CN115290301B - 一种高信噪比图像获取装置及点扩散函数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学显微成像技术和数字图像处理领域，提供的一种高信噪比图像获取装置及点扩散函数测量方法，该装置包括载物玻璃、补光光源模块、显微成像单元和设置在封闭腔体内的反射镜组；在图像采集装置上增加了对称的补充光源斜入射样品，并以吸光材料加持，在不增加背景噪声的情况下增加了纳米小球的散射强度，从而提高了纳米小球图像的信噪比；利用自动定位纳米小球的方法，自动剔除成团或者邻近的纳米小球，从而筛选出符合要求的单个纳米小球，用以计算显微系统的PSF，减少了人工的工作量；本发明的技术方案具有易于搭建，实现成本低，图像质量高、耗时少等特点；可以在半导体、芯片等需要高精测量和实时测量的领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及光学显微成像技术和数字图像处理领域，具体涉及一种高信噪比图像获取装置及点扩散函数测量方法，可应用于包括半导体、芯片、PCB、FPB等需要高精测量的领域。
背景技术
点扩散函数（PSF）描述了一个成像系统对于点光源或者是点物体的响应，它是一个聚焦光学系统的脉冲响应。点源扩散（模糊）的程度是成像系统优良的判断依据。这为半导体、芯片等纳米级制造检测过程提供了成像依据。
估计点扩散函数的方法，主要分为理论计算与实际测量两种。理论计算法通常使用透镜理论点扩散函数模型，由于瞳函数难以准确估计，使得理论模型不能反映实际的成像系统。实际测量法通常使用纳米小球检测方法，其基本原理是对纳米小球成像，得到光学显微系统聚焦平面的纳米小球强度分布函数（BSF）。如果纳米小球的直径足够小，其BSF可近似为光学显微系统的点扩散函数（PSF）。
然而在光学显微系统下，纳米小球直径越小，其散射强度越小，导致所采集的图像信噪比降低，进而测量结果精度降低。其次，纳米小球图像含有多个纳米小球，人工提取符合要求的小球耗时较长。因而一种用于获取高信噪比图像的装置及自动定位纳米小球的方法显得至关重要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高信噪比图像获取装置及点扩散函数测量方法，其能解决上述问题。
设计原理：首先设计一种高信噪比图像获取装置，能够尽可能的消除背景信号，提高图像质量；其次，借助纳米小球溶液，调整装置获取纳米小球的高信噪比图像，结合图像处理技术对纳米小球拟合计算显微系统的PSF，以此评估其成像水平，判定是否可应用于晶圆等高精微纳米级图像检测系统。整体方案为：为获取高信噪比纳米小球图像，方案利用反射镜将透射光反射至吸光材料处以减弱小球图像的背景信号；其次，通过补光光源进一步增强小球的散射光，增加纳米小球图像的对比度，进而得到高信噪比的纳米小球图像用以显微系统的成像质量评价。其中，载物玻璃采用镀膜方式减弱反射光，增强透射光，进而减小玻璃表面反射光对背景信号的贡献；反射镜安装于载物玻璃下方的封闭腔体空间内，可通过调节旋钮改变反射镜的角度，用以在照明成像时调节至最佳的反射角度；封闭腔体的内壁喷涂黑色并粘贴蜂窝状吸光材料以避免透射的杂散光经反射镜来回反射增加纳米小球图像的背景信号。同时，为了减少人工定位纳米小球的误差以及工作量，需对纳米小球自动定位，自动定位纳米小球的方法包括：首先，对纳米小球图像预处理，利用Frangi滤波增强纳米小球和背景的对比度，便于后续的分割。其次，根据图像增强后的纳米小球图选取合适的阈值进行图像分割，获得二值图。根据二值图，利用连通域筛选符合要求的纳米小球。然后，以符合要求的纳米小球的质心为中心裁剪多张单个纳米小球图。并利用核回归的超分辨重建方法以及线性叠加的方法进一步提高纳米小球图像的信噪比。最后，对纳米小球图进行高斯拟合，用以计算显微系统的PSF。并借此评估显微系统的成像质量。具体方案如下。
