基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，包括以下过程：将两束激光光束投射到样品表面，并接收样品表面反射的两束激光光束形成的两个面积不同的光斑图像，获得显微物镜与样品之间的距离与两个光斑面积之间对应关系；调整显微物镜与样品之间的距离，由不同距离与光斑面积之间映射关系形成面积查找表；获取待测环境中光斑图像，根据面积查找表获得此光斑面积对应的显微物镜与样品之间距离；根据此距离计算得到离焦距离，基于此离焦距离移动显微物镜相对样品位置，从而实现显微成像系统的自动对焦。本发明专利技术采用两条光束投影到测量物体表面，利用两者之间的相互关系来考察聚焦情况，提高检测精度。提高检测精度。提高检测精度。

【技术实现步骤摘要】
基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法及装置


[0001]本专利技术属于半导体检测领域，具体涉及一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，还涉及一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦装置。

技术介绍

[0002]显微镜的自动聚焦(即自动获取对焦图像)，被广泛的应用在工业检测，如半导体、液晶屏等领域。传统的聚焦判断方法，如图像清晰度函数、距离测量等，由于速度慢(清晰度函数)、成本高(距离测量)没有办法在工业生产中大规模的使用。现有技术中出现了有采用光束主动投影，利用在被测物表面形成图像，利用图像的信息作为聚焦情况的判断依据，解决了速度与成本问题。但是单幅图像处理时易受到外界因素的影响，如背景光、测量物体表面、测量物体安装的影响导致测量精度的下降。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，解决了传统方法中由于信源单一导致的深度估计错误率高，对焦效率较低的技术问题。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，包括以下过程：
[0006]基于显微成像系统，将两束激光光束经显微物镜投射到样品表面后接收样品表面反射的两束激光光束形成的两个面积不同的光斑图像，并计算两个光斑的面积，获得显微成像系统中显微物镜和样品之间的距离与两个光斑面积之间对应关系；
[0007]调整显微物镜和样品之间的距离，计算得到对应的两个光斑面积，由不同距离与光斑面积之间映射关系形成面积查找表；
[0008]获取待测环境中光斑图像，根据面积查找表获得此光斑面积对应的显微物镜与样品之间距离；
[0009]根据此距离计算得到离焦距离，基于此离焦距离移动显微物镜相对样品位置，从而实现显微成像系统的自动对焦。
[0010]可选的，所述显微成像系统包括：激光器一、激光器二、分束棱镜一、分束棱镜二、分束棱镜三、显微物镜、透镜、分束棱镜四、带通滤波片一、带通滤波片二、面阵探测器一、面阵探测器二、场镜和面阵探测器三；
[0011]激光器一发出的激光光束一，激光器二发出的激光光束二，激光光束一和激光光束二两束光的光轴互相垂直且波长不同；激光光束一和激光光束二经过分束棱镜一合束后，激光光束一和激光光束二两束光光轴重合；合束之后，激光光束一、激光光束二经过分束棱镜二，照射到分束棱镜三上，经过分束棱镜三反射后之后，激光光束一、激光光束二进入显微物镜然后投射到样品的表面上；
[0012]激光光束一、激光光束二被样品表面反射后，被显微物镜收集，然后经过分束棱镜三和分束棱镜二的反射至透镜处，经透镜汇聚后到达分束棱镜四，激光光束一、激光光束二经分束棱镜四后，被分为透射部分和反射部分，这两部分均包含激光光束一和激光光束二；反射部分照射到带通滤波片一上，激光光束一被滤除，激光光束二被面阵探测器一接收；透射部分照射到带通滤波片二上，激光光束二被吸收，激光光束一被面阵探测器二接收；面阵探测器一和面阵探测器二上获得两个面积不同的光斑图像；
[0013]显微物镜、场镜以及面阵探测器三构成了显微镜，用于显示样品的图像。
[0014]可选的，所述光斑图像中光斑面积的计算过程为：
[0015]光斑图像记为I1，I1的每个像素大小记为I1(x,y)；
[0016]设定阈值T，将I1中的每个像素进行公式1的操作，提取图像中光斑区域，得到处理后的图像记为I
′1，I
′1中的每个像素大小记为I
′1(x,y)；
[0017][0018]对I
′1图像中像素值求和，得到I1中光斑面积S1。
[0019]可选的，所述调整显微物镜和样品之间的距离，计算得到对应的两个光斑面积，由不同距离与光斑面积之间映射关系形成面积查找表，具体过程为：
[0020]1)设显微物镜能够相对样品在竖直方向移动，设单次移动距离为Δ
d
,Δ
d
应为显微镜的景深；
[0021]2)假设显微物镜距离样品的垂直距离为d，距离d可变动的最大值与最小值分别标记为d
max
和d
min
；
[0022]3)利用Δ
d
对d进行分割，形成N个深度位置；其中第n个深度位置标记为d
(n)
，n取值范围为1～N，d
(n)
的表达式如公式2所示：
[0023]d
(n)
＝d
min
+(n
‑
1)Δ
d
ꢀꢀꢀ
(2)
[0024]4)将显微物镜移动到每个d
(n)
处，记录对应的光斑图像I1和I2中光斑面积，记为和由距离与光斑面积之间映射关系进而形成面积查找表。
