專利名稱：基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著微 / 納機(jī)電系統(tǒng)(Micro/Nano Electro Mechanical System, MEMS/NEMS)的快速發(fā)展，各種微/納米級(jí)的微型器件不斷出現(xiàn)，如微齒輪、微型噴嘴、微型臺(tái)階等，為了保證這些微型器件的加工質(zhì)量，需要對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)量。而這些微型器件的幾何尺寸幾乎都處于微/納米量級(jí)，常規(guī)的方法無(wú)法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，因此，發(fā)展納米尺度的高精度測(cè)量方法與技術(shù)至關(guān)重要。將電子掃描顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)拍攝的電子圖像與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法相結(jié)合所形成的微納結(jié)構(gòu)三維形貌測(cè)量方法，能夠充分發(fā)揮電子圖像的高分辨率和大景深等優(yōu)勢(shì)，可與現(xiàn)有的納米三坐標(biāo)、掃描探針顯微鏡、共焦激光掃描顯微鏡和立體光學(xué)顯微鏡等微觀結(jié)構(gòu)三維重建方法互補(bǔ)，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供一種有效的基礎(chǔ)測(cè)量工具。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法利用不同方向拍攝的圖像重建被測(cè)對(duì)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(cè)量方法，在工業(yè)測(cè)量與檢測(cè)、醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)和文物復(fù)制等多個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，技術(shù)日趨成熟。該方法在宏觀尺度上的成功應(yīng)用，使得其從70年代開(kāi)始便逐漸被引入到微觀測(cè)量領(lǐng)域，眾多學(xué)者就使用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡拍攝的放大圖像進(jìn)行微觀形貌的三維重建進(jìn)行了研究，其中圖像的畸變、成像系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)標(biāo)定方法是影響三維重建精度的核心問(wèn)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(yīng)的模型參數(shù)標(biāo)定方法，在宏觀尺度下可以得到較高的測(cè)量精度，因此被很多科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)直接移植到微觀三維重建領(lǐng)域。這種簡(jiǎn)單直接的技術(shù)移植，可以快速的對(duì)光學(xué)顯微成像系統(tǒng)和電子顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和初步標(biāo)定，并重建出微納結(jié)構(gòu)的三維形貌，在一定程度上促進(jìn)了該技術(shù)的快速發(fā)展。但是，2004年美國(guó)南加州大學(xué)的H. Schreier等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了將上述成像模型和標(biāo)定方法直接移植到光學(xué)顯微鏡上無(wú)法得到較好的效果，重建出的微觀三維形貌存在較大的殘余誤差。其原因在于光學(xué)顯微鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)比常用的數(shù)字相機(jī)復(fù)雜得多，上述模型無(wú)法準(zhǔn)確描述和消除光學(xué)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(xué)顯微圖像的空間畸變，提高標(biāo)定和重建精度，該課題組提出了一種新的光學(xué)顯微成像系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定算法。該方法首先使用一組在平面內(nèi)平移的平面標(biāo)靶圖像，采用非參數(shù)化的變形函數(shù)對(duì)圖像的空間畸變進(jìn)行建模和矯正；然后于任意位置拍攝一組平面標(biāo)靶圖像，并使用已確定的變形函數(shù)進(jìn)行矯正，得到理想的無(wú)畸變的圖像；最后使用理想的小孔成像模型對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行建模，并根據(jù)整體調(diào)整法(Bundle Adjustment)標(biāo)定出系統(tǒng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種標(biāo)定方法能夠很好的消除光學(xué)顯微圖像的空間畸變，提高了光學(xué)顯微成像系統(tǒng)的標(biāo)定精度和后續(xù)微觀結(jié)構(gòu)的三維重建精度。
