基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法技术

本发明专利技术以若干不同标准厚度薄膜的荧光照片作为样本，基于多项式并考虑荧光成像区域的光学特性，建立薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，构建标定系数方程组并求解，使用统计学方法减小随机误差，得到标定系数表。拍摄待测薄膜的荧光照片，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单元对应的薄膜厚度。通过再次测量标准厚度薄膜，得到测量误差分布情况，对标定系数与测量值进行校正，可显著减小由非线性、荧光成像区域光学特性以及荧光强度随机性带来的测量误差，能有效提高荧光染色薄膜厚度的测量精度以及量程。

【技术实现步骤摘要】
基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法
本专利技术涉及测量标定
，具体涉及一种基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法。
技术介绍
荧光染色薄膜厚度测量技术是一种通过激发诱导荧光成像，测量透明荧光染色薄膜厚度的技术，可用于测量液体和固体薄膜的厚度，如测量结构间隙的高度、表面凹槽的深度以及LED荧光薄膜厚度等，在机械、电子、生物等行业中均有应用。为定量测量薄膜厚度，需要通过标定得到薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，确定关系式中各项标定系数，进而可由荧光强度计算出薄膜厚度。然而，在实际的测量过程中，荧光强度与薄膜厚度之间的非线性关系、荧光成像区域的光学特性、以及荧光强度的随机性等均会造成测量误差，使常规荧光厚度测量技术的量程受到限制，精度难以保证。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，能够显著减小由非线性、荧光成像区域光学特性以及荧光强度随机性带来的误差，能有效提高荧光染色薄膜厚度的测量精度以及量程。本专利技术的一种基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，以若干不同标准厚度薄膜的荧光照片作为样本，基于多项式并考虑荧光成像区域的光学特性，建立薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，构建标定系数方程组并求解，使用统计学方法减小随机误差，得到标定系数表；拍摄待测薄膜的荧光照片，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单元对应的薄膜厚度；通过再次测量标准厚度薄膜，得到测量误差分布情况，对标定系数与测量值进行校正；使用校正过的计算公式，重新计算薄膜厚度作为最终厚度。其中，所建立的薄膜厚度与荧光强度之间的关系式为：其中，i、j分别为像素单元所在行和列的编号；n为基函数阶次的编号，n＝0,1,2…N；N为基函数的总阶数；k为图片编号，k＝1,2,3…K；K为图片总数；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的薄膜厚度；为第i行、第j列像素单元对应的第n阶标定系数；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的第n阶基函数，其表达式为：其中，Np为考虑使用的多项式的阶数；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的荧光强度；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的第(n-Np+1)阶荧光成像区域对应的像素单元的荧光强度之和，其表达式为：其中，r为荧光成像区域阶次的编号。其中，使用分组平均拟合法时，构建标定系数线性方程组为：其中，m为图片分组编号，m＝1,2,3…M；M为图片总组数；为第m组第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的第n阶基函数项；为第m组图片的第i行、第j列像素单元对应的第n阶标定系数；为第m组第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的薄膜厚度；此时要求K＝N+1；求解标定系数线性方程组，对各个样本组得到的标定系数计算均值如下：其中，使用最小二乘法得到标定系数时，对每张图片的某一像素单元，构建标定系数线性方程组为：其中，要求K>N。其中，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单元对应的薄膜厚度为：其中，s为用于校正的图片编号,s＝1,2,3…S；S为用于校正的图片总数；为第s张图片的第i行、第j列像素单元对应的待校正的厚度测量值；为第s张图片的第i行、第j列像素单元对应的第n阶基函数。其中，使用校正过的计算公式，计算薄膜厚度如下：其中，为第i行、第j列像素单元对应的第n阶校正系数；ht为公式校正厚度阈值；href为公式校正厚度参考值；为第s张图片的第i行、第j列像素单元对应的校正后的厚度测量值。其中，通过再次测量标准厚度薄膜，得到测量误差分布情况，对标定系数与测量值进行校正，过程具体如下：步骤S201：拍摄若干不同标准厚度薄膜的荧光照片，总数为S；步骤S202:使用标定系数表，根据薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算每一像素单元对应薄膜厚度测量值：步骤S203:计算绝对误差与相对误差值如下：其中，为第s张图片的第i行、第j列像素单元对应的测量误差；为第s张图片的第i行、第j列像素单元对应的相对测量误差；步骤S204:计算使用当前标定系数表进行测量的平均偏差和标准偏差：其中，为第i行、第j列像素单元对应的测量平均偏差；σi,j为第i行、第j列像素单元对应的测量标准偏差；步骤S205:根据误差分布情况，引入并调整校正系数与校正函数参数，对标定系数和测量值进行校正；步骤S206:重复执行步骤S201-步骤S204，直到误差指标满足要求；步骤S207：校正后，实际应用计算薄膜厚度值如下：其中，为待测图片的第i行、第j列像素单元对应的n阶基函数；为待测图片的第i行、第j列像素单元对应的待校正的薄膜厚度测量值；为待测图片的第i行、第j列像素单元对应的校正后的最终的薄膜厚度测量值。其中，用于采用荧光成像系统测量经荧光染色的液体或固体薄膜厚度时的标定。其中，拍摄若干不同标准厚度薄膜的荧光照片时，对焦在薄膜基准面。有益效果：本专利技术以若干不同标准厚度薄膜的荧光照片作为样本，基于多项式并考虑荧光成像区域的光学特性，建立薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，构建标定系数方程组并求解，使用统计学方法减小随机误差，得到标定系数表。拍摄待测薄膜的荧光照片，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单元对应的薄膜厚度。通过再次测量标准厚度薄膜，得到测量误差分布情况，对标定系数与测量值进行校正，可显著减小由非线性、荧光成像区域光学特性以及荧光强度随机性带来的测量误差，能有效提高荧光染色薄膜厚度的测量精度以及量程。附图说明图1为本专利技术基于多重修正、使用分组平均法的荧光染色薄膜厚度测量标定流程图；图2为本专利技术基于多重修正、使用最小二乘法的染色薄膜厚度测量标定流程图；图3为本专利技术荧光成像区域与像素单元对应示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种适用于采用荧光成像系统测量经荧光染色的液体或固体薄膜厚度时的标定。综合考虑荧光强度非线性、荧光成像区域的光学特性和随机性，使用多重修正与误差校正方法，以若干不同标准厚度薄膜的荧光照片作为样本，基于多项式并考虑荧光成像区域光学特性，建立薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，构建标定系数方程组并求解，使用统计学方法减小随机误差，得到标定系数表；对于待测薄膜的荧光照片，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单元对应的薄膜厚度；通过再次测量标准厚度薄膜，可得到测量精度与误差分布情况，并对标定系数进行校正，以此实现较高精度与较大量程的薄膜厚度测量。本专利技术的具体实施步骤如下：选定基函数空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，其特征在于，以若干不同标准厚度薄膜的荧光照片作为样本，基于多项式并考虑荧光成像区域的光学特性，建立薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，构建标定系数方程组并求解，使用统计学方法减小随机误差，得到标定系数表；/n拍摄待测薄膜的荧光照片，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单元对应的薄膜厚度；/n通过再次测量标准厚度薄膜，得到测量误差分布情况，对标定系数与测量值进行校正；/n使用校正过的计算公式，重新计算薄膜厚度作为最终厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，其特征在于，以若干不同标准厚度薄膜的荧光照片作为样本，基于多项式并考虑荧光成像区域的光学特性，建立薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，构建标定系数方程组并求解，使用统计学方法减小随机误差，得到标定系数表；
拍摄待测薄膜的荧光照片，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单元对应的薄膜厚度；
通过再次测量标准厚度薄膜，得到测量误差分布情况，对标定系数与测量值进行校正；
使用校正过的计算公式，重新计算薄膜厚度作为最终厚度。


