CN100342400C - 检测复图像之间的差别的***和方法 - Google Patents

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CN100342400C CNB038248700A CN03824870A CN100342400C CN 100342400 C CN100342400 C CN 100342400C CN B038248700 A CNB038248700 A CN B038248700A CN 03824870 A CN03824870 A CN 03824870A CN 100342400 C CN100342400 C CN 100342400C
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Abstract

公开了一种用来检测复图像之间的差别的***和方法。所述方法包括获取一个第一复图像和一个第二复图像并确定第一与第二复图像之间是否存在像差值的差别。通过用一个像差函数迭代修改第一复图像和在高频范围将经修改的第一复图像与第二复图像相比较来校正像差值的差别。所述方法还通过低频比修改第二复图像以将第二复图像的低频分量用第一图像的低频分量代替来确定经修改的第一复图像是否与第二复图像匹配。然后，将经修改的第一复图像的高频分量与经修改的第二复图像的高频分量相比较，以确定第一复图像是否与第二复图像匹配。

Description

检测复图像之间的差别的***和方法
发明的技术领域
本发明总体涉及图像处理领域，更具体地说，涉及用于检测复图像(complex image)之间的差别的***和方法。
发明背景
在一个直接数字式全息***中，可以从高度相似物体得到全息图。对全息图的串行处理允许比较物体的实际图像波。这些图像波与传统的非全息图像相比明显含有更多的物体的小的和大的细节信息，因为在全息图内保持了图像的相位信息，而在传统的图像内没有保持图像的相位信息。
为了发现高度相似的物体的细微差别，重要的是要将全息***保持在一个稳定的状态。然而，在获取与高度相似的物体关联的全息图之间的这段时间，***内可能会出现一些小的变化。由于物体可能没有精确地以相同方式安置在不同的位置，例如物体可能在不同的位置处在不同的焦距，所以也可能出现其他变化。***特有的变化和与位置相关的改变可以引起在确定这些物体之间是否存在差别时出现伪像(artifact)(例如，假的差别或虚拟差别)。如果没有出现***特有的变化和/或与位置相关的变化，则所测量的差别会清楚地反映物体之间的实际差别。
在诸如半导体晶片的缺陷检验之类的一些应用中，可以用全息***从被认为是相同的物体上的不同位置获得多个图像。虽然处在不同位置的物体可能高度相似，但在每个位置的像差值，例如焦距可以不同，因此从不同的位置得到的图像可能看起来是不同的。在传统的图像获取***中，可以从物体上一个位置得到一个图像。然后，***移动到物体上另一个包括一个具有大致相同特征的图像的位置。***在第二位置获得一个图像，再确定第一与第二图像之间焦距值之差。如果两个图像之间的焦距值不同，***就将与第二图像关联的焦距值调整到与第一图像关联的焦距值接近匹配，再用经调整的焦距值获取第二图像。这个过程需要两倍以上的时间从第二位置得到图像，从而增大了与从一个物体得到多个图像相关的成本。
全息图像与实像不同，因为全息图像含有强度和相位信息，而实像只含有强度信息。全息成像中附加的相位信息增添了一个新的复维，还增添了新的超过标准图像处理工具的可能和能力。例如，波阵面匹配能力对于强度图像(例如实像)没有多少价值，而对于图像波(例如复图像)却是重要的，因为它们考虑了强度图像内不存在的图像波中的相位。
复图像与实像相似，包括高频部分和低频部分。通常，图像的实际差别将发生在图像的高频分量内。然而，任何与位置相关的改变或***特有的改变可以在图像的高频分量和低频分量内引起假的差别或虚拟的差别。在一些复图像中，两个不同图像的低频部分可以由于诸如微小的空气湍流之类的***特有的细微变化而不同。低频差别可以引起图像之间的假的差别，使得***不能准确地确定图像之间的实际高频差别。
在标准图像处理中，可以对两个图像应用傅里叶滤波器，再用一个低通滤波器来得到两个图像的低频部分。然后，可以用逆傅里叶滤波器将图像变换回时域，以便可以比较所述两个图像。然而，由于在图像波内包含附加的相位信息，所以这种解决方案并没有除去复图像的低频部分。
发明概要
按照本发明的教导可以大大减少或消除与图像之间的差别关联的缺点和问题。在一个具体实施例中，用于检测复图像之间的差别的方法包括通过用一个像差函数修改第一复图像来校正像差值的差别，再将经修改的图像与第二复图像相比较，从而使复图像之间在高频范围的差别降至最小。
按照本发明的一个实施例，用于检测图像之间的差别的方法包括获取第一复图像和第二复图像以及将一个低通滤波器应用于第一与第二复图像之比以得到一个低频比。第二复图像通过低频比加以修改，以将第二复图像的低频分量用第一复图像的低频分量代替。然后，将经修改的复图像与第一复图像相比较，以确定第二复图像是否与第一复图像匹配。
按照本发明的另一个实施例，用于检测图像之间的差别的***包括用来获取第一复图像和第二复图像的数字记录器和连接到该数字记录器的处理资源。处理资源将一个低通滤波器应用于第一与第二复图像之比，以得到一个低频比。第二复图像通过低频比加以修改，以将第二复图像的低频分量用第一复图像的低频分量代替。然后，将经修改的复图像与第一复图像相比较，以确定第二复图像是否与第一复图像匹配。
