用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心方法技术

本发明专利技术公开了一种用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心方法，其中，上述方法主要包括如下步骤：获取采样序列，取样构建标准有效采样序列，进一步取样构建有偏移量存在的两类有效采样序列，根据重心法计算提取的峰值，分六个区块计算系统误差与偏移量之间的定量关系，根据重心法所获得的每块区域误差减去对应区块系统误差获得有偏移量下的动态补偿结果。按照本发明专利技术实现的用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心方法，大幅度降低了期望误差和不确定度水平，显著地提高了计算效率和实时算法精确度。

A dynamic compensation center of gravity algorithm for the peak extraction of confocal microscopy

The invention discloses a method for dynamic compensation of gravity algorithm, confocal microscopy peak extraction in which the algorithm mainly comprises the following steps: acquiring the sampling sequence, construct effective sampling standard sampling sequence, there are two types of construction further sampling offset existing effective sampling sequence, the extraction of the peak according to the center of gravity method, the quantitative relationship between the six a block calculation system error and offset error, according to each area minus the corresponding blocks of system error gravity method to acquire dynamic compensation results offset under. The dynamic compensation gravity center algorithm, which is applied to the peak value extraction of confocal microscope, greatly reduces the expected error and uncertainty level, and significantly improves the computation efficiency and real-time algorithm accuracy.

