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

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基于计算机视觉的三维测量技术(文献翻译).

重庆理工大学文献翻译二级学院专业班级学生姓名学号译文：基于计算机视觉的三维测量技术摘要:本文根据计算机视觉原理，提出一种三维非接触测量技术。

该技术根据人眼感知事物的原理，利用神经网络拟合图像坐标与空间坐标的映射关系；以光栅投影曲线为特征，采用小波边缘检测和搜索式无监督聚类，结合视觉几何不变性，实现亚像素级的立体精确匹配；并采用小波多尺度多分辨率的特性，拼接图像，融合数据，对物体进行全方位测量。

实验表明，该技术设备简单，测量速度快，测量精度控制在0.5 mm/m以内。

关键词:计算机视觉，立体匹配，几何不变性，神经网络，小波变换，聚类1 引言目前，三维测量仍以三维坐标测量机为主。

但是它由于体积大、结构复杂而不能在线测量，是接触测量而不能测量柔软的物体。

因此，研究快速无损、非接触在线测量在工业上十分重要。

尽管现在有很多方法，如激光扫描法、结构光法、相位测量法，但是都不能同时满足测量精度、效率、成本、自动化和智能化等方面的要求。

因此，在本文使用双摄像机融合光学轴抓拍物体。

随着处理图像，立体匹配图像和数据集成，三维物体的信息就是从这个立体图像中获得。

三维测量技术已应用于测量系统中的多点压成型机的测量，并取得了良好的效果。

2 测量原理及系统设计本文介绍了基于计算机视觉的三维非接触测量技术，三维对象的信息是从一对立体图像中获取。

一般来说，有两个问题影响的三维物体获得确切的消息：一种是图像之间建立特殊点点和准确的映射关系，另一种是立体匹配问题。

本文神经网络是用来映射关系接近的情况下摄像机标定。

小波边缘检测，寻找非监督聚类和几何不变性适用于立体匹配。

在多尺度，多分辨率的小波属性应用于图像拼接和数据集成。

在实践中，这项技术包含了许多方法和技术，它可以测量任意大小和形状的对象。

然而，有一些物体的表面很光滑。

匹配功能不明显，因此用光栅对象预测。

而扭曲的条纹上创建的对象被视为匹配功能。

为了提高测量精度，用两个与融合光学轴相机，这两个相机和一小型自制的投影机就构成了一种灵活的测量头。

基于数字全息显微成像的微光学元件三维面形检测

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纳米尺度测量技术及其应用实例

纳米尺度测量技术及其应用实例纳米尺度测量技术是一项涉及到测量材料和物体特征在纳米级别上的科学技术，其在纳米科学和纳米技术领域具有重要的应用价值。

纳米尺度测量技术的出现填补了传统测量技术无法满足纳米级尺度要求的空白，并为纳米科学和技术的发展提供了强有力的支持。

本文将重点介绍几种常用的纳米尺度测量技术以及其应用实例。

首先，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）是一种最早应用于纳米尺度测量的技术。

STM利用电子的量子隧穿效应，通过扫描探针与样品表面之间的隧穿电流来获取表面的原子级别信息。

它具有高分辨率、高灵敏度和原子级别表征等特点。

举例来说，SCM已被应用于原子尺度下的表面形貌研究、电子输运性质的测量、分析和纳米器件的研发等领域。

其次，原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是另一种常用的纳米尺度测量技术。

AFM通过使探针直接接触样品表面，通过探针与样品表面的相互作用力来测量和表征表面特征。

与STM相比，AFM不需要样品具有导电性，因此广泛应用于非导电性材料的测量领域。

例如，在生物医学研究中，AFM常用于研究细胞表面形貌、力学特性和分子间相互作用力。

此外，AFM还被广泛应用于纳米材料的表征，如碳纳米管、纳米颗粒等。

除了STM和AFM，场离子显微镜（Field Ion Microscopy，FIM）是另一种常见的纳米尺度测量技术。

FIM利用热电子离场技术和电子多次反射，通过对离散场离子云的图像分析，实现对纳米尺度物体的成像。

FIM在精细结构表征、纳米晶体学、表面科学等领域有着广泛的应用。

举例来说，FIM已被应用于金属合金的表面化学成分分析、生物材料的测量和纠正过程、金属与半导体材料的界面研究等方面。

此外，还有一些其他的纳米尺度测量技术，如电子束刻蚀技术（Electron Beam Lithography，EBL）、近场光学显微镜（Near-field Scanning Optical Microscopy，NSOM）等。