按照本发明的又一个实施例，用于检测复图像之间的差别的方法包括获取具有相似特征的第一复图像和第二复图像以及从一个预期的像差范围内为第一复图像选择多个像差值。为每个像差值计算一个像差函数，并用每个像差函数迭代修改第一复图像。将经修改的复图像与第二复图像相比较，并通过选择使经修改的复图像与第二复图像之间的差别最小的像差值来确定一个像差校正值。
按照本发明的另一个实施例，用于检测复图像之间的差别的***包括用来获取具有相似特征的第一复图像和第二复图像的数字记录器和连接到该数字记录器的处理资源。处理资源从一个预期的像差范围内为第一复图像选择多个像差值，并为每个像差值计算一个像差函数。用每个像差函数迭代修改第一复图像，并将经修改的复图像与第二复图像相比较。处理资源通过选择使经修改的复图像与第二复图像之间的差别最小的像差值来确定一个像差校正值。
按照本发明的另一个实施例，用于检测复图像之间的差别的方法包括获取具有相似特征的第一复图像和第二复图像以及确定在第一和第二复图像之间是否存在像差值的差别。通过用一个像差函数迭代修改第一复图像和在高频范围将经修改的第一复图像与第二复图像相比较来校正像差值的差别。该方法还通过低频比修改第二复图像以将第二复图像的低频分量用第一复图像的低频分量代替来确定经修改的第一复图像是否与第二复图像匹配。然后，将经修改的第一复图像的高频分量与经修改的第二复图像的高频分量相比较，以确定第一复图像是否与第二复图像匹配。
本发明的一些实施例的重要技术优点包括减少从一个物体获取多个图像所需要的时间量的直接数字式***。在一些应用中，该***可以用来从物体上的不同位置获取图像。与各个所获取的图像关联的像差值可以是不同的。该***用与一个第二图像关联的像差值来调整第一图像，而不是再获取一个具有经调整的像差值的图像。
本发明的某些实施例的另一个重要技术优点包括从一个所获取的图像中消除伪像的直接数字式全息***。在该***内可能在获取第一图像与获取第二图像的时间之间出现微小的变化。这些微小的变化通常出现在所获取的图像的低频分量中。该***将一个低通滤波器应用于两个所获取的图像之比，再将其中一个图像乘以这个比以从图像比较中消除低频分量。因此，只是比较图像的高频分量，这使该***可以精确地确定在两个图像之间是否存在真实的差别。
在本发明的各种实施例中可能呈现所有这些技术优点、其中一些优点或没有呈现这些优点。对于本领域的技术人员来说，从以下附图、说明书和权利要求书中将容易清楚地看到本发明的其他技术优点。
附图简述
通过参考以下结合附图所作的说明中可以更全面地了解本发明及其优点，在这些附图中，同样的附图标记表示同样的特征部件，其中：
图1说明按照本发明的教导的直接数字式全息***的示意图；
图2说明按照本发明的教导的另一个直接数字式全息***的示意图；
图3说明通过一个直接数字式全息***得到的两个复图像和按照本发明的教导确定和应用一个像差校正值后得到的图像；
图4说明通过一个直接数字式全息***在不对全息***的变化引起的伪像进行补偿的情况下得到的一个复图像；
图5说明图4的复图像在按照本发明的教导消除了伪像后的情况；以及
图6说明按照本发明的教导用于检测复图像之间的差别的方法的流程图。
详细说明
通过参考图1至6可以最好地理解本发明的优选实施例及其优点，其中同样的附图标记用来表示相似的和相应的部分。
以下的本发明总体涉及数字全息成像***和应用，数字全息成像***和应用如下列所述：标题为“Direct-to-Digital Holography andHolovision(直接数字式全息术和全息电视)”的美国专利No.6,078,392、标题为“Acquisition and Replay Systems forDirect-to-Digital Holography and Holovision(直接数字式全息术和全息电视的采集和重放***)”的美国专利No.6,525,821、标题为“System and Method for Correlated Noise Removal in ComplexImaging Systems(用于消除复成像***内相关噪声的***和方法)”的美国专利申请序列No.09/949,266和标题为“System and Methodfor Registering Complex Images(用于注册复图像的***和方法)”的美国专利申请序列No.09/949,423，所有这些在这里并入作为参考。
图1说明直接数字式全息***10的示意图。***10包括激光器12、光束扩展器/空间滤波器14、透镜16、分束器18、目标20、聚焦透镜22和反射镜24。在所示的实施例中，激光器12将一个光束射向扩展器/滤波器14，经扩展/滤波的光通过透镜16行进到分束器18。分束器18可以是任何一种可以使一部分光束透射和一部分光束反射的光学元件。在一个实施例中，分束器18可以是一个50/50分束器，其中使一个光束中大约百分之五十(50％)反射和大约百分之五十(50％)透射。在其他实施例中，分束器18可以反射和/或透射任何适当百分比的光。分束器18可以包括但不局限于立方体分束器和平板分束器。
