可見光熱反射成像測(cè)溫中圖像配準(zhǔn)技術(shù)研究

翟玉衛(wèi)， 劉 巖， 李 灝， 吳愛華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

基于光學(xué)原理的溫度檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在半導(dǎo)體器件溫度測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是對(duì)于工作在大功率條件下的器件，光學(xué)溫度檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)處于不可或缺的地位。目前應(yīng)用比較廣泛的光學(xué)原理測(cè)溫儀器主要有顯微紅外熱像儀、微區(qū)拉曼測(cè)溫儀及光熱反射成像測(cè)溫儀[1～3]，這幾類儀器的突出優(yōu)勢(shì)是非接觸測(cè)溫，不影響被測(cè)器件或產(chǎn)品工作狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果直觀。其中光熱反射成像測(cè)溫儀具有最高250 nm的空間分辨率及20 ns的時(shí)間分辨率，不僅能夠測(cè)得器件表面微小結(jié)構(gòu)的溫度并能獲得其溫度變化過(guò)程[4，5]。由于這些突出優(yōu)點(diǎn)，光熱反射成像測(cè)溫儀在大功率微波功率器件溫度測(cè)試方面得到了日益廣泛的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)在光熱反射成像測(cè)溫技術(shù)研究方面報(bào)道較少，文獻(xiàn)[6]報(bào)道了用國(guó)外生產(chǎn)的儀器對(duì)GaN HEMTs進(jìn)行測(cè)溫的應(yīng)用。在理論研究方面，文獻(xiàn)[7]報(bào)道了提高光熱反射測(cè)溫分辨率的研究。為了推動(dòng)光熱反射成像測(cè)溫裝置國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，本文進(jìn)行了更接近實(shí)用化的研究，重點(diǎn)分析了光熱反射成像測(cè)溫中圖像配準(zhǔn)技術(shù)，并初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)GaN HEMTs器件的溫度成像檢測(cè)。

2 圖像配準(zhǔn)算法

光熱反射測(cè)溫技術(shù)基本原理如式(1)所示。

(1)

式中：ΔR為反射率變化量；R為反射率的均值；ΔT為被測(cè)材料溫度變化量，K；CTR為熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)，與材料相關(guān)，K-1。

有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)指出，被測(cè)件與測(cè)溫儀器之間發(fā)生亞像素級(jí)的相對(duì)位置變化會(huì)影響測(cè)溫結(jié)果。因此，在光熱反射成像測(cè)溫過(guò)程中需要進(jìn)行精確的圖像配準(zhǔn)[8]，即采用一定的技術(shù)手段使被測(cè)件與測(cè)溫儀器的相對(duì)位置保持固定不變。這是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確熱反射測(cè)溫的重要前提。

被測(cè)件與測(cè)溫儀器之間的位移表現(xiàn)在結(jié)果上就是測(cè)溫儀器前后獲取的兩幅圖像不重合，因此實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)的第一步就是計(jì)算出兩幅圖像相對(duì)位移，這個(gè)位移是二維的，這里把計(jì)算位移的算法稱為圖像配準(zhǔn)算法，把二維方向分別稱為x方向和y方向。

設(shè)參考圖像各點(diǎn)讀數(shù)為s(x,y)，待配準(zhǔn)圖像g(x,y)，兩圖像間僅存在平移變換，即g(x,y)=s(x-Δx,y-Δy)，其中x，Δx，y，Δy均為整數(shù)。

空域做平移等效于與δ(x-Δx,y-Δy)做卷積，對(duì)應(yīng)于頻域乘一個(gè)相位：

f(x,y)?F(u,v)

(2)

式中：u、v是x、y傅里葉變換后對(duì)應(yīng)的空間頻率。

(3)

式中：M、N分別是是x、y方向像素?cái)?shù)。

(4)

空域互相關(guān)對(duì)應(yīng)于頻域：

C(u,v)=S*(u,v)G(u,v)

(5)

由于：

g(x,y)=s(x-Δx,y-Δy)

=s(x,y)?δ(x-Δx,y-Δy)

(6)

(7)

(8)

因而互相關(guān)函數(shù)的傅里葉變化為：

(9)

進(jìn)行歸一化后只留下相位信息，稱為phasecorelation。

(10)

逆變換得到空域的一個(gè)沖擊函數(shù)。

cp(x,y)=δ(x-Δx,y-Δy)

(11)

函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)坐標(biāo)即為偏移量：

(12)

用上述算法即可實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的圖像偏移量。但是，正如文獻(xiàn)[8]中指出的，亞像素級(jí)的位移對(duì)光熱反射成像測(cè)溫仍然會(huì)有很大的影響。該方法運(yùn)算量較小，在大位移和小位移條件下均可使用，只需根據(jù)現(xiàn)有信息反推得到sinc函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，再由sinc函數(shù)得到(Δx，Δy)即可。為了實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)配準(zhǔn)，將亞像素平移的cp(x,y)可以近似認(rèn)為是中心在(Δx，Δy)處的sinc函數(shù)的下采樣[9]，因而可以根據(jù)cp(x,y)峰值點(diǎn)附近的函數(shù)值估計(jì)(Δx，Δy)。以僅存在亞像素平移的情況為例，假定主峰為cp(0,0)，兩個(gè)次峰分別為cp(1,0)和cp(0,1)，則x、y方向的平移量Δx、Δy可依式(13)、式(14)計(jì)算：

