一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法及系统，该方法通过3D扫描设备获取多曲面样品几何表面空间点云数据，并选取样品需要分析区域的空间点云数据，通过空间坐标系转换，将上述点云数据转换为基于扫描电镜空间坐标系的点云数据，根据样品分析需求将转换后的点云数据转换为扫描电镜控制指令，使扫描电镜依据指令快速完成多曲面样品扫描分析；该系统主要包括样品3D模块、空间坐标转换模块、扫描轨迹计算模块及扫描电镜控制模块等。本发明专利技术依据3D扫描后获取的不规则多曲面样品几何表面空间点云数据，可控制扫描电镜自动、快速地完成样品的分析工作，从而有效缩短了复杂表面样品分析时间，减轻工作强度，提高生产效率。

A scanning electron microscope automatic scanning method and system based on 3D point cloud

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法及系统
本专利技术属于扫描电子显微镜自动扫描
，涉及一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法及系统，具体涉及一种基于3D扫描获取的多曲面（或不规则）样品几何表面点云的扫描电子显微镜自动、快速扫描方法与系统。
技术介绍
扫描电子显微镜作为精密分析仪器，在金属、地质、新能源、半导体等领域中的作用日渐突出，扫描电子显微镜主要用于分析样品表面微观组织结构、成分等信息。对于表面平整的样品，扫描电子显微镜可通过人员操作或自动扫描程序快速完成扫描工作，对于如图1所示的简单有规律的曲面样品，则可通过曲面建模，生成扫描扫描电子显微镜可执行指令，从而使扫描电子显微镜根据指令自动完成分析工作。但是在实际的研发、生产中，存在大量如图2所示的不规则多曲面样品，例如金属或非金属部件断口、异形零部件，多孔结构、天然矿石等。由于这些不规则多曲面样品的表面结构复杂、无规律，从而无法进行建模，因此对于此类样品，就需要经过专业操作培训，并具有一定操作经验的扫描电子显微镜工作人员，根据样品表面几何形貌以及需要分析的区域，手动调整样品的移动与旋转，以及扫描电子显微镜相关参数（加速电压、探针电流、工作距离等），不仅分析时间长，工作强度大，而且无法避免人为因素导致的分析误差。总的来说，扫描电子显微镜自动化采集分析样品信息是提高研发效率，缩短实验周期，降低研发成本，融入工业自动化的最有效途径之一，特别是对于不规则，多曲面几何表面样品。因此对于多曲面不规则几何表面样品，目前急需一种可以通过预先获取样品表面空间数据，然后根据空间数据生成扫描电子显微镜工作指令，从而自动完成样品分析工作的方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供了一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法及系统，以缩短多曲面不规则几何表面样品的扫描时间，减轻分析时的工作强度，避免人为因素导致的分析误差等。为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，包括以下步骤：步骤1）将样品固定在带有标记点的样品台上；步骤2）通过3D扫描设备获取载有样品的样品台的全部3D扫描空间数据；步骤3）在获取到的涵盖整个样品及样品台的3D扫描空间数据中，选取样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据，以提高数据处理效率；由于获取的3D扫描空间数据包含的内容多，数据量大，根据样品分析需求，选取需要分析区域的3D扫描空间点云数据，主要为包含所需分析区域几何表面的3D扫描空间坐标的数据，即X，Y，Z三维空间坐标；需要分析区域的3D扫描空间点云数据的选取可通过3D扫描设备自有软件实现，也可通过脚本语言（如python）实现；步骤4）将载有样品的样品台放入扫描电子显微镜中，通过空间坐标系转换，将选取的样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据转换为基于扫描电镜空间坐标系的点云数据；步骤5）根据样品分析需求，从转换后的基于扫描电镜空间坐标系的点云数据中抓取对应数据，并生成相应的扫描电子显微镜可执行指令；步骤6）将扫描电子显微镜可执行指令分别传输给样品台和扫描电子显微镜成像系统，样品台和扫描电子显微镜成像系统根据收到的可执行指令协同工作，配合完成样品的扫描成像和分析工作。进一步的，步骤2）中，所述样品台上预先设置有若干标记点，所述3D扫描空间数据中亦包含有这些标记点的3D扫描空间数据，标记点的3D扫描空间数据主要用于3D扫描空间坐标与扫描电子显微镜空间坐标转换的参照。进一步的，步骤4）中点云数据的转换包括以下步骤：步骤4.1）依据标记点在3D扫描空间坐标系中的空间坐标和在扫描电镜空间坐标系中的空间坐标，计算空间坐标转换矩阵；步骤4.2）依据计算出的空间坐标转换矩阵，将选取的样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据转换为基于扫描电镜空间坐标系的点云数据。