一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法技术

本发明专利技术公开了一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法，通过提取超声回波数据中第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，计算聚焦深度误差，并根据PID控制算法，控制超声探头z向移动，对聚焦深度误差进行补偿。采用实时自动对焦后，可通过一次扫描对翘曲样品进行成像，不需要多次不同深度的传统C扫描，聚焦深度误差很小，对翘曲样品的成像均匀。对翘曲样品的成像均匀。对翘曲样品的成像均匀。

【技术实现步骤摘要】
一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法


[0001]本专利技术属于超声扫描显微镜领域，尤其涉及一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法。

技术介绍

[0002]超声扫描显微镜是一种利用超声波对样品进行显微成像的设备。由于超声波可以穿透样品表面，超声扫描显微镜可以直接对样品内部结构进行成像，因此广泛应用于无损检测领域，例如芯片封装缺陷检测、晶圆键合缺陷检测、复合材料检测、焊接检测等。超声显微镜将脉冲超声波聚焦在样品内部，接收到的脉冲回波包含了样品的材料特性和高度信息。通过移动探头在样品上方水平面内进行逐点扫描，可以得到样品各个方向的剖面形貌以及三维形貌。
[0003]C扫描是超声扫描显微镜最主要的检测方式之一，可以获得被测样品在特定深度的剖面图像。C扫描是在超声波回波数据中提取某个深度区间的峰值或峰峰值作为该平面像素点的像素灰度值，对平面内每个像素点进行该处理之后，可以得到整幅C扫描图像。超声显微镜的超声探头频率越高、数值孔径越大，则分辨率越高，但聚焦深度范围也越窄，若要获得样品内部结构的清晰形貌，必须精确地聚焦在目标结构所在的深度。
[0004]对于翘曲结构样品，例如减薄后的大面积晶圆样品，传统的高分辨率超声扫描显微镜难以在一次扫描时获得完整的内部结构，因为目标结构可能并不在水平面的同一深度，而是距离弯曲表面一个固定的距离。传统的超声扫描显微镜不具备实时自动对焦功能，需要经过多次不同深度的扫描，再对多层图像进行拼接，才能获得大面积翘曲样品的完整形貌，降低了检测速度，且检测效果难以保证。