與此同時(shí)，該課題組的Cornille等人嘗試將這種標(biāo)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(tǒng)的標(biāo)定精度。研究結(jié)果表明，該方法所采用的非參數(shù)化畸變矯正方法比宏觀領(lǐng)域常用的參數(shù)化畸變矯正方法效果更好，在較低的放大倍數(shù)下能夠得到較好的標(biāo)定結(jié)果，但是在高放大倍數(shù)下仍然存在明顯的測(cè)量誤差。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于電子圖像的拍攝過(guò)程與光學(xué)圖像不同，電子束的掃描過(guò)程使用電磁場(chǎng)進(jìn)行控制(類似光學(xué)成像系統(tǒng)中的鏡頭)，即使在目前最先進(jìn)的SEM系統(tǒng)中， 其電子束的偏轉(zhuǎn)仍然是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)(即其實(shí)際偏轉(zhuǎn)參數(shù)或位置不可控)，掃描過(guò)程受電磁場(chǎng)波動(dòng)、掃描過(guò)程中的時(shí)間漂移、電子束位置變化、樣品表面的熱量變化和機(jī)械振動(dòng)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(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的具有隨機(jī)特性的時(shí)間漂移(Time Drift)。2006年，Μ. A. Sutton等對(duì)電子圖像產(chǎn)生時(shí)間漂移的原因進(jìn)行了初步分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了現(xiàn)有的標(biāo)定算法尚無(wú)法消除時(shí)間漂移對(duì)測(cè)量精度的影響。除了上述空間畸變和時(shí)間漂移，電子成像系統(tǒng)的成像模型是影響微納結(jié)構(gòu)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(guò)程可以近似為透視投影過(guò)程，但是近年來(lái)的研究表明，透視投影模型在較低的放大倍數(shù)下可以得到較好的效果，但是當(dāng)放大倍數(shù)逐漸變大時(shí)，該模型無(wú)法對(duì)電子成像系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模。即在不同的放大倍數(shù)下，電子成像系統(tǒng)的成像模型不同當(dāng)放大倍數(shù)較低時(shí)，視場(chǎng)和視角較大，可使用經(jīng)典的透視投影模型對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行建模；而當(dāng)放大倍數(shù)較大時(shí)，視場(chǎng)和視角均非常小，電子圖像的成像過(guò)程則近似為平行投影。綜上所述，將SEM拍攝的電子圖像與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法結(jié)合，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu) 勢(shì)，實(shí)現(xiàn)快速、非接觸式的、具有納米級(jí)精度的微納結(jié)構(gòu)三維形貌測(cè)量。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究單位在此方面取得了一定的進(jìn)展，但是，由于SEM原本被設(shè)計(jì)為一種觀測(cè)工具，不做度量使用，若想使之與數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法結(jié)合，形成一種有效的高精度的微納結(jié)構(gòu)三維重建方法，還存在以下兩個(gè)主要問(wèn)題1)由于電子圖像的成像過(guò)程與傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)不同，拍攝的電子圖像存在非常嚴(yán)重的空間畸變和時(shí)間漂移，而現(xiàn)有研究尚無(wú)法消除時(shí)間漂移對(duì)測(cè)量精度的影響；2)在電子成像系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方面還存在較大的分歧，尚無(wú)法正確認(rèn)知電子成像系統(tǒng)的成像模型，影響了微納結(jié)構(gòu)的三維重建精度。因此之前的技術(shù)方法的價(jià)值有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測(cè)量方法，該方法結(jié)合了掃描電鏡(SEM)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量自動(dòng)化程度高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供的一種基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步建立掃描電鏡成像系統(tǒng)的成像模型；第2步使用表面帶有隨機(jī)圖案的平面標(biāo)定塊對(duì)上述成像模型進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定；第3步利用掃描電鏡成像系統(tǒng)從多個(gè)角度拍攝樣件的照片，得到一組樣件圖像；第4步對(duì)拍攝的多幅樣件圖像進(jìn)行圖像矯正，消除圖像中的時(shí)間漂移，然后從上述樣件圖像中提取特征點(diǎn)； 第5步對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，得到各特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；第6步在完成特征點(diǎn)的匹配之后，使用同形矩陣確定多幅圖像拍攝時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系，確定運(yùn)動(dòng)參數(shù)；第7步最后根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)、建立的對(duì)應(yīng)點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)， 得到被測(cè)表面的完整三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本發(fā)明將目前使用廣泛的的掃描電鏡與宏觀測(cè)量中的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)。