进一步的，步骤4.1）中，标记点在3D扫描空间坐标系中的空间坐标的计算方法为，选取样品台上的一个标记点，标记点的上表面预先设置有一个圆心点和多个同心的圆形凹槽，通过选取同一圆形凹槽上的多个（大于等于3个）位置点的3D扫描空间数据来计算该标记点圆心点的3D扫描空间坐标，并将其作为该标记点在3D扫描空间坐标系中的空间坐标；标记点在扫描电镜空间坐标系中的空间坐标的计算方法为，将载有样品的样品台被放入扫描电子显微镜后，由扫描电子显微镜读取出标记点上同一圆形凹槽上的多个（大于等于3个）位置点的扫描电子显微镜空间数据来计算该标记点圆心点的扫描电子显微镜空间坐标，并将其作为该标记点扫描电镜空间坐标系中的空间坐标。进一步的，步骤5）中样品台可执行指令和扫描电子显微镜可执行指令的生成包括以下步骤：步骤5.1）根据扫描需求，计算扫描路径；步骤5.2）根据计算出的扫描路径，从转换后的基于扫描电镜空间坐标系的点云数据中抓取出对应扫描路径的数据；步骤5.3）根据抓取到的对应扫描路径的点云数据生成扫描电子显微镜可执行指令。进一步的，步骤5.1）中，所述的扫描需求包括包括扫描区域尺寸、扫描区域位置、放大倍数等。进一步的，步骤5.3）中，所述的扫描电子显微镜可执行指令中所包含样品台的运动参数以及描电子显微镜的工作距离、工作电压、探针电流参数。一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描系统，包括样品台、扫描电子显微镜、3D扫描设备、样品3D模块、空间坐标转换模块、扫描轨迹计算模块和扫描电镜控制模块；所述3D扫描设备与所述样品3D模块连接，所述样品3D模块与所述空间坐标转换模块连接，所述空间坐标转换模块与所述扫描轨迹计算模块，所述扫描轨迹计算模块与所述扫描电镜控制模块，所述扫描电镜控制模块分别与所述样品台和所述扫描电子显微镜，所述扫描电子显微镜与所述空间坐标转换模块连接，且所述样品台上预置有若干标记点；其中，所述样品台，用于承载并固定待分析的样品，并根据接收到的样品台可执行指令进行移动，以保证样品上需要扫描电子显微镜分析的区域处于所述扫描电子显微镜的扫描电子束下方；所述标记点分别在3D扫描空间坐标系和扫描电镜空间坐标系中的空间坐标，用于3D扫描空间坐标与扫描电子显微镜空间坐标转换的参照；所述扫描电子显微镜，具有开放的编程接口，用于根据接收到的扫描电子显微镜可执行指令进行样品扫描成像并分析；所述3D扫描设备，用于扫描带有样品的所述样品台，以获取涵盖整个样品及所述样品台的3D扫描空间数据，可以采用固定式高精度扫描仪；所述样品3D模块，用于根据所述3D扫描设备获取到的涵盖整个样品及所述样品台的3D扫描空间数据，选取样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据；所述空间坐标转换模块，用于计算标记点分别在3D扫描空间坐标系和扫描电镜空间坐标系中的空间坐标，并根据标记点分别在3D扫描空间坐标系和扫描电镜空间坐标系中的空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1）将样品固定在带有标记点的样品台上；/n步骤2）通过3D扫描设备获取载有样品的样品台的全部3D扫描空间数据；/n步骤3）在获取到的涵盖整个样品及样品台的3D扫描空间数据中，选取样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据，所述的3D扫描空间点云数据为包含所需分析区域几何表面的3D扫描空间坐标的数据，即X，Y，Z三维空间坐标；/n步骤4）通过空间坐标系转换，将选取的样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据转换为基于扫描电镜空间坐标系的点云数据；/n步骤5）根据样品分析需求，从转换后的基于扫描电镜空间坐标系的点云数据中抓取对应数据，并生成相应的扫描电子显微镜可执行指令；/n步骤6）将扫描电子显微镜可执行指令分别传输给样品台和扫描电子显微镜成像系统，样品台和扫描电子显微镜成像系统根据收到的可执行指令协同工作，配合完成样品的扫描成像和分析工作。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）将样品固定在带有标记点的样品台上；
步骤2）通过3D扫描设备获取载有样品的样品台的全部3D扫描空间数据；
步骤3）在获取到的涵盖整个样品及样品台的3D扫描空间数据中，选取样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据，所述的3D扫描空间点云数据为包含所需分析区域几何表面的3D扫描空间坐标的数据，即X，Y，Z三维空间坐标；
步骤4）通过空间坐标系转换，将选取的样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据转换为基于扫描电镜空间坐标系的点云数据；
步骤5）根据样品分析需求，从转换后的基于扫描电镜空间坐标系的点云数据中抓取对应数据，并生成相应的扫描电子显微镜可执行指令；
步骤6）将扫描电子显微镜可执行指令分别传输给样品台和扫描电子显微镜成像系统，样品台和扫描电子显微镜成像系统根据收到的可执行指令协同工作，配合完成样品的扫描成像和分析工作。