一种高信噪比图像获取装置，装置包括载物玻璃、补光光源模块、显微成像单元和设置在封闭腔体内的反射镜组；其中，载物玻璃设置在封闭腔体的顶面观察区域；多个补光光源模块设置在载物玻璃上方，并朝向载物玻璃的中心区域斜向设置；显微成像单元设置在载物玻璃正上方，图像采集光路垂直入射至载物玻璃设置，用于采集载物玻璃上的产品并成像；封闭腔体的内壁为吸光内壁，用于吸收补光光源模块和显微成像单元透射进封闭腔体内的光，以此降低背景信号；反射镜组角度可调的布置在封闭腔体内，用于将进入封闭腔体内的透射光反射向封闭腔体的吸光内壁，以此提高显微成像单元的高信噪比成像质量。
进一步的，载物玻璃采用低于透射阈值的高透玻璃或高于透射阈值的高透玻璃；其中，在低于透射阈值的高透玻璃的上下表面镀有增透膜，以使整体透射率高于玻璃的透射阈值。
进一步的，多个补光光源模块对称或均布在载物玻璃的垂直中心外周，且各补光光源模块的光照强度、波长和相对于载物玻璃的入射角度可调；补光光源模块的出射光束在透过载物玻璃后经反射镜组对应的反射镜反射向封闭腔体的吸光内壁。
进一步的，封闭腔体的样式包括棱台式、锥台式、方台式，吸光内壁包括在内壁基板面上设置的黑色涂层和吸光单元层。
进一步的，所述反射镜组包括反射镜体和镜体角度驱动单元，反射镜组的反射镜体数量N反为：
N反≥N补光源+1；
式中，N反为反射镜组的反射镜体数量，N补光源为补光光源模块的光源数量。
本发明还提供了一种基于前述高信噪比图像获取装置的显微系统的点扩散函数测量方法，该方法包括：
S1、准备纳米小球，将稀释后的纳米小球溶液均匀旋涂于载物玻璃的中心区域处，待溶液晾干后置于显微成像单元的物镜下方；
S2、显微反射成像调节，打开显微成像单元，调整对应反射镜组的反射镜的角度，直至打开显微成像单元的相机接收到的背景信号最弱；
S3、补光源调节，打开补光光源模块的补光光源，调整出射补光光束的光照强度和波长，在行程范围内调整补光光束的角度直至成像的纳米小球图像具有最佳的信噪比；
S4、补光反射调节，调整补光光源模块对应的反射镜组的反射镜角度，直至显微成像单元的相机所接收的背景信号最弱；
S5、图像采集，所有调节完毕后，显微成像单元采集载物玻璃焦面处的纳米小球图像；
S6、Frangi滤波，选取焦面位置上所采集的纳米小球图像，对其进行Frangi滤波，实现图像增强的效果；
S7、阈值法分割,计算整张图像的均值A和方差B，以1.5*(A+B)作为阈值进行图像分割，获取二值图；
S8、连通域筛选纳米小球,剔除成团的纳米小球以及相邻的纳米小球，提取连通域内长轴与短轴相等对应的纳米小球；
S9、统计步骤S8之后的二值图中各连通域的质心坐标，以该质心坐标为中心裁剪a*a像素的矩形图，获取多张单个纳米小球图；
S10、基于核回归的超分辨率重建方法对步骤S9的多张单个纳米小球图进行超分辨重建，获取高信噪比图像；
S11、对步骤S10所得到的超分辨重建的纳米小球图像进行线性叠加，进一步平均背景噪声，用以提高信噪比；
S12、对步骤S11所得纳米小球图进行高斯拟合，其拟合公式为：
式中，x为像素中心点到小球质心的距离，以pixel为单位，y是像素中心点的灰度值，A、μ、σ、B均为待拟合参数，A是纳米小球的最大亮度，μ为高斯分布的均值，σ为高斯分布的标准差，B为残余的背景噪声；
S13、计算显微系统的PSF，其中一维PSF的半高宽FWHM计算公式如下：
相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过本申请，在图像采集装置上增加了对称的补充光源斜入射样品，并以吸光材料加持，在不增加背景噪声的情况下增加了纳米小球的散射强度，从而提高了纳米小球图像的信噪比；其次，利用自动定位纳米小球的方法，自动剔除成团或者邻近的纳米小球，从而筛选出符合要求的单个纳米小球，用以计算显微系统的PSF，减少了人工的工作量；本申请的方案具有易于搭建，实现成本低，图像质量高、耗时少等特点；可以在半导体、芯片等需要高精测量和实时测量的领域推广应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为高信噪比图像获取装置的示意图；
