椭偏光学显微成像系统中的图像采集及处理技术

　　1　引　　言

　　椭偏光学显微成像是近几年发展起来的一种非接触测量超薄膜分布及表面微细结构的方法[1,2]。它将传统的光学椭偏术、CCD摄像、计算机采样 和图像处理技术相结合,不仅可以测量光波的幅值变化,而且对于相位体所引起的光波的位相变化具有极高的灵敏度。椭偏光学显微成像技术保留了传统椭偏术纵向 分辨率高的特点(达m),同时又具有测量面积大(达数cm2)、取样速度快(对以上像素的图像取样速度每秒达25帧以上)、横向分辨率高(达m量级)和结果直观(全部实验结果以图像形式显示)的特点[3]。

　　本文在考虑椭偏光学显微成像技术及其图像特点的基础上,为提高图像质量和改善图像数据分析的可靠性,提出了扩展图像量化等级法、快速采样—时间积分法和多采样点平均法,并给出相关的实验结果。

　　2　椭偏光学显微成像系统及其图像处理技术

　　2.1　椭偏光学显微成像系统

　　椭偏光学显微成像系统的原理如图1所示[2]。其基本装置为传统的PCSA椭偏仪:即,起偏器—补偿器—样品—检偏器。在此系统中,采用扩展平 行光束代替传统的窄光束,单色偏振光照射样品,样品对入射光波进行调制,使得反射光波中含有样品的信息,通过透镜成像系统在CCD摄像机上成像,CCD摄 像机采集到的模拟信号由视频监视器显示,并进一步经过图像采集卡进行A/D变换形成数字图像文件进入计算机。

　　CCD摄像机产生的电信号与入射到其光敏面上的光强成正比。可以利用椭偏图像分析样品表面的三维形貌及薄膜的厚度分布,也可以分析样品表面的动 态形貌变化和厚度分布变化的规律。分析椭偏图像时,要求原始图像具有良好的成像质量。为此,我们采用扩展图像量化等级法来提高图像纵向分辨率、采用连续抓 取-时间积分法提高图像信噪比来改善图像的质量。同时,采用多采样点平均法降低随机噪声对图像定量分析的影响,提高定量分析的可靠性。

　　2.2　扩展图像量化等级法提高椭偏图像纵向分辨率

　　在椭偏光学显微成像系统中,图像卡对CCD摄像机获取的模拟信号进行数字化处理(即:A/D转换)。数字化过程就是对模拟信号进行采样和量化, 通常采用均匀量化,其量化分层越多,量化误差越小[4]。即图像的纵向分辨率越高,图像包含样品细节的信息就越丰富,从而有利于利用图像对样品进行分析。 该系统中采用了加拿大MatroxElectronic System Ltd.公司的Matrox Pular黑白图像卡,该图像卡在A/D转换时的量化等级可以控制在8bit或10bit。因此,通过扩展图像量化等级可以提高图像的纵向分辨率,把数字 图像量化的灰度级从256(即8bit)提高到1024(即10bit)时,系统的纵向分辨率可提高4倍,同时信噪比保持不变。此方法为显示超薄膜层的表 面分布提供了技术基础。