2.根据权利要求1所述的基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，其特征在于：步骤2）中，所述样品台上预先设置有若干标记点，所述3D扫描空间数据中亦包含有这些标记点的3D扫描空间数据，标记点的3D扫描空间数据主要用于3D扫描空间坐标与扫描电子显微镜空间坐标转换的参照。


3.根据权利要求2所述的基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，其特征在于，步骤4）中点云数据的转换包括以下步骤：
步骤4.1）依据标记点在3D扫描空间坐标系中的空间坐标和在扫描电镜空间坐标系中的空间坐标，计算空间坐标转换矩阵；
步骤4.2）依据计算出的空间坐标转换矩阵，将选取的样品上需要扫描电子显微镜分析的区域的3D扫描空间点云数据转换为基于扫描电镜空间坐标系的点云数据。


4.根据权利要求3所述的基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，其特征在于：步骤4.1）中，标记点在3D扫描空间坐标系中的空间坐标的计算方法为，选取样品台上的一个标记点，标记点的上表面预先设置有一个圆心点和多个同心的圆形凹槽，通过选取同一圆形凹槽上的多个位置点的3D扫描空间数据来计算该标记点圆心点的3D扫描空间坐标，并将其作为该标记点在3D扫描空间坐标系中的空间坐标；
标记点在扫描电镜空间坐标系中的空间坐标的计算方法为，将载有样品的样品台被放入扫描电子显微镜后，由扫描电子显微镜读取出标记点上同一圆形凹槽上的多个位置点的扫描电子显微镜空间数据来计算该标记点圆心点的扫描电子显微镜空间坐标，并将其作为该标记点扫描电镜空间坐标系中的空间坐标。


5.根据权利要求1所述的基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，其特征在于，步骤5）中样品台可执行指令和扫描电子显微镜可执行指令的生成包括以下步骤：
步骤5.1）根据扫描需求，计算扫描路径；
步骤5.2）根据计算出的扫描路径，从转换后的基于扫描电镜空间坐标系的点云数据中抓取出对应扫描路径的数据；
步骤5.3）根据抓取到的对应扫描路径的点云数据生成扫描电子显微镜可执行指令。


6.根据权利要求5所述的基于3D点云的扫描电子显微镜自动扫描方法，其特征在于：步骤5.1）中，所述的扫描需求包括包括扫描区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘熙，李高洁，张传杰，樊丽丽，
申请(专利权)人：复纳科学仪器上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31