基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法
2023-05-27 00:03:11
專利名稱：基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法
技術領域：
本發明屬於精密測量領域，具體涉及一種基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法。
背景技術：
隨著微 / 納機電系統(Micro/Nano Electro Mechanical System, MEMS/NEMS)的快速發展，各種微/納米級的微型器件不斷出現，如微齒輪、微型噴嘴、微型臺階等，為了保證這些微型器件的加工質量，需要對其進行精確的測量。而這些微型器件的幾何尺寸幾乎都處於微/納米量級，常規的方法無法對其進行測量，因此，發展納米尺度的高精度測量方法與技術至關重要。將電子掃描顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)拍攝的電子圖像與數字攝影測量方法相結合所形成的微納結構三維形貌測量方法，能夠充分發揮電子圖像的高解析度和大景深等優勢，可與現有的納米三坐標、掃描探針顯微鏡、共焦雷射掃描顯微鏡和立體光學顯微鏡等微觀結構三維重建方法互補，為相關研究領域提供一種有效的基礎測量工具。數字攝影測量方法利用不同方向拍攝的圖像重建被測對象表面的三維形貌，在宏觀尺度下，該方法已被證明是一種極為有效的三維形貌測量方法，在工業測量與檢測、醫學、娛樂和文物複製等多個領域均得到了廣泛的應用，技術日趨成熟。該方法在宏觀尺度上的成功應用，使得其從70年代開始便逐漸被引入到微觀測量領域，眾多學者就使用光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡拍攝的放大圖像進行微觀形貌的三維重建進行了研究，其中圖像的畸變、成像系統的數學模型和參數標定方法是影響三維重建精度的核心問題。考慮畸變(包括徑向畸變和切向畸變)的透視投影模型和相應的模型參數標定方法，在宏觀尺度下可以得到較高的測量精度，因此被很多科研機構和相關企業直接移植到微觀三維重建領域。這種簡單直接的技術移植，可以快速的對光學顯微成像系統和電子顯微成像系統進行數學建模和初步標定，並重建出微納結構的三維形貌，在一定程度上促進了該技術的快速發展。但是，2004年美國南加州大學的H. Schreier等通過實驗證明了將上述成像模型和標定方法直接移植到光學顯微鏡上無法得到較好的效果，重建出的微觀三維形貌存在較大的殘餘誤差。其原因在於光學顯微鏡的光學成像系統比常用的數字相機複雜得多，上述模型無法準確描述和消除光學顯微圖像的空間畸變，從而影響了微觀三維形貌的重建精度。為了更好的消除光學顯微圖像的空間畸變，提高標定和重建精度，該課題組提出了一種新的光學顯微成像系統參數標定算法。該方法首先使用一組在平面內平移的平面標靶圖像，採用非參數化的變形函數對圖像的空間畸變進行建模和矯正；然後於任意位置拍攝一組平面標靶圖像，並使用已確定的變形函數進行矯正，得到理想的無畸變的圖像；最後使用理想的小孔成像模型對成像系統進行建模，並根據整體調整法(Bundle Adjustment)標定出系統參數。實驗結果表明，這種標定方法能夠很好的消除光學顯微圖像的空間畸變，提高了光學顯微成像系統的標定精度和後續微觀結構的三維重建精度。
與此同時，該課題組的Cornille等人嘗試將這種標定方法引入到電子顯微鏡下， 以期消除電子圖像中的空間畸變，改善電子顯微成像系統的標定精度。研究結果表明，該方法所採用的非參數化畸變矯正方法比宏觀領域常用的參數化畸變矯正方法效果更好，在較低的放大倍數下能夠得到較好的標定結果，但是在高放大倍數下仍然存在明顯的測量誤差。造成這種現象的主要原因在於電子圖像的拍攝過程與光學圖像不同，電子束的掃描過程使用電磁場進行控制(類似光學成像系統中的鏡頭)，即使在目前最先進的SEM系統中， 其電子束的偏轉仍然是一個開環系統(即其實際偏轉參數或位置不可控)，掃描過程受電磁場波動、掃描過程中的時間漂移、電子束位置變化、樣品表面的熱量變化和機械振動等因素的綜合影響，拍攝得到的電子圖像除了具有明顯的空間畸變，還會產生複雜的具有隨機特性的時間漂移(Time Drift)。