由分束器反射的经扩展/滤波的光构成向目标20行进的目标光束26。在一个实施例中，目标20可以是一个用硅、锗或任何含有族III和/或族V的元素的化合物制造的电子器件。在另一个实施例中，目标20可以是一个包括在衬底上形成的图案的光掩膜或分划板。在其他实施例中，目标20可以是任何一个可以产生复图像的物体、组件或元件。从目标20反射的光的一部分然后通过分束器18并向聚焦透镜22行进。聚焦透镜22可以用来将目标20聚焦到数字记录器(未明确示出)的焦平面上。聚焦透镜22还可以按需要通过使用不同焦距的透镜和调整相应的空间几何结构(例如物距与像距的比)进行放大或缩小。经聚焦的光然后行进到数字记录器上。在一个实施例中，数字记录器可以是一个高分辨率电荷耦合器件(CCD)摄像机，它可以记录和重放从目标20获得的全息图。数字记录器还可以与一个包括处理资源的计算机(未明确示出)接口。在一个实施例中，处理资源可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)或任何配置成处理信息的其他数字电路中的一个或组合。
来自透镜16的光的通过分束器18透射的部分构成基准光束28。基准光束28以一个小的角度从基准反射镜24反射。从基准反射镜24反射的基准光束然后向分束器18行进。基准光束的由分束器18反射的反射部分然后向聚焦透镜22行进。来自聚焦透镜22的基准光束然后行进到数字记录器上。来自聚焦透镜22的物光束和基准光束一起组成形成一个全息图的多个同时的基准和物体光波30。
***10可以采用“迈克耳孙”几何结构(例如，分束器18、基准光束反射镜24和数字记录器的几何关系与迈克耳孙干涉仪几何结构相似)。这种几何结构使基准光束和物光束在聚焦透镜22处能以一个非常小的角度合并。例如，基准反射镜24可以倾斜以产生引起用于对全息图进行傅里叶分析的空间外差或边带条纹的小角度。
图2说明直接数字式全息***40的另一个示例实施例的示意图。***40包括激光器12、可变衰减器42、可变分束器44、目标臂、基准臂、光束组合器54和数字记录器56。目标臂可以包括目标光束扩展器46、目标分束器48、目标物镜50、目标20和目标筒内透镜52。基准臂可以包括基准光束扩展器58、基准分束器60、基准物镜62、基准反射镜24和基准筒内透镜64。在所示的实施例中，激光器12将一个光束射向可变衰减器42，并且经衰减的光行进到可变分束器44。可变分束器44可以是一个透射光束的一部分和反射光束的另一部分的光学元件。在所示的实施例中，可变分束器44将光束分成目标光束66和基准光束68。
还是参考图2，目标光束66被引导通过目标光束扩展器46朝向目标分束器48，目标分束器48将目标光束66的一部分朝目标物镜50反射。所反射的目标光束于是与目标20相互作用，并通过目标物镜50传回。目标分束器48将从目标物镜50接收到的反射目标光束的部分通过目标筒内透镜52透射到光束组合器54。在基准臂中，来自可变分束器44的基准光束68通过基准光束扩展器58，并被基准分束器60反射。基准光束68的反射部分通过基准物镜62，并被基准反射镜24反射。反射的基准光束然后通过基准物镜62传回，并被基准分束器60透射。基准筒内透镜64将光束引向光束组合器54，光束组合器54将来自目标臂和基准臂的光合并，并将经合并的光束射到数字记录器56上。在一个实施例中，经合并的光束可以是所记录、发送和/或变换的数字数据。
***40可以采用马赫-曾德几何结构。将图2的马赫-曾德几何结构(之所以称为马赫-曾德是因为它与马赫-曾德干涉仪的几何结构相似)与(如图1所示的)迈克耳孙几何结构相比较可见，聚焦透镜(例如图2中的目标物镜50)可以更为靠近目标20，因为通过透镜的照射允许目标分束器48设置在目标物镜50后而不是在目标物镜50与目标20之间。这允许使用大数值孔径、高放大倍数物镜来看小的物体(和记录小物体的全息图)。对于大的物体，如图1所示的原始的迈克耳孙几何结构可以是优选的，这取决于具体情况。
从图2还可以看到光束组合器54设置成靠近数字记录器56。光束组合器54可以将基准光束66和物光束68合并在一起照射到数字记录器56上。光束组合器54的角度可以改变，以便使基准光束和物光束准确共线，或者通常相互成一个角度地投射到数字记录器56上，以便产生外差载波条纹。这允许载波条纹频率从零改变到数字记录器56的奈奎斯特极限。光束组合器54可以比用迈克耳孙几何结构的更靠近数字记录器56，至少用于放大几何结构(例如，放大物体全息图以便数字式照相机获取的几何结构)。这使物光束与基准光束之间的合并角度可以相对较大而不会使基准光束和物光束的光点不再在数字记录器56处重叠。这允许对载频条纹进行精细得多的控制。实际上，可以将两个光束之间的角度从零一直改变到外差全息图的空间载波频率不超过数字记录器所允许的奈奎斯特频率的***约束所允许的最大角度(例如，可以将这个角度增大，直到空间载波频率的每个条纹只有两个像素，超过这个角度数字记录器就不再能正确记录空间载波频率)。采用迈克耳孙几何结构，全息图的最大空间载波频率就不是可达到的，因为对于一些几何结构来说，所需的角度大到足以使基准光束和物光束不再在数字记录器上交叠。
在操作中，***10和40可以适合实时记录和重放全息图像或者将它们存储起来供以后重放。可以将一系列数字存储的全息图做成一个全息电影，或者可以将所述全息图用电子方式广播，供远地重放以提供全息电视(HoloVision)。由于全息图存储了振幅和相位，而相位与波长和光程长成正比，因此直接数字式全息***10和40也可以用作检验精密零件、组件等的形状和尺寸的极其精密的测量工具。相似地，立即数字地存储全息图的能力提供了一种用于数字全息干涉测量法的方法。可以将同一个物体在一些物理改变(应力、温度、微加工等)后的一些全息图相互相减(直接相位相减)以计算出改变的物理测量值，其中相位的改变与波长成正比。相似地，可以将一个物体与一个相似的物体相比较，通过将相应的全息图相减来测量第二个物体相对于第一个物体或主物体的偏差。为了对两个在x-y平面内的像素清楚地测量在z平面内大于2π的相位改变，全息图应该以一个以上的波长上进行记录。