充分利用SEM操作簡(jiǎn)單、可以拍攝出高放大倍數(shù)、大景深二維圖像的特點(diǎn)，又有效地發(fā)揮了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法可以從多角度拍攝的照片中自動(dòng)、高精度地重建出被測(cè)物體表面完整三維數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)基于掃描電鏡的測(cè)量終端進(jìn)行通用模型參數(shù)標(biāo)定之后利用其對(duì)樣件在不同的方向上進(jìn)行拍攝得到一組樣件圖片，根據(jù)建立的通用成像模型對(duì)圖片進(jìn)行圖像矯正；對(duì)矯正得到的圖像通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)算法進(jìn)行重構(gòu)，從矯正的圖像和預(yù)先標(biāo)定好的系統(tǒng)參數(shù)中重建出樣件表面完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在納米級(jí)精確測(cè)量樣件局部范圍內(nèi)三維形貌的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；


圖1為本發(fā)明提供的納米尺度三維形貌測(cè)量方法的流程圖；圖2為通用的成像系統(tǒng)模型示意圖。圖3為電子成像系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定算法流程圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明?；趻呙桦婄R的納米尺度三維形貌測(cè)量方法的工作流程如下使用掃描電鏡成像系統(tǒng)在同樣的放大倍數(shù)下從至少二個(gè)角度對(duì)樣件進(jìn)行拍攝，得到一組電子圖像；使用數(shù)字圖像相關(guān)方法，如哈里斯探測(cè)法(Harris Detector)，從多幅電子圖像中提取特征點(diǎn)集，并進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，找出特征對(duì)應(yīng)點(diǎn)；然后使用同形矩陣(Homograph)確定多幅圖像拍攝時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系，即外部參數(shù)；最后根據(jù)找出的特征對(duì)應(yīng)點(diǎn)、外部參數(shù)和預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)，重建出樣品表面的三維形貌結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明提供的納米尺度三維形貌測(cè)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(guò)程雖然與光學(xué)圖像成像過(guò)程不同，但其本質(zhì)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(gè)像素均與三維空間中的一條射線對(duì)應(yīng)。由于電子圖像的成像系統(tǒng)非常復(fù)雜，無(wú)法使用現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)成像模型進(jìn)行建模，本發(fā)明提出一種不依賴于任何假設(shè)的通用模型來(lái)描述電子圖像的成像系統(tǒng)，直接建立二維圖像與三維空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該通用模型如圖2所示，可由每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的空間直線方程表示，具體為1) 電子圖像有WXH個(gè)像素，每個(gè)像素的坐標(biāo)為(u，v)，其中u < W，v < H ；2) 二維圖像中的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)三維空間中的一條射線L，該射線可使用普朗克(Plucker)參數(shù)化法進(jìn)行表示
權(quán)利要求
1.一種基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步建立掃描電鏡成像系統(tǒng)的成像模型；第2步使用表面帶有隨機(jī)圖案的平面標(biāo)定塊對(duì)上述成像模型進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定； 第3步利用掃描電鏡成像系統(tǒng)從多個(gè)角度拍攝樣件的照片，得到一組樣件圖像； 第4步對(duì)拍攝的多幅樣件圖像進(jìn)行圖像矯正，消除圖像中的時(shí)間漂移，然后從上述樣件圖像中提取特征點(diǎn)；第5步對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，得到各特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；第6步在完成特征點(diǎn)的匹配之后，使用同形矩陣確定多幅圖像拍攝時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系，確定運(yùn)動(dòng)參數(shù)；第7步最后根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)、建立的對(duì)應(yīng)點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)，得到被測(cè)表面的完整三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米尺度三維形貌測(cè)量方法，其特征在于，第1步中，按照下述方式建立成像模型設(shè)掃描電鏡成像系統(tǒng)拍攝的電子圖像有WXH個(gè)像素，每個(gè)像素的坐標(biāo)為(u，v)，其中 