2006年，Μ. A. Sutton等對電子圖像產生時間漂移的原因進行了初步分析，並通過實驗證明了現有的標定算法尚無法消除時間漂移對測量精度的影響。除了上述空間畸變和時間漂移，電子成像系統的成像模型是影響微納結構三維重建的另一重要因素。SEM專家L. Reimer曾指出電子圖像的成像過程可以近似為透視投影過程，但是近年來的研究表明，透視投影模型在較低的放大倍數下可以得到較好的效果，但是當放大倍數逐漸變大時，該模型無法對電子成像系統進行準確的建模。即在不同的放大倍數下，電子成像系統的成像模型不同當放大倍數較低時，視場和視角較大，可使用經典的透視投影模型對成像系統進行建模；而當放大倍數較大時，視場和視角均非常小，電子圖像的成像過程則近似為平行投影。綜上所述，將SEM拍攝的電子圖像與數字攝影測量方法結合，能夠充分發揮兩者的優 勢，實現快速、非接觸式的、具有納米級精度的微納結構三維形貌測量。國內外相關研究單位在此方面取得了一定的進展，但是，由於SEM原本被設計為一種觀測工具，不做度量使用，若想使之與數字攝影測量方法結合，形成一種有效的高精度的微納結構三維重建方法，還存在以下兩個主要問題1)由於電子圖像的成像過程與傳統光學成像系統不同，拍攝的電子圖像存在非常嚴重的空間畸變和時間漂移，而現有研究尚無法消除時間漂移對測量精度的影響；2)在電子成像系統的數學模型方面還存在較大的分歧，尚無法正確認知電子成像系統的成像模型，影響了微納結構的三維重建精度。因此之前的技術方法的價值有限。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法，該方法結合了掃描電鏡(SEM)和數字攝影測量方法的優勢，具有操作簡單、測量自動化程度高、測量精度高等優點。本發明提供的一種基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法，其特徵在於，該方法包括下述步驟第1步建立掃描電鏡成像系統的成像模型；第2步使用表面帶有隨機圖案的平面標定塊對上述成像模型進行系統參數標定；第3步利用掃描電鏡成像系統從多個角度拍攝樣件的照片，得到一組樣件圖像；第4步對拍攝的多幅樣件圖像進行圖像矯正，消除圖像中的時間漂移，然後從上述樣件圖像中提取特徵點； 第5步對特徵點進行匹配，得到各特徵點的對應點；第6步在完成特徵點的匹配之後，使用同形矩陣確定多幅圖像拍攝時的相對位置關係，確定運動參數；第7步最後根據預先標定的系統參數、建立的對應點和運動參數進行三維重構， 得到被測表面的完整三維點雲數據。本發明將目前使用廣泛的的掃描電鏡與宏觀測量中的數字攝影測量方法有機結合起來。充分利用SEM操作簡單、可以拍攝出高放大倍數、大景深二維圖像的特點，又有效地發揮了數字攝影測量方法可以從多角度拍攝的照片中自動、高精度地重建出被測物體表面完整三維數據的優勢。對基於掃描電鏡的測量終端進行通用模型參數標定之後利用其對樣件在不同的方向上進行拍攝得到一組樣件圖片，根據建立的通用成像模型對圖片進行圖像矯正；對矯正得到的圖像通過數字圖像相關算法進行重構，從矯正的圖像和預先標定好的系統參數中重建出樣件表面完整的三維點雲數據，從而實現在納米級精確測量樣件局部範圍內三維形貌的密集點雲數據；
圖1為本發明提供的納米尺度三維形貌測量方法的流程圖；圖2為通用的成像系統模型示意圖。圖3為電子成像系統參數標定算法流程圖
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明做進一步詳細的說明。基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法的工作流程如下使用掃描電鏡成像系統在同樣的放大倍數下從至少二個角度對樣件進行拍攝，得到一組電子圖像；使用數字圖像相關方法，如哈裡斯探測法(Harris Detector)，從多幅電子圖像中提取特徵點集，並進行特徵點匹配，找出特徵對應點；然後使用同形矩陣(Homograph)確定多幅圖像拍攝時的相對位置關係，即外部參數；最後根據找出的特徵對應點、外部參數和預先標定的系統參數進行三維重構，重建出樣品表面的三維形貌結構。如圖1所示，本發明提供的納米尺度三維形貌測量方法包括下述步驟第1步建立通用的成像模型。電子圖像的成像過程雖然與光學圖像成像過程不同，但其本質均為三維空間到二維圖像的映射，即二維圖像上的任意一個像素均與三維空間中的一條射線對應。由於電子圖像的成像系統非常複雜，無法使用現有的光學系統成像模型進行建模，本發明提出一種不依賴於任何假設的通用模型來描述電子圖像的成像系統，直接建立二維圖像與三維空間的對應關係。該通用模型如圖2所示，可由每個像素對應的空間直線方程表示，具體為1) 電子圖像有WXH個像素，每個像素的坐標為(u，v)，其中u < W，v < H ；2) 二維圖像中的每個像素對應三維空間中的一條射線L，該射線可使用普朗克(Plucker)參數化法進行表示