【技术实现步骤摘要】
用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法
本专利技术属于光学精密测量领域，特别是涉及一种用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法。
技术介绍
在共焦显微测量中，高度信息准确获取前提是根据采样轴向响应曲线提取的峰值位置相对于光学系统(物镜)保持固定。而采样信号肯定存在各种噪声如探测器噪声、扫描定位误差等。其中现有技术中的一种算法中的最大值法直接选取光强最大点对应高度作为峰值，这种方法极易受到噪声影响，而且只能区分一个采样间隔的变化；其中现有技术中的另外一种算法重心法，其是一种对噪声鲁棒性较强的快速算法，2015年发表在《MeasurementScienceandTechnology》上的《Sinc2fittingforheightextractioninconfocalscanning》文献1(文献出版信息：TanJ,LiuC,LiuJ,etal.Sinc2fittingforheightextractioninconfocalscanning[J].MeasurementScience&Technology,2016,27(2):025006.)中指出拟合法如抛物线拟合法、高斯拟合法、Sin2C拟合法具有较小的算法不确定度即噪声鲁棒性优于重心法。但2002年发表在《AppliedOptics》上的《Signalevaluationforhigh-speedconfocalmeasurements》文献2(文献出版信息：RuprechtAK,TizianiHJ,WiesendangerTF.Signalevaluationforhigh-speedconfocalmeasurements[J].AppliedOptics,2002,41(35):7410.)中指出在实际测量中，如果测量对象高度线性变化时，测量对象高度在测量前未知，因此可能是某一个任意结果，测量中采样获取的轴向响应曲线会存在一个线性增加的偏移量，该偏移量会导致利用重心法在获取峰值位置时出现系统误差。2002年的研究文献虽然指出偏移量的存在，并提出矫正方法，但这种方法的矫正严格依据于采样间隔与半高宽的相互关系，而实际测量中这两者的定量关系是难以准确获取的，导致这种矫正方法所依赖的两者相互关系并不容易，使得矫正方法的有效性降低。另外一方面，文献1《Signalevaluationforhigh-speedconfocalmeasurements》仅考虑了偏移量影响，而文献2《Sinc2fittingforheightextractioninconfocalscanning》仅考虑了噪声影响，而实际中噪声误差与偏移量是同时存在且相互独立。但两者的耦合作用对峰值提取的影响并未出现相应的解决手段和解决方式，也并未被研究过，然而两者的耦合作用对峰值提取的影响是高度信息准确获取的重要前提。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法，大幅度降低了期望误差和不确定度水平，按照本专利技术实现的动态补偿重心法，显著地提高了计算效率和实时算法精确度。为实现上述目的，按照本专利技术，提供一种用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法，其特征在于，上述算法包括如下步骤：获取所述共焦显微镜峰值采样序列为从所述式1中取样构建标准有效采样序列为从所述式2中取样构建有偏移量存在下的两类有效采样序列：其中i为大于1小于n的正整数，其中n为采样点数；其中所述式3和所述式4中对应的两类有效采样序列分别由三个有效采样区块组成；其中[U-i,U-i+1,...U-1,0,U1,...,Ui,Ui+1]，[U-i,U-i+1,...U-1,0,U1,...,Ui-1,Ui]，[U-i-1,U-i,...,U-1,0,U1,...,Ui-1,Ui]分别为第一类第一区块，第一类第二区块，第一类第三区块；[U-i+1,U-i+2,...U-1,0,U1,...,Ui-1,Ui]，[U-i,U-i+1,...U-1,0,U1,...,Ui-1,Ui]，[U-i,U-i+1,...U-1,0,U1,...,Ui-2,Ui-1]分别为第二类第一区块，第二类第二区块，第二类第三区块；对所述第一类第二区块和所述第二类第二区块，根据重心法计算提取的峰值：其中Peak表示提取的峰值，X表示偏移量，Error表示峰值提取的系统误差；对所述式5求取偏导获得重心法用于峰值提取时的所述系统误差Error与所述偏移量X间的定量关系如式6，其中表示采样强度；Error＝(1+C1)X式6其中其中I'(Uj+X)表示采样强度对偏移量X的导数；求取两翼强度差和：其中由所述式7获得所述系统误差Error与所述偏移量X间的定量关系如式对于其他区块，采用上述计算式5～式8获取其它区块结果；利用重心法获取的每个区块误差，根据所述式5减去上述对应区块的所述系统误差获得动态补偿的峰值结果。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术中首次提出了实际中噪声误差与偏移量的耦合作用对峰值提取的影响，并且提出算法来耦合两者之间的相互关系，从而在重心法的应用中能够解决上述误差提高测量的准确性；(2)本专利技术首次提出了将有效采样序列进行区块化，形成6大类区域分别运算，将偏移量的所有情况全部囊括在内，能进一步提高偏移量运算的全面性：(3)本专利技术在计算过程中利用多次有效的近似方法，提高了运算的准确性和运算的速率，将偏移量和误差能够进行可采用已知量运算化的耦合关系来表述，显著地提高了运算效率。附图说明图1为按照本专利技术实现的用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法的框架步骤示意图；图2为按照本专利技术实现的用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法的偏移量-噪声的影响；图3(a)(b)为各算法统计结果对比(CA、DCCA、PFA、GFA、SFA分别表示普通重心法、动态补偿重心法、抛物线拟合法、高斯拟合法、Sin2C拟合法)；具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。共焦显微镜中高度信息的准确提取前提是轴向响应特性曲线峰值位置相对于物镜(光学系统)固定。而在测量中由于实际测量对象高度的变化，会使得采样响应曲线有一个相应的线性偏移量。首先，根据共焦响应曲线的单调性和对称性等性质，可以确定用于计算时的有效序列。其次，理论分析重心法用于峰值提取时，由于偏移量引起的系统误差。基于上述理论分析，本专利技术的提出动态补偿重心法。现今的算法评判标准仅考虑零偏移量时的不确定度，无法完整描述实际情况，因此提出分析不同偏移量时各算法的期望偏差和不确定度。最后，利用模特卡罗模拟实验可以证明动态补偿重心法可以大幅降低期望误差和不确定度水平。轴向扫描或波长扫描是共焦显微镜用于形貌测量中必不可少的测试步骤，为了实现更高的测量效率，通常只获取少量高度水平的信号。其中在现有技术中的最大值法、重心法、抛物线拟合法、高斯拟合法、Sin2C拟合法、双边线性拟合相交法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法，其特征在于，上述算法包括如下步骤：获取所述共焦显微镜峰值采样序列为

【技术特征摘要】
1.一种用于共焦显微镜峰值提取的动态补偿重心算法，其特征在于，上述算法包括如下步骤：获取所述共焦显微镜峰值采样序列为从所述式1中取样构建标准有效采样序列为从所述式2中取样构建有偏移量存在下的两类有效采样序列：其中i为大于1小于n的正整数，其中n为采样点数；其中所述式3和所述式4中对应的两类有效采样序列分别由三个有效采样区块组成；其中[U-i,U-i+1,...U-1,0,U1,...,Ui,Ui+1]，[U-i,U-i+1,...U-1,0,U1,...,Ui-1,Ui]，[U-i-1,U-i,...,U-1,0,U1,...,Ui-1,Ui]分别为第一类第一区块，第一类第二区块，第一类第三区块；[U-i+1,U-i+2,...U-1,0,U1,...,Ui-1,Ui]，[U-i,U-i+1,...U-1,0,U1,...,...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢文龙，陈成，刘晓军，朱鸿，蒋向前，周莉萍，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42