[发明专利]一种基于图像处理的微波近场针-样距控制方法

说明书

一种基于图像处理的微波近场针‑样距控制方法，属于近场微波测量领域。本发明通过将图像转换为数值矩阵并对其进行数学处理的方式，对图像中探针到样品表面的距离(针‑样距)进行识别，在探针移动的过程中，本发明可对针‑样距进行跟踪和修正且修正精度能达到16um。相对传统的激光位移传感器识别方案，本发明提供的针‑样距控制方法极大降低了近场微波测试中的测试成本，满足了对针‑样距控制的低成本、高精度的测试需求。

技术领域

本发明属于近场微波测量领域，具体涉及一种利用图像处理手段对微波近场级距离进行跟踪与修正的方法。

背景技术

微波近场指存在于微波辐射源一个波长以内的空间区域，在近场微波测量领域中，利用薄膜样品在微波场激励下产生的电磁信号来对薄膜样品的特性进行表征是其中极为重要的测试手段，其中对薄膜样品施加激励或者对薄膜样品产生的信号进行采集是其中的关键部分。在进行微波近场测量时，可将探针作为传输媒介对待测薄膜样品施加激励或者采集信号，此时探针终端通常不会与待测薄膜样品直接接触，而是会与薄膜样品保持一定的距离，通过电磁耦合等方式对薄膜样品施加激励或进行检测。若想对薄膜样品的不同区域或者多个薄膜样品进行测试，则需要探针移动到相应的薄膜样品位置上方以进行测试，而由于样品台不是完全水平，在探针或薄膜样品移动后，会使得探针末端到薄膜样品表面的距离(针-样距)产生变化，从而影响实验结果。而微波近场测量中，微波辐射源发射的电磁信号会随距离增加呈指数衰减，因此针-样距的变化误差往往需要控制在百微米以内以确保实验结果的可靠性。

传统的微波近场测试中针-样距的控制方案主要有两种，一是利用CCD相机对探针末端-薄膜样品空间进行放大，以人眼来大致确定针-样距，该方法的问题是定位精度低且无法实现对针-样距的动态追踪；二是通过激光位移传感器确定针-样距，该方法的定位精度高且能够实现针-样距的实时测量，但高精度激光位移传感器价格昂贵且需要一定的安装空间，无法满足小型化、低成本测试设备的需求。

发明内容

为实现高精度且低成本的微波近场针-样距控制，本发明提出一种基于图像处理技术的针-样距控制方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种对微波近场针-样距进行跟踪及修正的方法，其涉及的测量装置为作为微波辐射源的近场微波探针，包括以下步骤：

步骤一：将探针置于待测薄膜样品的上方，探针末端与薄膜表面的距离为当前针-样距L。设定坐标轴，以探针针尖在薄膜样品处的投影为坐标原点O，XOY面为此时的薄膜样品表面，XYZ坐标系符合笛卡尔右手坐标系原则，探针处于Z0一面。在探针左侧，倾斜安装一个照明光源，在光源的照射下，平整的薄膜样品表面会映射出现探针的倒影，利用探针右侧的CCD相机对探针末端及其投影的空间进行拍照，将所得图像传输至电脑端进行处理。

步骤二：以选定两个对角点的方式截取该图像中包括探针与其投影的矩形区域，并在计算机中保留此截取矩阵对角点在图像中的坐标(x₀，y₀)、(x₁，y₁)，利用软件提取该矩形图像的灰度值，并将其转换为数值矩阵的形式：对该数值矩阵求其行平均，得到一个n维的数组该数组中各项数值的大小就反映了截取图像中的明暗程度，即亮度高的区域行平均数值大，亮度低的区域行平均数值小。计算数组c中相邻元素的差分得：其中数组d中最大值d_m＝max(d)与最小值d_n＝min(d)之间下标值的差值q＝m-n就对应了探针末端到其投影尖端的距离，即两倍的针-样距2L。

步骤三：样品移动后，重复步骤一和步骤二，计算出移动后数组d最大值与最小值的下标差值q’，该值对应了样品移动后的两倍针-样距2L’。将q’与q值相减，其差值Δq就对应了样品移动后针-样距变化量ΔL的两倍，即Δq＝q'-q∝2L'-2L＝2ΔL。

步骤四：使样品在垂直方向移动Δq/2所应对的距离ΔL。

相比现有技术，本发明的有益效果为：