技术实现思路
r/>[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法。本专利技术使高分辨率超声显微镜可实现对翘曲样品的完整、快速成像。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法，在初始扫描位置进行手动聚焦，提取各扫描点第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，计算聚焦深度误差，根据PID控制算法，控制超声探头z向移动，修正聚焦误差，进行实时自动对焦。
[0007]进一步地，在初始扫描位置进行手动聚焦，包括：
[0008]将探头移动到初始扫描位置；
[0009]手动调节探头高度，使超声波聚焦至目标聚焦界面。
[0010]进一步地，提取各扫描点第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，包括：
[0011]在各扫描点发射超声波，并接收超声回波数据；
[0012]提取该扫描点第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。
[0013]进一步地，根据所述延迟时间，计算聚焦深度误差，具体地，第i个扫描点的聚焦深
度误差e(i)计算公式为：
[0014]e(i)＝k
×
[t(i)
‑
t(1)][0015]其中，k为样品所在介质中声速的一半，t(i)和t(1)分别为第i个扫描点和初始扫描位置的超声波回波数据中第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。
[0016]进一步地，根据PID控制算法，控制超声探头z向移动，修正聚焦误差，具体为：控制第i个扫描点探头朝z向移动距离dz(i)，实现对聚焦深度误差的补偿，dz(i)计算公式为：
[0017]dz(i)＝dz(i
‑
1)+kp
×
[e(i)
‑
e(i
‑
1)]+ki
×
e(i)+kd
×
[e(i)
‑2×
e(i
‑
1)+e(i
‑
2)][0018]其中，kp、ki、kd分别为PID控制的比例、积分、微分系数，dz(1)＝dz(2)＝0。
[0019]进一步地，包括以下步骤：
[0020]S1，在初始扫描位置进行手动聚焦。
[0021]S2，提取初始扫描位置第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。
[0022]S3，移动探头到下一扫描位置，发射超声脉冲，并采集回波数据。
[0023]S4，提取当前位置第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。
[0024]S5，计算聚焦深度误差等。
[0025]S6，根据PID控制算法，控制探头z向移动，修正聚焦误差。
[0026]S7，判断扫描是否已结束，若否，则重复步骤S3至S6；若是，则整个样品的扫描完成。
[0027]本专利技术与现有技术相比，具有以下特点：
[0028](1)本专利技术可通过一次扫描对翘曲样品进行成像，不需要多次不同深度的传统C扫描，检测速度更快；
[0029](2)本专利技术补偿后聚焦深度误差很小，对翘曲样品的成像均匀，不需要多层图像拼接。
附图说明
[0030]图1是本专利技术提供的超声扫描显微镜工作原理示意图；
[0031]图2是本专利技术提供的超声扫描显微镜实时自动对焦方法的流程图；
[0032]图3是本专利技术中超声波回波数据与脉冲触发信号示意图；
[0033]图4是本专利技术一实施例采用实时自动对焦前后的聚焦深度误差示意图；
[0034]图中：超声探头1、超声波2、样品上表面3、目标聚焦界面4。
具体实施方式
[0035]为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
[0036]请参见图1，本专利技术一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法，主要针对的是翘曲样品或倾斜样品，其特征均为上表面非水平面，且目标探测结构和上表面相对距离固定。具体地，样品可以为翘曲的晶圆、被挤压的样品、柔性复合材料、放置倾斜的芯片等。超声探头1发射超声波2，穿过样品上表面3，聚焦到目标聚焦界面4。
[0037]请参见图2，本专利技术一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法，通过提取超声波回波数据中第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，计算聚焦深度误差，并根据PID控制算法，控制超声探头z向移动，对聚焦深度误差进行补偿。在起始扫描位置完成参数标定，并手动聚焦至目标位置深度，即可在后续的坐标点进行实时自动对焦，抑制样品翘曲带来的聚焦深度误差。具体包括以下步骤：
[0038]步骤S1，在初始扫描位置进行手动对焦。
[0039]具体地，将超声显微镜探头移动至样品初始扫描位置上方，并手动调制超声探头的高度，使超声波聚焦到目标聚焦界面，开始数据采集。
[0040]步骤S2，在初始扫描位置聚焦后，发射超声波并接收超声回波数据，提取第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间t(1)。
[0041]具体地，请参见图3，超声波回波数据中，第一个脉冲回波为样品上表面的回波信号，第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声扫描显微镜实时自动对焦方法，其特征在于，在初始扫描位置进行手动聚焦，提取各扫描点第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，计算聚焦深度误差，根据PID控制算法，控制超声探头z向移动，修正聚焦误差，进行实时自动对焦。2.如权利要求1所述超声扫描显微镜实时自动对焦方法，其特征在于，在初始扫描位置进行手动聚焦，包括：将探头移动到初始扫描位置；手动调节探头高度，使超声波聚焦至目标聚焦界面。3.如权利要求1所述超声扫描显微镜实时自动对焦方法，其特征在于，提取各扫描点第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间，包括：在各扫描点发射超声波，并接收超声回波数据；提取该扫描点第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。4.如权利要求1所述超声扫描显微镜实时自动对焦方法，其特征在于，根据所述延迟时间，计算聚焦深度误差，具体地，第i个扫描点的聚焦深度误差e(i)计算公式为：e(i)＝k
×
[t(i)
‑
t(1)]其中，k为样品所在介质中声速的一半，t(i)和t(1)分别为第i个扫描点和初始扫描位置的超声波回波数据中第一脉冲回波峰值距离脉冲触发信号的延迟时间。5.如权利要求1所述超声扫描显微镜实时自动对焦方法，其特征在于，根据PID控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹永刚，施钧辉，任丹阳，王钰琪，陈睿黾，李驰野，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：