***10和40结合使用诸如摄像机之类的高分辨率数字记录器，以非常小的角度混合全息的物体波和基准波(例如，以导致每个条纹至少两个像素和对于每个需分辨的空间特征至少两个条纹的角度混合)，使物体在记录(摄像机)平面上成像，以及对空间低频外差(边带)全息图进行傅立叶变换分析，从而能记录全息图像(例如，对每个像素记录有相位和振幅的图像)。此外，可以在一个或多个对物体聚焦用的透镜的后焦平面内使用一个孔径光阑来防止比成像***可分辨频率更高的任何频率的混叠。如果物体的所有空间频率该成像***都可分辨，那么就不需要孔径。
这些全息图像记录后，可以作为3D的相位或振幅图在一个2维的显示器上重放，或者用一个相变晶体和白光或激光重放完整的原来记录的波以重放原来的图像。重放原来的图像是用激光将它写入相变介质，再用白光或另一个激光来重放它。通过用三个不同颜色的激光记录一个图像并合并重放的图像，有可能产生一个真彩全息图。通过不断地写入和重放一系列图像，有可能形成全息电影。由于这些图像是以数字方式记录的，因此还可以用适当的数字编码技术用射频(RF)波(例如微波)或者通过光纤或电缆的数字网络进行广播，并在远地重放。这有效地实现了全息电视和电影或“HoloVision”。
***10和40也可以用许多替代方法来实现。例如，***10和40可以采用移相而不是对于全息图每个像素的相位和振幅的外差获取。在另一个实施例中，***10和40可以用许多不同的方法将强度图样写入到一个光敏晶体上。这些方法包括使用锐聚焦的扫描激光束(而不是使用空间光调制器)，用SLM但不偏置激光束进行写入，也可以使用写入方案的许多可行的几何变化进行写入。在另一个实施例中，***10和40可以用光敏晶体利用光学效应而不是相变来产生重放全息图的衍射光栅。在又一个实施例中，***10和40可以用一个像素极精细的SLM来产生强度图样，从而避免了需要将强度图样写入到一个旋光晶体上来重放全息图。
如上所述，***10和40可以用来比较从同一个物体或目标在目标发生物理改变后得到的复图像或者比较从不同的目标得到的复图像。此外，***10和40可以用来从目标20上不同的位置获得图像。在不同位置的图像可以具有相似的特征。例如，目标20可以是一个包括单管芯的多个实例的半导体晶片。在这个例子中，***10和40可以用来得到每个芯片的一个特定区域的复图像。虽然所获得的图像可以具有相似的特征，但与每个图像关联的等晕像差值(例如一阶像差项的焦距)可能是不同的。这个差别可以引起虚拟的、在图像之间不存在的差别。因此，应该将这些图像中的一个图像的像差值进行调整以保证所获得的复图像可以精确地加以比较。
本发明提供了一种校正像差值而不增加获取复图像所需的时间的解决方案。***10和40可以用来从目标20上两个不同的位置获取两个复图像。首先，可以确定像差范围，以便使得两个图像之间的像差的差别具有一个在所确定的极限之间的值。可以选择一个或多个在所确定的像差范围内的像差值，并为每个所选的值计算像差函数。其次，可以通过将***10和/或40获得的第一复图像乘每个像差值来迭代修改第一复图像，以便对于每个所计算的像差值得到一个经修改的第一复图像。第三，可以将每个经修改的第一复图像与第二复图像相比较。得到经修改的第一复图像与第二复图像之间在高频范围内差异最小的比较表明用来校正两个复图像之间的像差之差的最佳近似。在一个实施例中，这个过程可以用在初始确定的像差值附近更精细地选择像差值加以改善。在另一个实施例中，这个过程可以用最佳像差值的两个最佳近似并在所述两个最佳近似之间内插一个更好的像差值加以改善。
除了在所获得的图像之间的像差值的差别之外，***10和40内可以出现其他会在复图像内引起伪像的测试设备变化。这些伪像可以是很小的，并可以出现在复图像的低频分量内。相反，两个相似的物体之间的差别通常在尺寸上很小，因此主要包括高频空间分量。在标准的图像处理中，可以在傅里叶空间内消除任何由于图像处理***内的变化引起的伪像。然而，在傅里叶空间内不能消除由于***10或40内的变化引起的伪像，因为傅里叶空间内的每个像素都是用变差的(复)谱卷积的。
假定伪像出现在低频空间分量而相似物体之间的任何真实差别出现在高频空间分量，则***10和40内的变化可以通过计算复图像的低频分量之差(根据全息图计算)来近似。为了补偿所述变化，可以将一个低通滤波器应用于复图像之比。然后，可以将所得结果用作对其中一个图像的乘法因子，其对***的变化进行补偿。
本发明的数学描述
一个诸如***10和40之类的直接数字式全息***可以记录数字记录器平面内的若干复图像或全息图。记录器平面可以用x和y坐标表示。根据所记录的全息图，可以通过对复图像波应用傅立叶变换计算或重构记录器平面的复图像波。作为根据全息图重构的所述波的傅立叶变换可以含有诸如一阶像差项的焦距之类的等晕像差。例如，图像波ψ(x，y)的傅立叶变换(FFT)可以写成
FFT{ψ(x，y)}＝FFT{ψ′(x，y)}exp[ix(qx，qy)]              (1)
