一种共焦显微系统的信号采集与处理方法

技术领域

本发明涉及一种信号采集与处理方法，属于图像处理技术领域。

背景技术

共焦显微镜具有高信噪比、高轴向分辨率、非接触式等优势，在工业领域常用于样品的形貌测量、芯片缺陷检测等方向，在生物领域常用于对细胞结构及内部组织进行观察；共焦显微镜的数控板卡是保证其正常工作的关键器件，而目前扫描振镜控制卡灵活性和专用性有待提高，通用性数据采集卡资源利用率低。

发明内容

本发明为解决目前扫描振镜控制卡灵活性和专用性有待提高，通用性数据采集卡资源利用率低的问题，进而提出一种共焦显微系统的信号采集与处理方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的步骤包括：

步骤1、加载形貌；

步骤2、采集信息；

步骤3、增强信号；

步骤4、模数转换；

步骤5、重建形貌。

进一步的，步骤1中加载形貌是用激光照射样品表面，产生反射光信号。

进一步的，步骤2中采集信息是利用共焦光学系统采集步骤1中产生的反射光信号，具体步骤为：

步骤201、利用共焦显微系统的程序产生振镜信号的电压值；

步骤202、将产生的值按照一维数组全部输入到FIFO存储器中；

步骤203、FIFO存储器每输出一个电压值，将光电倍增管测量的值输入到另一个FIFO存储器中。

进一步的，步骤3中使用光电倍增管对信号进行增强。

进一步的，步骤4中使用数控板卡进行模数转换，数控板卡接收到光电倍增管增强后的模拟信号后，将其转换为数字信号。

进一步的，步骤5中利用上位机对步骤4中转换后的数字信号进行重建形貌，重建方法为：

步骤501、根据每个采样点对应的轨迹位置，可得到集合P：

P＝{p

其中，p

步骤502、计算顶点位置，得到样品表面形貌的三维坐标，所有形貌点表述为集合Q：

Q＝{q

其中，q

进一步的，步骤2中所使用的采集系统是共焦系统，所述共焦系统由光学系统、电路系统和数控系统组成，其中，光学系统包括激光器、照明针孔、分光镜、扫描振镜和显微物镜组成，电路系统由光电倍增管、信号处理电路和振镜驱动板卡组成，数控系统由数采系统、控制系统、上位机和FPGA组成；激光器、照明针孔、分光镜、扫描振镜和显微物镜依次连接，分光镜通过探测针孔与光电倍增管连接，光电倍增管与信号处理电路连接，信号处理电路与数采系统连接，数采系统通过FPGA与上位机连接，上位机通过FPGA与控制系统连接，控制系统通过振镜驱动板卡与扫描振镜连接。

进一步的，上位机系统采用C#语言编写，右边控制区内可设置控制信号的振幅、频率、周期内扫面点数、扫描行数等参数，左边为显示窗口，可实时显示扫描图像，并能够对数据存储和打开，上位机与下位机通讯方式采用USB2.0的通讯方式。

本发明的有益效果是：1、本发明解决了通用性数据采集卡资源利用率低的问题；

2、本发明能够准确收集样品表面的反射光信号，并对信号进行处理和过滤，保证后续工作的精度；

3、本发明步骤简单，便于实现，且工作效率高；

4、本发明将扫描振镜的控制与数据的同步采集集成化、专用化；同时在分析了共焦显微镜不同二维扫描策略基础上，本发明能够满足任意波形扫描控制与数据同步采集；通过功能验证，本发明能够有效应用在共焦显微镜系统中，实现了不同二维扫描策略下晶圆电路样品的高质量成像。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是点云与面片形貌图；

图3是数控系统板卡总体架构图

图4是共焦系统的结构原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的步骤包括：

步骤1、加载形貌；

步骤2、采集信息；

步骤3、增强信号；

步骤4、模数转换；

步骤5、重建形貌。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的步骤1中加载形貌是用激光照射样品表面，产生反射光信号。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的步骤2中采集信息是利用共焦光学系统采集步骤1中产生的反射光信号，具体步骤为：