[0025]可选的，所述获取待测环境中光斑图像，根据面积查找表获得此光斑面积对应的显微物镜与样品之间距离，包括：
[0026]1)在实际测量中，对于一个距离未知的待测环境，首先获取光斑面积，分别记为S
1D
和S
2D
；
[0027]2)将S
1D
与面积查找表中所有相比较，查找表中与面积S
1D
大小最接近的两个值；
[0028]具体比较的方法是将S
1D
与做差，如式3所示，遍历表中所有的获得N个记为将中最小的两个值的上标分别标记为n1和n2；
[0029][0030]3)将S
2D
与n1和n2位置对应的做差，如式4所示，得到差值和取
和中较小数值的上标所对应深度d
(n)
，作为第一次估计的显微物镜和样品之间距离d，记为d
step1
；
[0031][0032]4)将S
2D
与查找表中所有做差，如式5所示，遍历所有的获得N个记为将中最小的两个值的上标分别标记为n
′1和n
′2；
[0033][0034]5)将S
1D
与n
′1和n
′2位置对应的做差，如式6所示，得到和取和中较小数值的上标所对应深度d
(n)
，作为第二次估计的显微物镜和样品之间距离，记为d
step2
；
[0035][0036]6)如果第一次估计和第二次估计的显微物镜和样品之间距离满足以下条件：|d
step1
‑
d
step2
|≤σ
T
，其中，σ
T
为预设的距离误差阈值；则表示两者交叉检验吻合，说明得出的距离正确，此时任取d
step1
或d
step2
中的一个数值作为当前显微物镜和样品之间距离，标记为d
c
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，其特征是，包括以下过程：基于显微成像系统，将两束激光光束经显微物镜投射到样品表面后接收样品表面反射的两束激光光束形成的两个光斑图像，并计算两个光斑面积，获得显微成像系统中显微物镜和样品之间的距离与两个光斑面积之间对应关系；通过调整显微物镜和样品之间的距离，计算得到对应的两个光斑面积，由不同距离与光斑面积之间映射关系形成面积查找表；获取待测环境中光斑图像，根据面积查找表获得此光斑面积对应的显微物镜与样品之间距离；根据此距离计算得到离焦距离，基于此离焦距离移动显微物镜相对样品位置，从而实现显微成像系统的自动对焦。2.根据权利要求1所述的一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，其特征是，所述显微成像系统包括：激光器一、激光器二、分束棱镜一、分束棱镜二、分束棱镜三、显微物镜、透镜、分束棱镜四、带通滤波片一、带通滤波片二、面阵探测器一、面阵探测器二、场镜和面阵探测器三；激光器一发出的激光光束一，激光器二发出的激光光束二，激光光束一和激光光束二两束光的光轴互相垂直且波长不同；激光光束一和激光光束二经过分束棱镜一合束后，激光光束一和激光光束二两束光光轴重合；合束之后，激光光束一、激光光束二经过分束棱镜二，照射到分束棱镜三上，经过分束棱镜三反射后之后，激光光束一、激光光束二进入显微物镜然后投射到样品的表面上；激光光束一、激光光束二被样品表面反射后，被显微物镜收集，然后经过分束棱镜三和分束棱镜二的反射至透镜处，经透镜汇聚后到达分束棱镜四，激光光束一、激光光束二经分束棱镜四后，被分为透射部分和反射部分，这两部分均包含激光光束一和激光光束二；反射部分照射到带通滤波片一上，激光光束一被滤除，激光光束二被面阵探测器一接收；透射部分照射到带通滤波片二上，激光光束二被吸收，激光光束一被面阵探测器二接收；面阵探测器一和面阵探测器二上获得两个面积不同的光斑图像；显微物镜、场镜以及面阵探测器三构成了显微镜，用于显示样品的图像。3.根据权利要求1所述的一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，其特征是，所述光斑图像中光斑面积的计算过程为：光斑图像记为I1，I1的每个像素大小记为I1(x,y)；设定阈值T，将I1中的每个像素进行公式1的操作，提取图像中光斑区域，得到处理后的图像记为I
′1，I
′1中的每个像素大小记为I
′1(x,y)；对I
′1图像中像素值求和，得到光斑图像I1中光斑面积S1。4.根据权利要求1所述的一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，其特征是，所述调整显微物镜和样品之间的距离，计算得到对应的两个光斑面积，由不同距离与光斑面积之间映射关系形成面积查找表，具体过程为：1)设显微物镜能够相对样品在竖直方向移动，设单次移动距离为Δ
d
,Δ
d
应为显微镜的
景深；2)假设显微物镜距离样品的垂直距离为d，距离d可变动的最大值与最小值分别标记为d
max
和d
min
；3)利用Δ
d
对d进行分割，形成N个深度位置；其中第n个深度位置标记为d
(n)
，n取值范围为1～N，d
(n)
的表达式如公式2所示：d
(n)
＝d
min
+(n
‑
1)Δ
d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)4)将显微物镜移动到每个d
(n)
处，记录对应的光斑图像I1和I2中光斑面积，记为和由距离与光斑面积之间映射关系进而形成面积查找表。5.根据权利要求4所述的一种基于多图像面积关系的显微成像系统自动对焦方法，其特征是...

【专利技术属性】
技术研发人员：史金飞，何睿清，张健，郝飞，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：