第38卷第5期
光学仪器
2016年10月
OPTICALINSTRUMENTS
October 2016
文章编号:1005-5630(2016)05-0383-05
基于超分辨图像复原的显微圆孔
孔径测量方法
汤亚杰·2,路林吉
(1.上海交通大学电子信息与与电て工程学院,上海200240:
2.上海市计量测试技术研究院,上海201203)
摘要:为提高圆孔的光学显微测量准确性,研究了基于超分辦图像复原的显微圆孔孔径测量方
法。该方法通过超分辨图像复原处理圆孔显徽图像,提高了传统光学显微系统对圆孔成像的分
辨率,确定了以超分辩复原图像灰度值为0.399作为圆孔物理边缘判据,实现对圆孔边缘的准
确探测。理论分析表明该方法可准确测量微米级及以上直径圆孔。核孔膜孔径测量实验中,由
二值化图像得到孔径测量结果为6.35m(测量不确定度为0.08gm),与担描电镜测量结果
6.268gm(测量不确定度为0.083gm)相符,测量误差仅0.081m。该技术有助于实现对圆孔形
状的快速、准确在线测量。
关键词:显微测曼;超分图像复原;圆孔边錄判据:核孔膜
中图分类号:O439文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.002
Microscoic pore size measurement based on
super-resolution image restoration
TANG Yajie, Lulinji
(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China)
Abstract: An optical microscopy for pore size measurement based on super resolution image
restoration is proposed to obtain an accurate mcasurement. The method facilitates the fast and
accurate online inspection of pore structure. By super-resolution image restoration, the lateral
resolution of the pore image is significantly improved, yielding a reasonable circle edge setting
criterion of 0. 399, and achieving precise pore edge detection. Theoretical analysis shows that
the proposed method can measure the pore with diameter of micron magnitude and higher. The
nuclear track-etched membrane pore size measurement result obtained by the proposed method
is 6.35(0.08)m, which agrees well with the scanning electron microscope result of 6. 268
(0.083)gm, and the measurement error is 0.08 ym
Keywords: microscopic measurement; super resolution image restoration; circle edge setting
criterion: nuclear track-etched membrane
引言
数字显微图像测量是重要的微结构横向尺寸非接触测量方法。目前用于显微测量的主要设备
收稿日期:2015-12-24
作者简介:汤业杰(1990)?男,助理工程师,主:要从半长度计量方面的研究。E-mail:tangyin708c126.com
万方数据
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第38卷
有扫描隧道显微镜、电子显微镜、
原子力显微镜、光学共焦显微镜和普通
光学显微镜。其中,扫描隧道
显微镜、原子力显微镜、电子显微镜横向
分辨力其有纳米级横向分辨力,其图像能够直接用于微结构的
横向尺寸测量,但这些设备造价昂贵、操作复杂、測量时间长,适于计量标定使用。光学共焦显微镜横
向分辨力比普通光学显微镜提高了1.4倍,且具有独特的三维成像能力,是重要的微结构三维尺寸测
量仪器,但光学共焦显微镜属于相干成像系统,其图像不能直接采用超分辨复原等处理方法,横向分辨
力难以进一步提高,加之扫描成像速度较慢,造价较高,也不适于用作在线实时工业测量设备2。普通
光学显微镜成像速度快,图像处理算法丰富,成本低廉,特别适合在线实时工业测量设备。但是,受卷
积效应影响,微结构的光学边缘与微结构的物理边缘不一致3·。建立准确的微结构边缘判据,依据光
学图像精确确定微结构的边缘是普通光学显微成像测量的关键。常规的边缘检测方法首先采用固
定阈值或动态國值对图像进行分割,然后再通过二值化米确定边缘,或者利用边缘检測算法求取数字
图像梯度来确定边缘。但受显微镜分辨力影响,直接采用原始图像测量,精度难以满足需求
本文利用0.550pm单色光作为照明光源对圆孔结构显微成像,然后利用超分辨复原算法处理原始
图像,消除衍射效应影响,提高圆孔结构图像分辨力,并依据超分辨后图像建立圆孔图像的边缘判据,探
测圆孔边缘,进而测量直径,提高了对微米级圆孔直径的光学显微测量精度。该方法能够实现对圆孔结
构快速、准确的显微图像测量。
圆孔显微成像及边缘灰度变化
假定显微镜系统满足线性和移不变特性,则圆孔结构光学显微成像的成像过程可以表示为
)=i(x,y)ん
式中:0(x,y)为圆孔实际成像的亮度分布;(x,y)为圆孔理想成像的亮度分布;h(x,y)为显微系统的点扩
展函数;为卷积运算
对于圆孔结构,其理想成像可以表示为
式中:D为圆孔直径;r=v(x-x。)2+(y-y)2,xn,va)是圆孔圆心坐标;circ()是园域函数。
点扩展函数足点光源经过光学系统后在像面上形成的强度分布,描述了光学显微系统特性,其半峰
全宽描述了系统的横向分辨力。对于理想无像差普通光学显微系统,其点扩展函数可以表示为
式中:J1(?)是一阶一类贝塞尔函数;是光学归一化坐标。对于又可表示为
式中:c=(2 Tonsin l)/A是归一化系数,其中λ是照明光源波长,nsin4是显微镜物镜的数值孔径;x、y是物
方坐标。点扩展函数的半径m=1.22x,此处出现第一个强度为零的值,是显微镜的归一化分辨率。由
式(3)、(4)可知,物镜数值孔径sina越大,照明光源波长入越短,显微系统分辨力越高,相应圆孔的成像
质量越好,能够测量的圆孔直径越小。显微镜放大倍率M越大,图像传感器像元尺寸△越小,系统对点
扩展函数的归一化采样间隔=c△/M越小。
将式(2)、(3)代入式(1),即可计算得到圆孔的显微图像。由卷积计算原理
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