超导材料的微尺度分析与表征方法

超导材料的微尺度分析与表征方法引言：超导材料是一类具有低温下电阻为零的特殊材料，其在电子学、能源存储和传输等领域具有广泛的应用前景。

然而，超导材料的研究和应用面临着一些挑战，其中之一就是对其微尺度结构和性能进行准确的分析和表征。

本文将介绍一些常用的超导材料微尺度分析与表征方法，以及它们的原理和应用。

一、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）SEM和TEM是常用的超导材料微结构表征方法。

SEM通过扫描样品表面的电子束来获取样品表面的形貌信息，可以观察到超导材料的晶体结构、晶界和缺陷等微观特征。

TEM则通过透射电子束穿透样品来获取样品的内部结构信息，可以观察到超导材料的晶体结构、晶格缺陷和界面等微观特征。

这两种方法可以提供超导材料的微观形貌和结构信息，有助于理解超导机制和改善材料性能。

二、原子力显微镜（AFM）AFM是一种基于原子力相互作用的表征方法，可以在纳米尺度下获取样品表面的形貌和力学性质信息。

对于超导材料的研究，AFM可以用于观察样品表面的拓扑结构、晶体生长和晶界等微观特征，同时还可以测量样品的力学性质，如硬度、弹性模量等。

AFM的高分辨率和力学性质测量能力使其成为研究超导材料微观性质的重要工具。

三、X射线衍射（XRD）XRD是一种通过样品对入射X射线的衍射来分析样品的晶体结构和晶体学信息的方法。

对于超导材料的研究，XRD可以用于确定样品的晶体结构、晶格常数和晶体取向等信息，从而帮助理解超导机制和改善材料性能。

此外，XRD还可以用于研究超导材料的相变行为和晶体缺陷等微观特征。

四、拉曼光谱（Raman）拉曼光谱是一种通过样品对入射光的散射来分析样品的分子振动和晶格动力学信息的方法。

对于超导材料的研究，拉曼光谱可以用于研究样品的晶格振动、声子谱和电子-声子相互作用等信息，从而揭示超导机制和材料性能。

拉曼光谱的非侵入性和高分辨率使其成为研究超导材料微观性质的重要手段。

五、超导量子干涉仪（SQUID）SQUID是一种基于超导材料的量子干涉效应来测量样品磁性和电性性质的仪器。

基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法与相关技术

本技术提供了一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其将光学图像识别技术应用于微纳三维打印过程中，实现简便且可靠的打印过程精准控制。

经由光学系统，实时观测并量化微纳三维打印过程中微管内溶液与试样表面间形成的液柱的尺寸及形状，并经由反馈系统，控制微管和试样间相对位移速率，从而确保液柱尺寸及结构不变或者按照预设值改变，从而实现微纳三维物件的稳定及精确打印。

权利要求书1.一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：经由光学系统，实时观测并量化微纳三维打印过程中微管内溶液与试样表面间形成的液柱的尺寸及形状，并经由反馈系统，控制微管和试样间相对位移速率，从而确保液柱尺寸及结构不变或者按照预设值改变，从而实现微纳三维物件的稳定及精确打印。

2.如权利要求1所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：光学系统包括物镜、目镜或CCD、镜筒、光源，所述镜筒方向平行于试样表面布置或与试样表面成一定夹角。

3.如权利要求2所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：当光学系统包括有目镜时，由人工观测并确定液柱尺寸及形状，并经由手工调控逼近过程及打印过程中液柱尺寸及形状，进而控制打印物件的尺寸及精度；但经由人工观测及调控存在反馈时间慢、精度差的缺点，容易导致反馈不及时或过度反馈。

4.如权利要求2所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：当光学系统包括有CCD时，光学图像可直接由电脑实时采集，并经由对应的软件算法开发，由电脑系统实时确定液柱尺寸及形状，并经由反馈设置控制压电或马达位移台，调节微管和试样表面相对位移速率，从而最终实现对打印物件尺寸和精度的精细调控。

5.如权利要求1所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：其所适用的微纳三维打印系统包括基于填充有各类溶液的中空微管或MEMS微管阵列来进行三维打印的各类系统。

一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法[发明专利]

(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201410086820.7(22)申请日 2014.03.07G01B 11/24(2006.01)(71)申请人中国科学院光电研究院地址100094 北京市海淀区邓庄南路9号(72)发明人周维虎黎尧纪荣祎劳达宝董登峰张滋黎袁江刘鑫胡坤(54)发明名称一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法(57)摘要本发明公开了一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法。

该方法主要用于半导体集成电路、MEMS器件等微纳尺度表面三维形貌特征的测量。

通过飞秒激光完成对样品表面的扫描测量，采用测量光路实现跨尺度微纳测量，测量得到干涉图样由高速CCD 探测，进行处理分析后得到表面三维形貌特征参量，进而还原样品表面三维形貌。

(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页说明书2页附图2页(10)申请公布号CN 104897076 A (43)申请公布日2015.09.09C N 104897076A1/1页1.一种用于微纳尺度三维形貌测量的方法，包括，重复频率可调的飞秒激光频率梳系统1，光纤光路和倍频系统组成的光路系统2，迈克尔逊干涉光路和扩束光路构成的测量系统3和高速CCD 相机组成的信号接收系统4。

