基于视觉计算的扫描电子显微镜下微纳尺度三维形面测量方法研究

摘要

随着微、纳领域科学技术的不断发展，微、纳米材料在芯片制造、电子封装、生物医药等高新技术领域得到越来越广泛应用。由于微、纳米材料与结构具有尺寸效应，在力-电-磁-热等多场耦合负载作用下，极易产生变形、裂纹进而导致结构与器件失效。因此，在微纳尺度下实施精确地三维形面测量对了解上述变形机理、失效机制分析、指导微纳系统设计与加工等具有重要意义。近年来，微纳尺度精密测试技术不断进步，涌现出多种微纳尺度三维形面测量方法。其中，基于扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope,SEM)测量方法(3D SEM)，具有高效、非接触式、测量范围大和对样品表面粗糙度的良好脱敏性等一系列优点而受到国内外众多学者的共同关注。然而，由于SEM是以可视化为目的进行设计与制造，要将其应用于三维形貌测量，在成像模型及标定、图像畸变校正、特征匹配与三维测量算法等方面仍存在着诸多问题。为此，本论文针对3D SEM在实施与应用中所面临的问题，主要开展SEM成像模型通用化建模、SEM图像畸变校正、基于视差-深度映射的局部高效三维测量方法和自适应SfM-SEM框架下整体精细三维测量方法等四个方面的研究，以形成一套完备的SEM下三维形面测量理论与技术体系。具体研究工作如下： 针对SEM成像模型分歧大、无法根据SEM的放大倍率对成像模型进行准确划分等问题，在不依赖任何假设的条件下，从SEM成像过程本质出发，建立连续通用成像模型以表征SEM系统成像特性。根据SEM成像过程的连续性约束，利用径向基函数来表达像素点与空间直线的对应关系，进而参数化连续通用成像模型；澄清放大倍率与成像规律的关系，揭示SEM成像系统真实成像本质，实现SEM在不同倍率下的成像模型通用化与可视化表达。可视化建模结果验证部分学者对SEM成像特性和放大倍率的关系假设。通过精度实验证明相比于传统成像模型，连续通用成像模型可更精准地刻画SEM成像过程，为探索SEM成像规律提供新思路，具有重要的理论和应用价值。 针对SEM图像畸变原因复杂、无明显规律且无法利用光学参数化模型校正等问题，提出一种顾及倍率变化的SEM图像畸变校正方法。对于SEM的时间漂移畸变与空间畸变，从产生根源入手，独立建模，分而治之，分别建立漂移畸变-采集时间畸变模型与空间畸变-像素位置畸变模型；结合不同放大倍率的成像特点与观测尺度等因素，提出基于阵列标靶/散斑标靶的两种空间畸变模型解算方法；基于上述理论与创新方法，实现顾及倍率变化的SEM图像畸变建模与校正。实验结果表明本文方法对显微图像进行了有效地畸变校正，成功将图像畸变由校正前的±4像素降低到±0.5像素，将由畸变引起的虚应变由校正前的±6000微应变降低到±1000微应变，提高了显微系统测量精度。 针对如何通过尽可能少量的SEM图像快速地恢复某一视角下三维形面信息这一问题与应用场景，提出一种基于视差-深度映射(Disparity to Depth,D2D)的微纳尺度三维测量方法，D2D-SEM；建立视差-深度映射模型来实现对样品表面三维形面的快速解算和恢复；利用极线校正原理将两幅SEM图像对齐以保证测量的可靠性，基于数字图像相关(DIC)来计算稠密准确的视差图；融合上述关键技术，D2D-SEM对样品的局部三维形面实现了高效高质的恢复与测量。通过与超景深三维显微镜和共聚焦显微镜对比，验证D2D-SEM微纳尺度三维形面测量方法的精度与有效性。D2D-SEM在不增加任何硬件设备的条件下，仅基于两张图像便可令SEM拥有精确地三维测量能力，具有成本低、对样品表面粗糙度、高反光有良好的脱敏性等独特优势。 针对如何利用多张SEM图像对样品进行尽可能完整地三维测量与表征这一问题与应用场景，提出一种自适应(Adaptive)的运动恢复结构(Structure fromMotion,SfM)框架下SEM三维测量方法，ASfM-SEM。在多视重建理论框架下，针对平行投影模型，修正了三维重建核心算法；在SEM通用成像模型基础上，根据SEM的不同放大倍率实现柔性切换以保证高精度三维重建；针对SEM图像噪音大，特征匹配难等问题，将特征点提取与图像相关技术相结合，提出鲁棒的特征提取及匹配计算方法，实现了精确的特征匹配结果；在上述基础上，实现对样品整体三维形面的精细测量与表征；通过与超景深三维显微镜的对比，验证ASfM-SEM微纳尺度三维形面测量方法的精度与有效性。利用ASfM-SEM对多种样品进行了三维测量，结果表明：仅基于SEM图像序列，ASfM-SEM可以实现对被测样品的完整三维测量，相比于超景深显微镜等其他方法，在成本、精细细节重建、遮挡情况处理等方面独具优势。 综上，本文面向微纳尺度三维形面重建、测量和表征的重大需求，对基于SEM图像的三维测量理论与方法进行深入研究。探索SEM成像模型本质，澄清SEM图像畸变规律，发展针对SEM图像的鲁棒性特征提取与匹配算法，实现精确稠密的视差计算；在上述基础上，针对不同测量需求与使用场景，构筑局部高效三维测量与完整精细三维测量两种SEM下三维测量理论和新方法。本文研究内容为芯片制造、电子封装和纳米操作等领域提供一种新颖有效的三维测量与表征工具，具有巨大的应用潜力。

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