其中i2＝-1，qx、qy为傅里叶平面内的坐标，而ψ′(x，y)为在一个不同像差值的复图像波。x为对于每个所选像差值的像差函数，而FFT和IFFT分别表示傅里叶正的和逆的变换。为了确定在相似或相同图像之间的小的像差之差，应该比较至少两个图像。
在一个实施例中，***10和/或40可以获取两个复图像ψj(x，y)和ψj+1(x，y)，其中j为一个整数。可以对这两者应用傅立叶变换，并写成使它们的实际像差值可以分离的形式：
FFT{ψj(x，y)}＝FFT{ψj′(x，y)}exp[ixj(qx，qy)]          (2)
FFT{ψj+1(x，y)}＝FFT{ψj+1′(x，y)}exp[ixj+1(qx，qy)]      (3)
根据这些公式，两个图像之间的像差之差可以描述为：
FFT{ψj+1(x，y)}/FFT{ψj(x，y)}＝                              (4)
exp[ixj+1(qx，qy)]/exp[ixj(qx，qy)]＝
exp[i(xj+1(qx，qy)-xj(qx，qy))]＝
exp[iΔxj+1，j(qx，qy)]；
其中ψj(x，y)≈ψj+1(x，y)。如果图像ψj(x，y)不包括与图像ψj+1(x，y)相似的特征，则像差函数x(qx，qy)可以不是直接可得到的。然而，对于相似的图像，ψj(x，y)≈ψj+1(x，y)，则上式是一个合理的近似。因此，如果图像ψj+1(x，y)与ψj(x，y)之差ψj+1(qx，qy)-xj(qx，qy)已知，则第一复图像就可以修改成：
ψj′＝IFFT{FFT(ψj)*exp[iΔxj+1(qx，qy)]}                  (5)
这是在像差值近似与ψj+1的相同时的ψj。因此，通过将图像ψj修改成与图像ψj+1的像差值匹配，已经建立了消除两个相似图像之间的像差之差的步骤。
然而，上式要求两个复图像之间的像差值是已知的。在一个实施例中，可以计算出图像ψj(x，y)与ψj+1(x，y)之间的像差之差Δψj+1，j。如果图像ψj(x，y)与ψj+1(x，y)相似，那么如果这两个图像用匹配像差值加以比较的话则任何检测到的差别可以最小。这个假设对于高度周期性结构可以是重要的，因为匹配像差值可以在若干周期性的像差值出现。然而，在大多数情况中，真实的像差值也提供了图像之间的最佳匹配，从而仍然是可以唯一地识别的。
在所描述的实施例中，可以发现图像ψj(x，y)与ψj+1(x，y)之间的像差之差在一个给定的范围[xmin，xmax]内。在一个实施例中，所述特定的像差可以是一个一阶像差，例如焦距。在这个实施例中，没有推导而给出的对于高的和低的角度散射有效的像差函数为：
x(qx，qy)＝(2∏/λ)Δz sqrt((1-q2λ2)-1)                   (6)
或者用对于焦距的标准方程
x(qx，qy)＝(2π/λ)Δz q2λ2                               (7)
其中λ为波长，Δz为从聚焦范围内选择的焦距值，而 q = sqrt ( q x 2 + q y 2 ) 。为了确定复图像之间的实际像差之差，可以从一个预定范围内选出至少两个像差值。然后可以计算与每个像差值关联的像差函数。于是可以将这些所计算的像差值的每个代入下式以计算一个用像差函数修改的图像。
ψ′1 j＝IFFT{FFT(ψj)exp[ix1(qx，qy)]}                     (8)
可以用每个计算的像差函数来计算一个经修改的图像，再将每个经修改的图像与图像ψj+1(x，y)相比较，例如通过计算下式的方差Δ1 j，j+1：
Δ1 j，j+1(x1)＝var[mod(ψ′1j/ψj+1)]                     (9)
一旦确定了具有最小的Δ1 j，j+1的x1o，或者通过在两个最小的值之间内插，现在就可以知道像差之差，并可以连续地消除。需比较的两个波最终为：
ψ′1 j＝IFFT{FFT(ψj)*exp[ix1o(qx，qy)]}；            (10)
ψj+1(x，y)                                                 (11)
由于两个复图像的像差值近似相同，因此可以在高频范围内精确地比较这两个图像，以确定是否存在任何实际差别。通过调整与第一复图像关联的像差值，无须再获取第二复图像，从而减少了从目标20得到多个图像所需的时间量。
如上所述，由***特有变化引起的伪像可以使图像之间的实际差别失真。这些可能在两个复图像之间发生的***特有变化典型地具有局限于较低频率的谱，而目标20和得到的全息图之间的实际差别典型地处在较高频率。一般说来，两个作为根据各自的全息图重构的复图像ψj(x，y)和ψj+1(x，y)可以表示为：
    ψj(x，y)＝ajexp(ij)                              (12)
    ψj+1(x，y)＝aj+1exp(ij+1)                         (13)
图像ψj(x，y)与图像ψj+1(x，y)之差可以表示为下述表达式：
    ψj+1(x，y)＝aj′exp(ij′)*axexp(ix)         (14)
其中，axexp(iφx)表示由***10和/或40内的变化引起的两个图像之间的虚假改变，而ajexp(iφi)～aj′exp(iφj′)表明两个复图像之间的相似性。
由于虚假改变只是局限于较低频率，因此可以对第一与第二复图像之比应用一个低通滤波器，如下：
