湯亞杰+路林吉

摘要： 為提高圓孔的光學(xué)顯微測(cè)量準(zhǔn)確性，研究了基于超分辨圖像復(fù)原的顯微圓孔孔徑測(cè)量方法。該方法通過超分辨圖像復(fù)原處理圓孔顯微圖像，提高了傳統(tǒng)光學(xué)顯微系統(tǒng)對(duì)圓孔成像的分辨率，確定了以超分辨復(fù)原圖像灰度值為0.399作為圓孔物理邊緣判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓孔邊緣的準(zhǔn)確探測(cè)。理論分析表明該方法可準(zhǔn)確測(cè)量微米級(jí)及以上直徑圓孔。核孔膜孔徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，由二值化圖像得到孔徑測(cè)量結(jié)果為6.35 μm（測(cè)量不確定度為0.08 μm），與掃描電鏡測(cè)量結(jié)果6.268 μm（測(cè)量不確定度為0.083 μm）相符，測(cè)量誤差僅0.08 μm。該技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)圓孔形狀的快速、準(zhǔn)確在線測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 顯微測(cè)量； 超分辨圖像復(fù)原； 圓孔邊緣判據(jù)； 核孔膜

中圖分類號(hào)： O 439 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.002

文章編號(hào)： 1005-5630（2016）05-0383-05

引 言

數(shù)字顯微圖像測(cè)量是重要的微結(jié)構(gòu)橫向尺寸非接觸測(cè)量方法[1]。目前用于顯微測(cè)量的主要設(shè)備有掃描隧道顯微鏡、電子顯微鏡、原子力顯微鏡、光學(xué)共焦顯微鏡和普通光學(xué)顯微鏡。其中，掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、電子顯微鏡橫向分辨力具有納米級(jí)橫向分辨力，其圖像能夠直接用于微結(jié)構(gòu)的橫向尺寸測(cè)量，但這些設(shè)備造價(jià)昂貴、操作復(fù)雜、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，適于計(jì)量標(biāo)定使用。光學(xué)共焦顯微鏡橫向分辨力比普通光學(xué)顯微鏡提高了1.4倍，且具有獨(dú)特的三維成像能力，是重要的微結(jié)構(gòu)三維尺寸測(cè)量?jī)x器，但光學(xué)共焦顯微鏡屬于相干成像系統(tǒng)，其圖像不能直接采用超分辨復(fù)原等處理方法，橫向分辨力難以進(jìn)一步提高，加之掃描成像速度較慢，造價(jià)較高，也不適于用作在線實(shí)時(shí)工業(yè)測(cè)量設(shè)備[2]。普通光學(xué)顯微鏡成像速度快，圖像處理算法豐富，成本低廉，特別適合在線實(shí)時(shí)工業(yè)測(cè)量設(shè)備。但是，受卷積效應(yīng)影響，微結(jié)構(gòu)的光學(xué)邊緣與微結(jié)構(gòu)的物理邊緣不一致[3-4]。建立準(zhǔn)確的微結(jié)構(gòu)邊緣判據(jù)，依據(jù)光學(xué)圖像精確確定微結(jié)構(gòu)的邊緣是普通光學(xué)顯微成像測(cè)量的關(guān)鍵[5]。常規(guī)的邊緣檢測(cè)方法首先采用固定閾值或動(dòng)態(tài)閾值對(duì)圖像進(jìn)行分割，然后再通過二值化來確定邊緣，或者利用邊緣檢測(cè)算法求取數(shù)字圖像梯度來確定邊緣。但受顯微鏡分辨力影響，直接采用原始圖像測(cè)量，精度難以滿足需求[6]。

本文利用0.550 μm單色光作為照明光源對(duì)圓孔結(jié)構(gòu)顯微成像，然后利用超分辨復(fù)原算法處理原始圖像，消除衍射效應(yīng)影響，提高圓孔結(jié)構(gòu)圖像分辨力，并依據(jù)超分辨后圖像建立圓孔圖像的邊緣判據(jù)，探測(cè)圓孔邊緣，進(jìn)而測(cè)量直徑，提高了對(duì)微米級(jí)圓孔直徑的光學(xué)顯微測(cè)量精度。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圓孔結(jié)構(gòu)快速、準(zhǔn)確的顯微圖像測(cè)量。

由圖5可見，測(cè)量誤差隨著采樣間隔的變大而變大，為保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，應(yīng)采用小的采樣間隔。當(dāng)圖像歸一化采樣間隔小于1（當(dāng)λ=0.550 μm，nsin u=0.40，約0.2 μm）時(shí)，測(cè)量誤差小于0.2（當(dāng)λ=0.550 μm，nsin u=0.40，約4.4 nm）。常用圖像傳感器的像元尺寸和物鏡參數(shù)能夠滿足歸一化圖像采樣間隔要求。

4 核孔膜核孔測(cè)量實(shí)驗(yàn)

核孔膜是具有理想圓孔形狀、尺寸均一的過濾薄膜，廣泛用于膜分離（即過濾）、安全識(shí)別、防偽等領(lǐng)域[10]。核孔孔徑是決定核孔膜過濾性能的核心參數(shù)，在化學(xué)腐蝕工序中亟需在線快速測(cè)量手段以精確控制圓孔孔徑[11]。核孔孔徑范圍為零點(diǎn)幾微米到十幾微米。常規(guī)光學(xué)顯微測(cè)量方法不能準(zhǔn)確測(cè)量其孔徑。以參數(shù)為λ=0.550 μm、nsin u=0.40、M=10×，圖像傳感器像元尺寸10 μm（對(duì)應(yīng)歸一化圖像像素尺寸vΔ=0.457 0，約vAiry/8） 的光學(xué)顯微鏡作為測(cè)量設(shè)備，利用超分辨復(fù)原方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖 6所示名義值為6 μm（vd≈27.4）直徑核孔的測(cè)量。核孔膜準(zhǔn)確孔徑由掃描電子顯微鏡得到，為6.268 μm，測(cè)量不確定度為0.083 μm（3σ）。核孔膜光學(xué)顯微圖像如圖 7所示。

圖7中超分辨復(fù)原圖像比原始圖像更為清晰，便于觀察；二值化圖像便于對(duì)核孔膜進(jìn)行分析、測(cè)量和計(jì)數(shù)。由二值化圖像得到孔徑測(cè)量結(jié)果為6.35 μm，測(cè)量不確定度為0.08 μm，與掃描電鏡測(cè)量結(jié)果相符，誤差為0.08 μm。實(shí)驗(yàn)中圖像處理和孔徑測(cè)量時(shí)間小于30 s，較為準(zhǔn)確地測(cè)量了核孔直徑，適用于較大孔徑核孔化學(xué)腐蝕過程中在線測(cè)量以及核孔膜產(chǎn)品質(zhì)量快速檢查。

5 結(jié) 論

通過對(duì)圓孔顯微圖像的超分辨復(fù)原，本文建立了圓孔復(fù)原圖像的邊緣判據(jù)IE=0.399，實(shí)現(xiàn)了對(duì)核孔膜核孔的精確探測(cè)和準(zhǔn)確孔徑測(cè)量，為核孔膜產(chǎn)品的生產(chǎn)過程檢測(cè)和產(chǎn)品質(zhì)量分析提供了低成本、精度滿足需要、快捷易用的新方法。本方法也可以用于針孔等樣品的直徑測(cè)量。

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