像，具体如下：当RMSE值大于或等于有效RMSE时，对图像进行伽马变换。
需要说明的是，伽马变换用于图像增强，提升图像的暗部细节，简单来说就是通过非线性变换，让图像从曝光强度的线性响应变得更接近人眼感受的响应，即将曝光或曝光不足的图像进行矫正，本实施例即采用伽马变换增强物体轮廓信息。经过伽马变换后的输入和输出图像灰度值关系参考图4所示，图4中，横坐标为输入灰度值，纵坐标为输出灰度值，曲线a是伽马值小于1时的输入输出关系，曲线b是伽马值大于1时的输入输出关系。可以得到的是，当曲线a中伽马值小于1时，图像的整体亮度值得到提升，同时低灰度处的对比度得到增加，更利于分辨低灰度时的图像细节。
在一种实施方式中，所述伽马变换处理的表达式如下：
Figure 710560DEST_PATH_IMAGE003
上式中，α与γ表示正常数，Ib表示伽马变换处理前的图像，Ir表示伽马变换处理后的图像。
考虑到暗场检测通过接收散射光与衍射光进行成像，因此成像图中存在衍射旁瓣，而在对成像图中信息加强的同时，会加强衍射旁瓣的影响。因此，本发明实施例在通过伽马变换加强图像后，进一步地通过灰度调节，对衍射旁瓣进行抑制，直至RMSE值小于有效RMSE，得到校正后的图像。
在一种实施方式中，所述灰度调节处理的表达式如下：
Figure 181992DEST_PATH_IMAGE004
上式中，Ir1表示灰度调节处理后的图像，imadjust表示灰度调节函数，[low_in；high_in]表示Ir中需要变换的灰度范围，[low_out；high_out]表示变换后的灰度范围。
需要说明的是，灰度调节可调整图像的灰度动态或者图像对比度，强化感兴趣的图像区域，本实施中则用于对衍射旁瓣进行抑制，并强化疵病的图像区域，改善成像质量。
进一步地，基于校正后的图像进行疵病检测，基于上述过程能够实现对暗场图像中轮廓信息缺失的情形进行校正，具体的校正效果参考图4所示，图3（a）至图3（f）分别为聚焦透镜的球差系数As为1λ、1.25λ，像散系数Aa和慧差系数Ac为0.75λ、1λ时，尺寸为3μm矩形疵病的暗场成像图，图3（g）至图3（l）分别为对应校正处理后的暗场成像图。由此可知，经过上述方法校正后的图像，可有效提高成像质量。综上，通过上述采用伽马变换以及灰度调节处理后的图像，物体轮廓信息得到增强，且成像质量得到了显著的改善；在此基础上进行疵病检测，能够有效提高疵病检测精度，减少聚焦透镜像差对疵病检测的影响。
实施例2
区别于实施例1，本发明实施例提供用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理系统，应用到如上述所述的方法，包括：
计算模块，用于计算图像的RMSE值，并根据疵病的有效容差范围，确定有效RMSE；
图像处理模块，用于当RMSE值大于或等于有效RMSE时，依次对图像进行伽马变换以及灰度调节处理，直至RMSE值小于有效RMSE，得到校正后的图像，基于校正后的图像进行疵病检测。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，适用于暗场显微成像中聚焦透镜存在像差引起的畸变光斑检测缺陷导致图像中物体轮廓信息缺失的情形，其特征在于，包括如下步骤：
计算理想图像与存在像差时的图像的RMSE值，并根据疵病的有效容差范围，确定有效RMSE；
当RMSE值大于或等于有效RMSE时，依次对图像进行伽马变换以及灰度调节处理，直至RMSE值小于有效RMSE，得到校正后的图像；
基于校正后的图像进行疵病检测。
2.如权利要求1所述的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，其特征在于，所述计算图像的RMSE值，表达式如下：
Figure 93908DEST_PATH_IMAGE001
上式中，M与N表示图像的像素点，I(i，j)表示存在像差时的图像，I0(i，j)表示理想图像。
3.如权利要求1所述的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，其特征在于，所述疵病的有效容差范围根据图像的疵病尺寸确定。
4.如权利要求3所述的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，其特征在于，所述图像的疵病尺寸计算表达式如下：
Figure 705761DEST_PATH_IMAGE002
上式中，Lmax表示疵病的最大宽度，Lmin表示疵病的最小宽度，L表示疵病的均值尺寸。
5.如权利要求1至4任一项所述的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，其特征在于，所述伽马变换处理的表达式如下：
Figure 254554DEST_PATH_IMAGE003
上式中，α与γ表示正常数，Ib表示伽马变换处理前的图像，Ir表示伽马变换处理后的图像。
6.如权利要求5所述的用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理方法，其特征在于，所述灰度调节处理的表达式如下：
Figure 811437DEST_PATH_IMAGE004
上式中，Ir1表示灰度调节处理后的图像，imadjust表示灰度调节函数，[low_in；high_in]表示Ir中需要变换的灰度范围，[low_out；high_out]表示变换后的灰度范围。
7.用于畸变光斑照明疵病暗场成像的图像处理系统，应用到如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，包括：
计算模块，用于计算图像的RMSE值，并根据疵病的有效容差范围，确定有效RMSE；
图像处理模块，用于当RMSE值大于或等于有效RMSE时，依次对图像进行伽马变换以及灰度调节处理，直至RMSE值小于有效RMSE，得到校正后的图像，基于校正后的图像进行疵病检测。
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