ψx(x，y)＝IFFT{LPF[FFT(ψj(x，y)/ψj+1(x，y))]}           (15)
其中，ψx(x，y)为由***10和/或40内的任何变化引起的两个图像之间的虚假改变的近似，以及LPF描述该低通滤波器。在一个实施例中，低通滤波器可以是一个Butterworth滤波器。在其他实施例中，低通滤波器可以是任何传送与所获取的图像关联的低频分量的适当类型的低通滤波器。将ψj(x，y)和ψj+1(x，y)代入上式，可得下列结果：
ψx(x，y)＝IFFT{FFT{[ajexp(ij)]/[aj+1exp(ij+1)]}*LPF}  (16)
ψx(x，y)＝IFFT{[(aj/aj+1)exp[i(j 1-j+1 1)(j h-j+1 h)]]*LPF}
其中，对于低频分量LPF＝1，对于高频分量LPF＝0，φj 1和φj+1 1分别表示图像ψj(x，y)和图像ψj+1(x，y)的低频分量，而φj h和φj+1 h分别表示图像ψj(x，y)和图像ψj+1(x，y)的高频分量。因此，低通滤波器消除了与图像之比关联的高频分量，从而得到低频部分。低通滤波器的低频滤波结果如下：
ψx(x，y)＝(aj/aj+1)exp[i(j 1-j+1 1)]                   (17)
其中，ψx(x，y)表示***10和/或40内存在的虚假改变。于是可以将这个结果乘以图像ψj+1(x，y)，以得到以下经修改的图像：
ψj+1′(x，y)＝ψj+1(x，y)*ψx(x，y)                       (18)
ψj+1′(x，y)＝aj+1exp[i(j+1 h+j+1 1)]*(aj/aj+1)exp[i(j t-j+1 t)]
ψj+1′(x，y)＝ajexp[i(j+1 h+j 1)]
经修改的图像包括图像ψj+1(x，y)的高频分量和图像ψj(x，y)的低频分量，使得在将经修改的图像与图像ψj(x，y)相比较时只剩下如下的每个图像的高频分量：
ψj(x，y)＝ψj+1′(x，y)                                   (19)
ajexp[i(j 1+j h)]＝ajexp[i(j h+j t)]
Δψj，j+1＝exp[i(j h-j+1 h)]
其中，Δψj，j+1(x，y)表示图像ψj(x，y)与ψj+1(x，y)之间的任何实际差别。因此，可以消除***10和/或40在每个图像的低频分量内引起的虚假改变，从而可以通过比较每个图像的高频分量确定两个复图像之间的实际差别。
图3说明***10和/或40获取的多个复图像。具体地说，图像32为从目标20上的一个处在第一焦距值的位置得到的复图像，而图像34为从目标20上的另一个处在第二焦距值的位置得到的复图像。图像36为以图像32在计算和应用所述两个复图像之间的焦距差后表示的复图像。用来得到所述图像的孔径值约为0.5nA，并且焦点校正对高散射角有效。
图4和5说明***10和/或40获取的两个复图像之间的差别。具体地说，图4说明在没有对由***变化引起的伪像进行补偿的情况下两个复图像之差。如所示，该图像包括多个使图像失真的伪像。图5说明如图4所示的差别图像在对两个所获取的图像之比应用了(以上所详细说明的)低通滤波器后的情况。如所示，可以大大减少***10和/或40内微小改变引入的伪像。在所示的实施例中，明亮的白斑是缺陷，并且在图4所示的图像内不可检测的缺陷现在可以精确表示，因为所关联的所有低频分量都已通过应用低通滤波器而消除。
图6a和6b说明一种用于检测复图像之间的差别的方法的流程图。通常，直接数字式全息***可以用来获取表示一个物体或目标的复图像，并确定所获取的图像是否有任何实际差别。在图像获取过程中，全息***内可能出现影响所获取图像的精度的变化。例如，如果全息***从一个物体上两个不同位置获得相似的图像，那么每个所获取的图像可以包括一个独特的像差值。在所获取的图像实际包括相同的特征时，像差值的差别可以使全息***确定所获取的图像是不同的。为了精确获取图像而不影响图像获取过程的速度，可以迭代地调整所获取的第一图像，使得第一获取图像具有第二获取图像的像差值。于是，可以用经修改的第一图像来确定两个所获取的图像是否有相似的特征。全息***内的其他变化可以通过计算每个图像的低频分量之差来近似。为了消除图像的低频分量，可以对图像之比应用一个低通滤波器，并且结果可以用来修改其中一个图像，以补偿全息***的变化。于是可以在高频分量检测图像的任何差别。
在步骤70，***10或40可以从目标20获取一个第一复图像。在一个实施例中，目标20可以是一个用硅、锗或任何含有族III和/或族IV的元素的化合物制造的电子器件。在另一个实施例中，目标20可以是一个包括在衬底上形成的图案的光掩膜或分划板。在其他实施例中，目标20可以是任何可以用***10和40分析以检验形状和尺寸的物体、元件或组件。在步骤72，可以从目标20获取一个第二复图像。第二复图像可以从同一个物体获取，以计算在这个物体内的物理变化，或者第二复图像可以从一个相似的物体获取，以测量第二物体相对第一物体的偏差。
在步骤73，***10和/或40确定是否需要像差校正来使第一和第二图像匹配。如果第二图像的像差值与第一图像的像差值不同，就在步骤74确定一个预期的像差范围。该预期范围可以基于以前确定的与一个特定物体关联的值，或者根据物体的类型(例如半导体晶片、光掩膜等)的估计。为了收敛到第一与第二图像之间的实际像差之差，在步骤76可以从该范围内选出至少两个像差值。在一个实施例中，可以选择两个最佳值，再用所述两个最佳值内插一个所估计的像差之差。在另一个实施例中，可以选择多个值。在步骤78，可以用每个所选的像差值计算一个像差函数。在一个实施例中，可以用像差函数计算一个诸如焦距之类的一阶像差值。