步骤201、利用共焦显微系统的程序产生振镜信号的电压值；

步骤202、将产生的值按照一维数组全部输入到FIFO存储器中；

步骤203、FIFO存储器每输出一个电压值，将光电倍增管测量的值输入到另一个FIFO存储器中。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的步骤3中使用光电倍增管对信号进行增强。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的步骤4中使用数控板卡进行模数转换，数控板卡接收到光电倍增管增强后的模拟信号后，将其转换为数字信号。

共焦显微镜系统由激光光源、扫描振镜、扫描透镜、管镜、物镜、探测器、数控板卡组成；其中，数控板卡是实现整个系统中数据采集和振镜控制的关键，需要负责对探测器采集到的信号进行数字化处理和传输，同时还需要实现控制信号的发生和输出；共焦显微镜专用数控板卡需要能够实时控制共焦显微镜的光源、激光器、镜头等部分，同时采集和处理图像数据；的基础数控板卡可输出2路模拟信号用来控制2路扫描振镜，输出1路模拟信号来调节PMT的增益，并具备1路DA采集通道，同时板卡可以与上位机之间进行高速数据传输；共焦显微系统总体架构如图3所示，PC作为上位机发送指令控制和处理采集到的数据，下位机以FPGA为核心；

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的步骤5中利用上位机对步骤4中转换后的数字信号进行重建形貌，重建方法为：

步骤501、根据每个采样点对应的轨迹位置，可得到集合P：

P＝{p

其中，p

步骤502、计算顶点位置，得到样品表面形貌的三维坐标，所有形貌点表述为集合Q：

Q＝{q

其中，q

当样品形貌通过三维方式显示时，可使用点云图或面片图作为显示效果，并用颜色区分每点的高度值。当用面片显示时，需要先筛选所有点的邻近点集合，然后按三点法连接围成一个面片，多个面片形成样品的形貌，此时也可用高度值映射为面片的颜色，以实现更好的显示结果；

当样品形貌通过二维方式显示时，可使用高度图作为显示效果。与三维显示不同，二维显示以像素为基本单元，若使用光栅式扫描则可较容易地实现采样点和像素点的对应；若使用圆周扫描或其他任意轨迹的扫描，由于采样点难以对应到整齐排列的像素点中，则需要通过重采样的方式生成二维图像；

为适应二维显示方式，可使用三角插值或径向基插值等方法从离散无序的三维点云数据生成网格排列的三维数据，点的X、Y值映射为像素的行列坐标，再将Z值通过伪色彩转换映射为像素强度值，由此便可得到样品形貌的二维高度图。三角插值法在生成插值数据前，根据搜索邻近的三个点生成三角面片，插值点的Z向数值落于该面片上，该方法的优势是重构速度快。径向基插值法是将插值位置邻域内的点到插值位置的距离作为权重，以三次插值或多边形规则计算插值点的Z值，该方法的优点是插值较为准确。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的步骤2中所使用的采集系统是共焦系统，所述共焦系统由光学系统、电路系统和数控系统组成，其中，光学系统包括激光器、照明针孔、分光镜、扫描振镜和显微物镜组成，电路系统由光电倍增管、信号处理电路和振镜驱动板卡组成，数控系统由数采系统、控制系统、上位机和FPGA组成；激光器、照明针孔、分光镜、扫描振镜和显微物镜依次连接，分光镜通过探测针孔与光电倍增管连接，光电倍增管与信号处理电路连接，信号处理电路与数采系统连接，数采系统通过FPGA与上位机连接，上位机通过FPGA与控制系统连接，控制系统通过振镜驱动板卡与扫描振镜连接。

具体实施方式八：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种共焦显微系统的信号采集与处理方法的上位机系统采用C#语言编写，右边控制区内可设置控制信号的振幅、频率、周期内扫面点数、扫描行数等参数，左边为显示窗口，可实时显示扫描图像，并能够对数据存储和打开，上位机与下位机通讯方式采用USB2.0的通讯方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。