2.根据权利要求1，得出涉及的飞秒激光频率梳三维面型测量系统，飞秒激光频率梳产生的飞秒脉冲通过光纤耦合器21分成两束光进入由参考光路和测量光路组成的光纤光路。

其中参考光路由一段长单模光纤23组成，同时结合使用色散补偿光纤24以补偿由于长距离传输引起的色散。

测量光路由一段短单模光纤22组成。

同时参考光路与测量光路之间设计有较大的光程差。

由光纤光路出射后的飞秒脉冲经平面镜25、分色镜26入射到倍频晶体27进行倍频，且只有倍频后的飞秒脉冲可以通过分色镜26反射进入测量系统。

测量系统是由平面镜31、分光棱镜32、透镜33和34、被测样品35构成的迈克尔逊干涉光路组成的，其中透镜33和34组成扩束光路以更好探测样品表面。

基于计算机图形学的电镜三维显微技术研究

基于计算机图形学的电镜三维显微技术研究随着科技的不断进步，人们对细胞、微生物等微观世界的研究越来越深入。

电镜技术是目前最为常见的微观尺度探测手段之一。

而基于计算机图形学的电镜三维显微技术则是近年来发展起来的一项创新技术，它在传统电镜成像技术的基础上，利用计算机图形学方法对图像进行处理、重建、还原，实现了对生物材料三维结构的表示与可视化，使得原本看似复杂无比、难以描述的微观结构变得清晰可见，为生物科学研究者提供了更加精细深入的工具与手段。

电镜三维显微技术的优势在于能够从多个角度塑造生物样品的三维形态，并耗时较少，而且将坐标轴巧妙地反映在图像上，使得观测者能够更加准确地了解样品的结构特征。

通过对获得的微观图像序列进行迭代恢复，设计合适的采样策略及配准算法，三维数字化模型数据的灵敏度与精度进一步得以提高。

三维数字化模型数据包含了大量的信息，对于生物科学研究者而言，这无疑是一项极大的财富。

例如，三维数字化模型数据可以帮助研究者更好地理解癌细胞、病毒、细菌等微生物的病理生理特征，为开发新型药物、疫苗、抗生素等医学手段提供了新的思路和途径；同时，此项技术还有望在动物行为学、生态学、神经科学等领域得到广泛应用，对于研究生命科学领域的一系列特别是生命起源与进化模式的根本问题，都将有不可估量的帮助。

虽然基于计算机图形学的电镜三维显微技术具有许多优点，但是其技术门槛相对较高，需要较高的计算机图形学、信号处理、计算机科学等领域专业知识。

另外，样品预处理、显微图像的采集和后期处理的标准化、细节控制等问题也需要注意。

随着技术的不断进步，这些问题相信也会得到解决。

综上所述，基于计算机图形学的电镜三维显微技术是当前最为前沿的电镜技术之一，其应用领域广泛，将在科学研究中发挥重要作用，是图形学、生物医学等领域相互融合的产物，给生命科学领域的研究带来了新的思路和突破。

未来，我们期待这一技术能够成为生命科学研究的有力武器，为人类健康事业和科技创新发展作出重要贡献。

利用电子显微镜进行纳米级观察的方法

利用电子显微镜进行纳米级观察的方法电子显微镜是一种非常重要的科学仪器，它可以帮助科学家们观察微观世界中的细小结构和微观现象。

在纳米科学和纳米技术领域，电子显微镜的应用尤为重要。

本文将介绍利用电子显微镜进行纳米级观察的方法。

首先，为了进行纳米级观察，我们需要准备样品。

通常，纳米级观察的样品需要制备成极薄的截面样品。

这可以通过切割、研磨和离子蚀刻等方法来实现。

制备好的样品应该具有平整的表面和透明的特性，以便电子束能够穿透并形成清晰的图像。

接下来，我们需要将样品放入电子显微镜的样品室中。

在样品室中，样品需要保持在真空环境下，以避免电子束与气体分子相互作用而产生散射。

同时，样品还需要通过特殊的支撑物来保持其形状和稳定性。

在样品放置好之后，我们需要调整电子显微镜的参数，以获得最佳的观察效果。

首先是调整电子束的亮度和聚焦，这可以通过控制电子源的电流和电压来实现。

亮度和聚焦的调整将决定图像的清晰度和对比度。

其次是调整样品和检测器之间的距离，以确保电子束能够正确地聚焦在样品上。

当所有参数调整完毕后，我们可以开始进行纳米级观察了。

在观察过程中，电子束会与样品相互作用，并产生信号。

这些信号可以分为两类：散射电子和透射电子。

散射电子是由于电子束与样品中的原子和分子发生散射而产生的，它们提供了关于样品表面的信息。

透射电子是穿透样品并被探测器接收的电子，它们提供了关于样品内部结构的信息。

通过收集和分析这些信号，我们可以获得关于样品的详细信息。

例如，通过分析散射电子的能谱，我们可以确定样品的化学成分和晶体结构。

通过分析透射电子的强度和相位信息，我们可以获得样品的形貌和结构特征。

除了传统的透射电子显微镜，近年来还出现了一种新型的电子显微镜技术，即扫描透射电子显微镜（STEM）。

与传统的透射电子显微镜相比，STEM具有更高的空间分辨率和更强的信号探测能力。

它可以通过探测散射电子、透射电子和能量散射谱等多种信号来提供更为详细的样品信息。

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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
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(Scanning Electron 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 from Motion,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。