在步骤80，用计算的像差函数迭代修改第一复图像。在一个实施例中，可以对第一复图像应用傅立叶变换，并将这个结果乘以像差函数。可以对每个计算的像差函数重复这个过程，使得第一复图像可以得到多次修改。在应用了每个像差函数后可以对经修改的第一复图像执行傅立叶逆变换，以便将经修改的第一复图像变换回时域。在步骤82，于是可以将与每个像差函数关联的经修改的第一复图像与第二复图像相比较，以确定像差校正。在一个实施例中，可以通过计算经修改的第一复图像与第二复图像之比的模的方差对图像进行比较。
在步骤84，可以分析经修改的第一复图像与第二复图像的高频分量之间的差别。如果该差别为这两个图像之间的最小方差，就在步骤86将计算这个特定的像差函数所用的像差值选为像差校正的最佳近似。否则，在步骤83用与另一个像差值关联的第一复数修改第一复图像，再在步骤82将新的经修改的复图像与第二复图像相比较。一旦用迭代过程确定了这两个图像间的最小方差，就在步骤86将与这个最小方差关联的像差值应用于第一复图像，以便得到经修改的第一复图像。
在得到一个适当的像差校正值之后，在步骤88就可以计算经修改的第一复图像与第二复图像之比。在一个实施例中，第一与第二复图像之间的像差值可以是相似的，因此不需要调整第一复图像。在这个实施例中，经修改的第一复图像可以近似等于第一复图像。这两个所获取的复图像可以含有由***10和/或40内的变化引起的伪像。这些伪像可以存在于与图像关联的低频分量内，而任何实际差别可以存在于高频分量内。为了有效地从经修改的第一复图像与第二复图像的比较中消除低频分量，在步骤90可以将一个低通滤波器应用于所述比。在一个实施例中，可以对所述比应用傅立叶变换，以便将图像比变换到频域，并在频域中应用低通滤波器。然后可以用傅立叶逆变换将低频比变换回时域。
在步骤92，可以将低频比乘以第二复图像以得到一个经修改的第二复图像。通过将低频比用于第二复图像，就将第二复图像的低频分量用第一图像的低频分量来代替。然后可以在步骤94将经修改的第二复图像与经修改的第一复图像相比较。在这个比较中，只是比较与第一和第二复图像的每一个关联的高频分量，以便确定图像间的任何实际差别。在步骤96，***确定这两个图像的高频分量是否近似相同。如果在经修改的第一复图像与经修改的第二复图像之间没有差别，就在步骤98由***10和/或40确定图像是相似的。如果确定有差别，就在步骤100将该差别记录下来。在一个实施例中，目标20可以是一个半导体晶片，而所计算的图像之间的差别可以表明在晶片上一个特定位置有缺陷。
虽然就本发明的具体优选实施例对本发明作了说明，但对于本领域的技术人员来说可以提出各种变更和修改，意图是本发明包括属于所附权利要求书范围内的这样的变更和修改。

Claims (47)

1.一种用来检测复图像之间的差别的方法，包括：
获取第一复图像和第二复图像；
将低通滤波器应用于第一与第二复图像之比以得到低频比；
通过该低频比来修改第二复图像，以将第二复图像的低频分量用第一复图像的低频分量代替；以及
将经修改的复图像与第一复图像相比较，以确定第二复图像是否与第一复图像匹配。
2.权利要求1的方法，还包括计算第一与第二复图像之比的傅立叶变换，以便在频域应用低通滤波器。
3.权利要求2的方法，还包括计算低频比的傅立叶逆变换，以便在时域修改第二复图像。
4.权利要求1的方法，其中经修改的复图像与第一复图像的比较包括比较第一与第二复图像的高频分量。
5.权利要求1的方法，其中所述第一和第二复图像包括全息图像。
6.权利要求1的方法，还包括所述与第二复图像关联的低频分量，表示图像获取***内的***变化。
7.一种用来检测复图像之间的差别的方法，包括：
获取第一复图像和第二复图像；
计算第一与第二复图像之比的傅立叶变换以得到一个频域比；
将低通滤波器应用于该频域比以得到一个低频比；
计算低频比的傅立叶逆变换，以将低频比变换到时域；
通过经变换的低频比来修改第二复图像，以将第二复图像的低频分量用第一复图像的低频分量代替；以及
将经修改的复图像与第一复图像相比较，以确定第二复图像是否与第一复图像匹配。
8.权利要求7的方法，其中经修改的复图像与第一复图像的比较包括比较第一与第二复图像的高频分量。
9.权利要求7的方法，其中该第一和第二复图像包括全息图像。
10.权利要求7的方法，还包括可用于减少图像获取***产生的第一和第二复图像内的虚假改变的经变换的低频比。
11.一种用来检测复图像之间的差别的***，包括：
可用来获取第一复图像和第二复图像的数字记录器；以及
连接到所述数字记录器的处理资源，所述处理资源可用来：
将一个低通滤波器应用于第一与第二复图像之比以得到低频比；
通过低频比来修改第二复图像，以将第二复图像的低频分量用第一复图像的低频分量代替；以及
将经修改的复图像与第一复图像相比较，以确定第二复图像是否与第一复图像匹配。
12.权利要求11的***，还包括可用来计算第一与第二复图像之比的傅立叶变换的处理资源，以便在频域应用低通滤波器。
13.权利要求12的***，还包括可用来计算低频比的傅立叶逆变换的处理资源，以便在时域修改第二复图像。
14.权利要求11的***，其中经修改的复图像与第一复图像的比较包括比较第一与第二复图像的高频分量。
