[发明专利]一种基于显微成像检测的高动态图像获取装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属高精度显微成像检测技术领域，特别是涉及一种基于显微成像检测的高动态图像获取装置及其方法。在激光束精细加工领域、半导体微电子行业、光通讯、光存储、航天工业、生物芯片及生物细胞自动识别等方面有广泛应用。

背景技术

随着科学技术的高速发展，精细加工的精度不断提高和加工对象的不断变化，对显微图像几何量的检测提出了越来越高的要求，尤其在激光束精细加工领域，其产品已深入影响到全球经济发展的各大领域，另外在半导体微电子行业、光通讯、光存储、航天工业、生物芯片等产品的显微图像检测也显得越来越重要。精细加工的高精度检测一直是工业生产和科学研究的重要部分。

在显微成像检测中，目前通常广泛地采用显微镜、数字CCD及计算机和应用软件等构成观察、检测系统。由于在目前的制造技术条件下，CCD图像传感器的动态范围是由它的信号饱和电平和噪声电平决定。它反映了器件在不同光照度下的工作范围。其数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压的比值来表示，其单位符号通常为dB，一般为60～80dB，而人眼在观察目标时，可以看清目标的最低照度为1lx，在夏天的中午，当目标照度达到3×10⁵lx时，人眼仍可以看清目标。由此可知，通过眼睛瞳孔的自动调节，人眼分辨物体的动态范围大致为110dB，所以用动态范围较小的图像传感器记录动态范围较高的图像，总会有图像信息的丢失。对高动态范围的图像的显示也碰到同样的困难，一般需进行对数变换后进行显示。为了提高检测的精度，现有的图像处理方法是对某一帧图像进行处理，如图像的增强、校正和变换等处理，但其能力有限，对记录时就已经丢失的信息是很难或根本不可能在后续的处理过程中得到恢复。如图2(a)为图像传感器动态的动态响应曲线，其响应范围为ST，而图2(b)表示的是待记录的输入显微图像的灰度直方图，灰度分布的动态范围为MN。由于只要ST＜MN，用具有图2(a)的响应特性的传感器就不可能把具有直方图为图2(b)的图像真实地记录下来。对于一个特定的传感器的动态响应范围ST是固定不变的，待记录图像的灰度级范围MN虽然不能改变，但是可以通过改变图像的光照强度来移动，比如可使图像整体变暗或整体变亮。图像灰度范围一旦进入传感器线性响应范围内，相应的这一部分的结构信息就能被真实地记录下来。因此，从理论说，可以通过改变输入图像的光照强度来记录下同一视场多帧图像的方法，就可以实现记录场景全部信息。

目前传统显微图像检测系统，其成像质量受成像环境的影响大，当光照一定的条件下，通过CCD所获取的显微图像的所摄取的动态范围较窄，特别是光照过亮或过暗，无法记录或表达检测场景中亮区和暗区的场景的图像信息，难以在满足特定检测环境下对微细精密加工产品检测质量的要求，严重地影响其检测的精确性与可靠性。为了得到工件加工清晰显微图像，实现对加工效果进行客观分析、科学评判和精确测量，急需在观察、检测前提高显微图像的动态范围，以获取检测场景的丰富信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：(1)显微成像系统同一场景不同曝光的多帧图像序列获取方法；(2)同一场景不同曝光显微图像序列的预处理和配准技术；(3)高动态图像的合成算法。本发明解决上述技术问题，可获取检测过程中被检视野的高动态范围显微图像，为集成电路、激光精细加工及医疗生物的显微检测提供一个高精度检测平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于显微成像检测的高动态图像获取装置，包括显微镜和计算机系统，所述的显微镜的光源和载物平台之间加装由控制电机和圆盘型光学梯度衰减器组成的光强控制装置，并通过数字CCD图像传感器与计算机系统相连，所述的计算机系统包括：

(1)显微图像光强控制及图像获取模块：由计算机控制圆盘型光学梯度衰减器旋转定位到不同的位置并进行显微图像采集，以获取同一视场不同光强度的显微图像序列供后续处理，实现显微图像动态范围的扩展；

(2)图像预处理和配准模块：通过显微图像预处理消除成像过程中引入的噪声；由于在成像过程中，同一视场多帧不同曝光图像之间可能存在平移和旋转，对其进行精确配准，以保证合成高质量高动态范围显微图像；

(3)高动态显微图像合成处理模块：对同一视场多帧不同曝光的显微图像进行分块处理，在图像块间设置重叠缓冲区；采用评价函数实现对同一位置不同光强的图像帧进行块的选择，并利用图像块的统计特征生成调整因子对合成的显微图像进行灰度调整，对块间的缓冲区像素进行融合处理，实现同一视场多帧不同曝光显微图像合成为一帧更高动态范围的显微图像。