2.如权利要求1所述的基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，其特征在于，所建立的薄膜厚度与荧光强度之间的关系式为：



其中，i、j分别为像素单元所在行和列的编号；n为基函数阶次的编号，n＝0,1,2…N；N为基函数的总阶数；k为图片编号，k＝1,2,3…K；K为图片总数；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的薄膜厚度；为第i行、第j列像素单元对应的第n阶标定系数；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的第n阶基函数，其表达式为：



其中，Np为考虑使用的多项式的阶数；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的荧光强度；为第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的第(n-Np+1)阶荧光成像区域对应的像素单元的荧光强度之和，其表达式为：



其中，r为荧光成像区域阶次的编号。


3.如权利要求2所述的基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，其特征在于，使用分组平均拟合法时，构建标定系数线性方程组为：



其中，m为图片分组编号，m＝1,2,3…M；M为图片总组数；为第m组第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的第n阶基函数项；为第m组图片的第i行、第j列像素单元对应的第n阶标定系数；为第m组第k张图片的第i行、第j列像素单元对应的薄膜厚度；此时要求K＝N+1；
求解标定系数线性方程组，对各个样本组得到的标定系数计算均值如下：





4.如权利要求2所述的基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，其特征在于，使用最小二乘法得到标定系数时，对每张图片的某一像素单元，构建标定系数线性方程组为：



其中，要求K>N。


5.如权利要求1-4任意一项所述的基于多重修正的荧光染色薄膜厚度测量标定方法，其特征在于，基于标定系数表以及薄膜厚度与荧光强度之间的关系式，计算得到每一像素单...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文中，陈虹百，梁鹤，赵自强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11