15.权利要求11的***，其中该第一和第二复图像包括全息图像。
16.权利要求11的***，其中所述数字记录器包括CCD摄像机。
17.权利要求11的***，还包括与所述数字记录器光耦合的光束组合器，可用来接收基准光束和物光束以产生第一和第二复图像。
18.一种用来检测复图像之间的差别的方法，包括：
获取第一复图像和第二复图像，所述第一和第二复图像包括相似的特征；
从预期的像差范围内为第一复图像选择多个像差值；
为每个所选的像差值计算一个像差函数；
通过每个像差函数迭代修改第一复图像；
将经修改的复图像与第二复图像相比较；以及
通过选择使经修改的复图像与第二复图像之间的差别最小的像差值来确定一个像差校正值。
19.权利要求18的方法，还包括对第一复图像执行傅立叶变换，使得对第一复图像的修改在频域进行。
20.权利要求19的方法，还包括在将经修改的复图像与第二复图像相比较前对经修改的复图像执行傅立叶逆变换。
21.权利要求18的方法，其中经修改的复图像与第二复图像的比较包括确定经修改的复图像与第二复图像之比的模的方差。
22.权利要求21的方法，其中确定像差校正值包括选择使经修改的复图像与第二复图像之间的方差最小的比。
23.权利要求18的方法，其中该第一和第二复图像包括全息图像。
24.权利要求18的方法，其中该预期的像差范围包括最小像差值和最大像差值。
25.权利要求18的方法，其中所述像差值包括焦距值。
26.一种用来检测复图像之间的差别的方法，包括：
获取第一复图像和第二复图像，所述第一和第二复图像包括相似的特征；
从预期的像差范围内为第一复图像选择多个像差值；
为每个所选的像差值计算一个像差函数；
对第一复图像执行傅立叶变换以得到经变换的复图像；
用每个像差函数迭代修改经变换的复图像；
对经修改的复图像执行傅立叶逆变换，以将低频比变换到时域；
将经变换的复图像的高频分量与第二复图像的高频分量相比较；以及
通过选择使经变换的复图像与第二复图像之间的差别最小的像差值来确定一个像差校正值。
27.权利要求26的方法，其中经变换的复图像与第二复图像的比较包括确定经修改的复图像与第二复图像之比的模的方差。
28.权利要求27的方法，其中确定像差校正值包括选择使经变换的复图像与第二复图像之间的方差最小的比。
29.权利要求26的方法，其中所述第一和第二复图像包括全息图像。
30.一种用来检测复图像之间的差别的***，包括：
可用来获取第一复图像和第二复图像的数字记录器，所述第一和第二复图像包括相似的特征；以及
连接到所述数字记录器的处理资源，所述处理资源可用来：
从预期的像差范围内为第一复图像选择多个像差值；
为每个像差值计算一个像差函数；
通过每个像差函数迭代修改第一复图像；
将经修改的复图像与第二复图像相比较；以及
通过选择使经修改的复图像与第二复图像之间的差别最小的像差值来确定像差校正值。
31.权利要求30的***，还包括可用来对第一复图像执行傅立叶变换的处理资源，使得对第一复图像的修改在频域进行。
32.权利要求31的***，还包括可用来在将经修改的复图像与第二复图像相比较前对经修改的复图像执行傅立叶逆变换的处理资源。
33.权利要求30的***，其中经修改的复图像与第二复图像的比较包括确定经修改的复图像与第二复图像之比的模的方差。
34.权利要求33的***，其中确定像差校正值包括选择使经修改的复图像与第二复图像之间的方差最小的比。
35.权利要求30的***，其中所述第一和第二复图像包括全息图像。
36.权利要求30的***，其中所述数字记录器包括CCD摄像机。
37.权利要求30的***，还包括与所述数字记录器光耦合的光束组合器，可用来接收基准光束和物光束以产生第一和第二复图像。
38.一种用来检测复图像之间的差别的方法，包括：
获取第一复图像和第二复图像，所述第一和第二复图像包括相似的特征；
确定在第一与第二复图像之间是否存在像差值的差别；
通过像差函数迭代修改第一复图像和在高频范围将经修改的第一复图像与第二复图像相比较来校正像差值的差别；
通过低频比来修改第二复图像以将第二复图像的低频分量用第一复图像的低频分量代替；以及
将经修改的第一复图像的高频分量与经修改的第二复图像的高频分量相比较，以确定第一复图像是否与第二复图像匹配。
39.权利要求38的方法，还包括：
从预期的像差范围内为第一复图像选择多个像差值；以及
为每个像差值计算像差函数。
40.权利要求38的方法，还包括对第一复图像执行傅立叶变换，使得对第一复图像的修改在频域进行。
41.权利要求40的方法，还包括在将经修改的第一复图像与第二复图像相比较前对经修改的第一复图像执行傅立叶逆变换。
42.权利要求38的方法，其中经修改的第一复图像与第二复图像的比较包括确定经修改的第一复图像与第二复图像之比的模的方差。
43.权利要求42的方法，还包括通过选择使经修改的第一复图像与第二复图像之间的方差最小的比来确定像差校正值。
44.权利要求38的方法，还包括将低通滤波器应用于经修改的第一复图像与第二复图像之比，以得到低频比。
45.权利要求44的方法，还包括计算经修改的第一复图像与第二复图像之比的傅立叶变换，以便在频域应用低通滤波器。
46.权利要求45的方法，还包括计算低频比的傅立叶逆变换，以便在时域修改第二复图像。
47.权利要求38的方法，其中所述第一和第二复图像包括全息图像。
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