權利要求
1.一種基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法，其特徵在於，該方法包括下述步驟第1步建立掃描電鏡成像系統的成像模型；第2步使用表面帶有隨機圖案的平面標定塊對上述成像模型進行系統參數標定； 第3步利用掃描電鏡成像系統從多個角度拍攝樣件的照片，得到一組樣件圖像； 第4步對拍攝的多幅樣件圖像進行圖像矯正，消除圖像中的時間漂移，然後從上述樣件圖像中提取特徵點；第5步對特徵點進行匹配，得到各特徵點的對應點；第6步在完成特徵點的匹配之後，使用同形矩陣確定多幅圖像拍攝時的相對位置關係，確定運動參數；第7步最後根據預先標定的系統參數、建立的對應點和運動參數進行三維重構，得到被測表面的完整三維點雲數據。
2.根據權利要求1所述的納米尺度三維形貌測量方法，其特徵在於，第1步中，按照下述方式建立成像模型設掃描電鏡成像系統拍攝的電子圖像有WXH個像素，每個像素的坐標為(u，v)，其中 u ^ W, ν ^ H ；二維圖像中的每個像素對應三維空間中的一條射線L，該射線使用普朗克參數化法表示為 其中A，B為射線L上兩點的非齊次坐標，D表示射線的方向，M為正交於由射線和坐標原點定義的平面。
3.根據權利要求1所述的納米尺度三維形貌測量方法，其特徵在於，第2步具體包括下述過程Al)使用原子力顯微鏡準確測量帶隨機圖案的平面標定塊的三維數據，並將三維數據中的每個點的三維坐標與微型平面上的隨機圖案的灰度值一一對應，即測量得到的標定塊數據表示為(X，1, z, gray)，其中x，y，ζ為某點的空間三維坐標，gray為灰度值；A2)設N >2，在任意N個位置各拍攝一幅電子圖像，得到N幅電子圖像，並進行圖像矯正；每次拍攝時標定塊與電子掃描電鏡的相對位置不同，定義每次拍攝時標定塊的坐標係為局部坐標系；A3)對於拍攝得到的每個電子圖像中給定的某個像素S，根據表面的隨機圖案，從上述 N幅圖像中找出對應點，從而確定其對應的N個空間三維點在局部坐標系下的齊次坐標為 Pi, i = 1，2，…，N;將拍攝的一幅電子圖像時標定塊的局部坐標系設為全局坐標系，設Ri 和Ti分別為其它位置到全局坐標系的旋轉平移矩陣，根據N幅電子圖像中標定塊上的特徵點，計算標定塊對應的同形矩陣Hi ；A4)根據同形矩陣計算對應的旋轉平移矩陣氏和Ti,確定拍攝時的其它位置與全局坐標系下的位置之間的相對位置關係；A5)根據相對位置關係，確定電子圖像中某個像素S在N個位置上對應的空間點的全局坐標；A6)最後使用上述N個空間點擬合像素S對應的空間直線方程；A7)重複步驟似)和A6)，根據電子圖像中的特徵點和線性插值計算出所有像素對應的空間直線方程，完成模型的參數標定。
全文摘要
本發明公開了一種基於掃描電鏡的納米尺度三維形貌測量方法。該方法將目前使用廣泛的掃描電鏡與宏觀測量中的數字攝影測量有機結合起來。充分利用掃描電鏡操作簡單、可以拍攝出高放大倍數、大景深二維圖像的特點，又有效地發揮了數字攝影測量方法可以從多角度拍攝的照片中自動、高精度地重建出被測物體表面完整三維數據的優勢。通過使用掃描電鏡在同樣的放大倍數下從多個角度拍攝樣件的照片，得到一組樣件圖片；對圖片的畸變進行圖像矯正；對矯正得到的圖像通過數字圖像相關算法進行重構，從矯正的圖像和預先標定好的系統參數中重建出樣件表面完整的三維點雲數據，實現在納米級精確測量樣件局部範圍內三維形貌的密集點雲數據；從而實現對納米級微型器件形貌的三維測量。
文檔編號G01B7/28GK102155909SQ20101059595
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者史玉升, 周鋼, 朱曉鵬, 李中偉, 湛承誠, 王從軍, 鍾凱 申請人:華中科技大學