图2为显微系统的点扩散函数测量方法流程图；
图3为涵盖纳米小球的自动定位技术的PSF计算流程图。
图中：
1、载物玻璃；
2、中心区域；
3、第一补光源；
4、第二补光源；
5、显微成像单元；
6、第一反射镜；
7、第二反射镜；
8、第三反射镜；
9、封闭腔体。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图像获取装置
一种高信噪比图像获取装置，参见图1，装置包括载物玻璃1、补光光源模块（3、4）、显微成像单元5和设置在封闭腔体9内的反射镜组（6、7、8）。
其中，载物玻璃1设置在封闭腔体9的顶面观察区域；多个补光光源模块（3、4）设置在载物玻璃1上方，并朝向载物玻璃1的中心区域2斜向设置；显微成像单元5设置在载物玻璃1正上方，图像采集光路垂直入射至载物玻璃1设置，用于采集载物玻璃1上的产品并成像；封闭腔体9的内壁为吸光内壁，用于吸收补光光源模块（3、4）和显微成像单元5透射进封闭腔体9内的光，以此降低背景信号；反射镜组（6、7、8）角度可调的布置在封闭腔体9内，用于将进入封闭腔体9内的透射光反射向封闭腔体9的吸光内壁，以此提高显微成像单元5的高信噪比成像质量。
显微成像单元5内置光源垂直入射至载物玻璃1，用于采集辅助用的纳米小球的散射光信号并成像，后期用于产品，如晶圆、芯片等的显微成像。
其中，载物玻璃1采用低于透射阈值的高透玻璃或高于透射阈值的高透玻璃；其中，在低于透射阈值的高透玻璃的上下表面镀有增透膜，以使整体透射率高于玻璃的透射阈值。透射阈值的取值范围为99.50%～99.99%。优选的，透射阈值为99.96%，对应的反射率为0.04%。普通高透玻璃在镀增透膜后的整体透射率≥99.96%。
其中，多个补光光源模块（3、4）对称或均布在载物玻璃1的垂直中心外周，且各补光光源模块（3、4）的光照强度、波长和相对于载物玻璃1的入射角度可调。补光光源模块（3、4）的出射光束在透过载物玻璃1后经反射镜组（6、7、8）对应的反射镜（6、7）反射向封闭腔体9的吸光内壁。以此进行消光，降低背景噪声，提高信噪比。
一个示例中，参见图1，补光光源模块（3、4）包括对称设置的第一补光源3和第二补光源4；反射镜组（6、7、8）包括第一反射镜6、第二反射镜7和第三反射镜8；第一反射镜6用于反射第一补光源3透射进的光，第二反射镜7用于反射第二补光源4透射进的光，第三反射镜8用于反射显微成像单元5透射进的光。当然，补光源的数量可以设置更多个，采用均布布置方式，如环形阵列等方式，均在本发明可以预见的方案范围内。
其中，封闭腔体9实际为吸光承载台，其样式不限，具体示例中，封闭腔体9的样式包括棱台式、锥台式、方台式等等，吸光内壁包括在内壁基板面上设置的黑色涂层和吸光单元层。
具体的，吸光单元层为蜂窝状吸光单元，蜂窝状吸光单元黏贴至黑色涂层。
进一步的，反射镜组（6、7、8）包括反射镜体和镜体角度驱动单元，反射镜组（6、7、8）的反射镜体数量N反为：
N反≥N补光源+1；
式中，N反为反射镜组（6、7、8）的反射镜体数量，N补光源为补光光源模块（3、4）的光源数量。
镜体角度驱动单元采用微镜驱控技术即可，或采用常规的铰接角度驱控、电缸角度驱控等，外侧可以通过旋钮手调或自动调节各反射镜角度。
点扩散函数测量方法
一种基于前述的高信噪比图像获取装置的显微系统的点扩散函数测量方法，参见图2和图3，方法包括：
S1、准备纳米小球，将稀释后的纳米小球溶液均匀旋涂于载物玻璃1的中心区域2处，待溶液晾干后置于显微成像单元5的物镜下方。
S2、显微反射成像调节，打开显微成像单元5，通过调节旋钮调整对应反射镜组（6、7、8）的反射镜的角度，直至打开显微成像单元5的相机接收到的背景信号最弱。