u ^ W, ν ^ H ；二維圖像中的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)三維空間中的一條射線L，該射線使用普朗克參數(shù)化法表示為 其中A，B為射線L上兩點(diǎn)的非齊次坐標(biāo)，D表示射線的方向，M為正交于由射線和坐標(biāo)原點(diǎn)定義的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米尺度三維形貌測(cè)量方法，其特征在于，第2步具體包括下述過(guò)程Al)使用原子力顯微鏡準(zhǔn)確測(cè)量帶隨機(jī)圖案的平面標(biāo)定塊的三維數(shù)據(jù)，并將三維數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)與微型平面上的隨機(jī)圖案的灰度值一一對(duì)應(yīng)，即測(cè)量得到的標(biāo)定塊數(shù)據(jù)表示為(X，1, z, gray)，其中x，y，ζ為某點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，gray為灰度值；A2)設(shè)N >2，在任意N個(gè)位置各拍攝一幅電子圖像，得到N幅電子圖像，并進(jìn)行圖像矯正；每次拍攝時(shí)標(biāo)定塊與電子掃描電鏡的相對(duì)位置不同，定義每次拍攝時(shí)標(biāo)定塊的坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系；A3)對(duì)于拍攝得到的每個(gè)電子圖像中給定的某個(gè)像素S，根據(jù)表面的隨機(jī)圖案，從上述 N幅圖像中找出對(duì)應(yīng)點(diǎn)，從而確定其對(duì)應(yīng)的N個(gè)空間三維點(diǎn)在局部坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為 Pi, i = 1，2，…，N;將拍攝的一幅電子圖像時(shí)標(biāo)定塊的局部坐標(biāo)系設(shè)為全局坐標(biāo)系，設(shè)Ri 和Ti分別為其它位置到全局坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，根據(jù)N幅電子圖像中標(biāo)定塊上的特征點(diǎn)，計(jì)算標(biāo)定塊對(duì)應(yīng)的同形矩陣Hi ；A4)根據(jù)同形矩陣計(jì)算對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平移矩陣氏和Ti,確定拍攝時(shí)的其它位置與全局坐標(biāo)系下的位置之間的相對(duì)位置關(guān)系；A5)根據(jù)相對(duì)位置關(guān)系，確定電子圖像中某個(gè)像素S在N個(gè)位置上對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)的全局坐標(biāo)；A6)最后使用上述N個(gè)空間點(diǎn)擬合像素S對(duì)應(yīng)的空間直線方程；A7)重復(fù)步驟似)和A6)，根據(jù)電子圖像中的特征點(diǎn)和線性插值計(jì)算出所有像素對(duì)應(yīng)的空間直線方程，完成模型的參數(shù)標(biāo)定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于掃描電鏡的納米尺度三維形貌測(cè)量方法。該方法將目前使用廣泛的掃描電鏡與宏觀測(cè)量中的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量有機(jī)結(jié)合起來(lái)。充分利用掃描電鏡操作簡(jiǎn)單、可以拍攝出高放大倍數(shù)、大景深二維圖像的特點(diǎn)，又有效地發(fā)揮了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法可以從多角度拍攝的照片中自動(dòng)、高精度地重建出被測(cè)物體表面完整三維數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)使用掃描電鏡在同樣的放大倍數(shù)下從多個(gè)角度拍攝樣件的照片，得到一組樣件圖片；對(duì)圖片的畸變進(jìn)行圖像矯正；對(duì)矯正得到的圖像通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)算法進(jìn)行重構(gòu)，從矯正的圖像和預(yù)先標(biāo)定好的系統(tǒng)參數(shù)中重建出樣件表面完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在納米級(jí)精確測(cè)量樣件局部范圍內(nèi)三維形貌的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)微型器件形貌的三維測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B7/28GK102155909SQ20101059595
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者史玉升, 周鋼, 朱曉鵬, 李中偉, 湛承誠(chéng), 王從軍, 鐘凱 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)