S3、补光源调节，打开补光光源模块（3、4）的补光光源，斜入射至载物玻璃1表面。调整出射补光光束的光照强度和波长，在行程范围内调整补光光束的角度直至成像的纳米小球图像具有最佳的信噪比。
S4、补光反射调节，调整补光光源模块（3、4）对应的反射镜组（6、7、8）的反射镜角度，直至显微成像单元5的相机所接收的背景信号最弱。
S5、图像采集，所有调节完毕后，显微成像单元5采集载物玻璃1焦面处的纳米小球图像。
至此，步骤S1-S5完成图像的采集，后续对晶圆、芯片等的实际检测应用阶段相同。下面，参见图3，为通过点扩散函数测量评估显微系统的成像质量，涵盖了对纳米小球的自动定位技术和图像处理技术。
S6、Frangi滤波，选取焦面位置上所采集的纳米小球图像，对其进行Frangi滤波，实现图像增强的效果。
S7、阈值法分割,计算整张图像的均值A和方差B，以1.5*(A+B)作为阈值进行图像分割，获取二值图。
S8、连通域筛选纳米小球,剔除成团的纳米小球以及相邻的纳米小球，提取连通域内长轴与短轴相等对应的纳米小球。具体的，步骤S8包括：
S81、统计二值图中所有连通域的像素面积，对像素面积进行排序和比较，获知单个纳米小球的特征连通域像素面积的范围，设定该范围为S，将小于S的噪点或者杂质点的连通域删除。
S82、标记二值图中所有连通域的质心坐标，将任意两个连通域的质心坐标距离小于d的连通域，即相邻的两个纳米小球表征出来的连通域删除。
S83、统计二值图中所有连通域的长轴和短轴，将长轴与短轴不等的连通域，即为多个纳米小球重叠表征出来的连通域删除。
S9、统计步骤S8之后的二值图中各连通域的质心坐标，以该质心坐标为中心裁剪a*a像素的矩形图，获取多张单个纳米小球图。
S10、基于核回归的超分辨率重建方法对步骤S9的多张单个纳米小球图进行超分辨重建，获取高信噪比图像。
S11、对步骤S10所得到的超分辨重建的纳米小球图像进行线性叠加，进一步平均背景噪声，用以提高信噪比。
S12、对步骤S11所得纳米小球图进行高斯拟合，其拟合公式为：
式中，x为像素中心点到小球质心的距离，以pixel为单位，y是像素中心点的灰度值，A、μ、σ、B均为待拟合参数，A是纳米小球的最大亮度，μ为高斯分布的均值，σ为高斯分布的标准差，B为残余的背景噪声。
S13、计算显微系统的PSF，其中一维PSF的半高宽FWHM计算公式如下：
由此，通过步骤S6-S13计算表征点扩散函数PSF的半高宽FWHM，评估显微系统、即显微成像单元5的成像质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种高信噪比图像获取装置，其特征在于：包括载物玻璃（1）、补光光源模块（3、4）、显微成像单元（5）和设置在封闭腔体（9）内的反射镜组（6、7、8）；
其中，所述载物玻璃（1）设置在所述封闭腔体（9）的顶面观察区域；
多个所述补光光源模块（3、4）设置在所述载物玻璃（1）上方，并朝向载物玻璃（1）的中心区域（2）斜向设置；
所述显微成像单元（5）设置在所述载物玻璃（1）正上方，图像采集光路垂直入射至载物玻璃（1）设置，用于采集载物玻璃（1）上的产品并成像；
所述封闭腔体（9）的内壁为吸光内壁，用于吸收所述补光光源模块（3、4）和显微成像单元（5）透射进封闭腔体（9）内的光，以此降低背景信号；
所述反射镜组（6、7、8）角度可调的布置在所述封闭腔体（9）内，用于将进入封闭腔体（9）内的透射光反射向封闭腔体（9）的吸光内壁，以此提高显微成像单元（5）的高信噪比成像质量；
多个所述补光光源模块（3、4）对称或均布在所述载物玻璃（1）的垂直中心外周，且各所述补光光源模块（3、4）的光照强度和波长相对于载物玻璃（1）的入射角度可调；所述补光光源模块（3、4）的出射光束在透过载物玻璃（1）后经反射镜组（6、7、8）对应的反射镜（6、7）反射向封闭腔体（9）的吸光内壁。
2.根据权利要求1所述的高信噪比图像获取装置，其特征在于：
所述载物玻璃（1）采用低于透射阈值的高透玻璃或高于透射阈值的高透玻璃；其中，在低于透射阈值的高透玻璃的上下表面镀有增透膜，以使整体透射率高于玻璃的透射阈值。
3.根据权利要求2所述的高信噪比图像获取装置，其特征在于：
所述透射阈值的取值范围为99.50%～99.99%。
4.根据权利要求1所述的高信噪比图像获取装置，其特征在于：
所述封闭腔体（9）的样式包括棱台式、锥台式、方台式，所述吸光内壁包括在内壁基板面上设置的黑色涂层和吸光单元层。
5.根据权利要求4所述的高信噪比图像获取装置，其特征在于：
所述吸光单元层为蜂窝状吸光单元，所述蜂窝状吸光单元黏贴至所述黑色涂层。
6.根据权利要求1所述的高信噪比图像获取装置，其特征在于：
所述反射镜组（6、7、8）包括反射镜体和镜体角度驱动单元，反射镜组（6、7、8）的反射镜体数量N反为：
N反≥N补光源+1；
式中，N反为反射镜组（6、7、8）的反射镜体数量，N补光源为补光光源模块（3、4）的光源数量。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的高信噪比图像获取装置的显微系统的点扩散函数测量方法，其特征在于，所述点扩散函数测量方法包括：
S1、准备纳米小球，将稀释后的纳米小球溶液均匀旋涂于载物玻璃（1）的中心区域（2）处，待溶液晾干后置于显微成像单元（5）的物镜下方；
S2、显微反射成像调节，打开显微成像单元（5），调整对应反射镜组（6、7、8）的反射镜的角度，直至打开显微成像单元（5）的相机接收到的背景信号最弱；
S3、补光源调节，打开补光光源模块（3、4）的补光光源，调整出射补光光束的光照强度和波长，在行程范围内调整补光光束的角度直至成像的纳米小球图像具有最佳的信噪比；
S4、补光反射调节，调整补光光源模块（3、4）对应的反射镜组（6、7、8）的反射镜角度，直至显微成像单元（5）的相机所接收的背景信号最弱；
S5、图像采集，所有调节完毕后，显微成像单元（5）采集载物玻璃（1）焦面处的纳米小球图像；
S6、Frangi滤波，选取焦面位置上所采集的纳米小球图像，对其进行Frangi滤波，实现图像增强的效果；
S7、阈值法分割,计算整张图像的均值A和方差B，以1.5*(A+B)作为阈值进行图像分割，获取二值图；
S8、连通域筛选纳米小球,剔除成团的纳米小球以及相邻的纳米小球，提取连通域内长轴与短轴相等对应的纳米小球；
S9、统计步骤S8之后的二值图中各连通域的质心坐标，以该质心坐标为中心裁剪a*a像素的矩形图，获取多张单个纳米小球图；
S10、基于核回归的超分辨率重建方法对步骤S9的多张单个纳米小球图进行超分辨重建，获取高信噪比图像；
S11、对步骤S10所得到的超分辨重建的纳米小球图像进行线性叠加，进一步平均背景噪声，用以提高信噪比；
S12、对步骤S11所得纳米小球图进行高斯拟合，其拟合公式为：
式中，x为像素中心点到小球质心的距离，以pixel为单位，y是像素中心点灰度值，A、μ、σ、B均为待拟合参数，A是纳米小球的最大亮度，μ为高斯分布的均值，σ为高斯分布的标准差，B为残余的背景噪声；
S13、计算显微系统的PSF，其中一维PSF的半高宽FWHM计算公式如下：
8.根据权利要求7所述的显微系统的点扩散函数测量方法，其特征在于，所述步骤S8包括：
S81、统计二值图中所有连通域的像素面积，对像素面积进行排序和比较，获知单个纳米小球的特征连通域像素面积的范围，设定该范围为S，将小于S的噪点或者杂质点的连通域删除；
S82、标记二值图中所有连通域的质心坐标，将任意两个连通域的质心坐标距离小于d的连通域，即相邻的两个纳米小球表征出来的连通域删除；
S83、统计二值图中所有连通域的长轴和短轴，将长轴与短轴不等的连通域，即为多个纳米小球重叠表征出来的连通域删除。
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