(13)

(14)

其中±號(hào)取值應(yīng)令估計(jì)的平移量落在主峰與次峰之間，上例情況中兩個(gè)方向平移量都應(yīng)在區(qū)間(0,1)內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

完成算法編寫后，需采用一定技術(shù)手段將被測(cè)件調(diào)回取參考圖像的初始位置。這里采用了基于壓電陶瓷的納米位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)件位置的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[10]。圖1所示是搭建的實(shí)驗(yàn)裝置。CCD相機(jī)用于獲取被測(cè)件表面反射光強(qiáng)并成像；光源用于提供入射到被測(cè)件表面的單色光；三軸壓電平臺(tái)用于實(shí)時(shí)補(bǔ)償X/Y/Z方向發(fā)生的微小位移；高精度控溫組件用于改變或保持被測(cè)件溫度；Z軸位移裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)件的快速聚焦；X、Y位移裝置作為粗調(diào)裝置以較快速度調(diào)節(jié)被測(cè)件水平方向的位置。

圖1 光熱反射成像測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)試裝置采用20×物鏡，數(shù)值孔徑(NA)為0.4，采用530 nm波長(zhǎng)單色LED作為光源，根據(jù)空間分辨率斯派羅判據(jù)(Sparrow Criteria)，其最佳空間分辨率如式(15)，為662.5 nm。

(15)

式中：Ds為空間分辨率，m；λ為光的波長(zhǎng)，m；NA為數(shù)值孔徑，無(wú)量綱。

CCD相機(jī)作為探測(cè)器，其像素尺寸(pixel pitch)決定了成像的清晰程度，及探測(cè)器是否能夠?qū)⒕邆淞俗銐蚍直媪Φ膱D像清晰顯示出來(lái)。式(16)是鏡頭放大倍率M、像素尺寸S、空間分辨力Ds三者之間的關(guān)系式。

(16)

實(shí)驗(yàn)裝置采用的CCD相機(jī)像素尺寸為5 μm，則配備放大倍率為15倍物鏡時(shí)即可滿足需要。實(shí)驗(yàn)裝置的20×物鏡足以將662.5 nm分辨率圖像清晰呈現(xiàn)。此時(shí)，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)被測(cè)件上0.25 μm的視野，即像素分辨率(pixel resolution)為0.25 μm。

在測(cè)量過(guò)程中，納米位移臺(tái)會(huì)根據(jù)圖像配準(zhǔn)算法給出的偏移量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)被測(cè)件在水平方向的位置，最終完成圖像配準(zhǔn)。這里選擇德國(guó)PI公司的生產(chǎn)的P-562.3CD型三軸壓電平臺(tái)。該位移臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向最高行程200 μm，最小步進(jìn)1 nm。調(diào)試完成后，該位移臺(tái)定位穩(wěn)定性約10 nm。

為了驗(yàn)證配準(zhǔn)技術(shù)的精度，采用納米位移臺(tái)作為參考標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定納米位移臺(tái)三軸的初始位置為(100 μm，100 μm，100 μm)，調(diào)整納米位移臺(tái)使被測(cè)件在X方向出現(xiàn)1 μm的位移，此時(shí)納米位移臺(tái)三軸坐標(biāo)如圖2(a)所示(只顯示X、Y方向)。采用圖像配準(zhǔn)技術(shù)后，納米位移臺(tái)坐標(biāo)如圖2(b)所示，放大后如圖2(c)?？梢?，配準(zhǔn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精度約20 nm，遠(yuǎn)優(yōu)于像素分辨率，可以實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)的圖像配準(zhǔn)。

圖2 圖像配準(zhǔn)技術(shù)的精度

借助于上述技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)亞像素級(jí)的圖像配準(zhǔn)技術(shù)，及圖像配準(zhǔn)算法實(shí)時(shí)計(jì)算被測(cè)件與測(cè)溫儀器在水平方向的相對(duì)位移，壓電平臺(tái)根據(jù)這個(gè)位移量調(diào)整被測(cè)件在X/Y方向的位置，保持被測(cè)件與CCD相機(jī)的相對(duì)位置不變。圖3給出圖像配準(zhǔn)方法對(duì)由于溫度變化引起位移的修正結(jié)果：圖3(a)為被測(cè)件20 ℃時(shí)測(cè)得的圖像；圖3(b)為被測(cè)件50 ℃(未進(jìn)行圖像配準(zhǔn))時(shí)測(cè)得的圖像；圖3(c)為被測(cè)件50 ℃時(shí)重聚焦后測(cè)得的圖像；圖3(d)為被測(cè)件50 ℃時(shí)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)后測(cè)得的圖像。測(cè)溫過(guò)程中以20 ℃作為起始溫度，此時(shí)被測(cè)件的位置作為起始位置，獲取CCD的圖像作為參考圖像；當(dāng)被測(cè)件溫度升高至50 ℃時(shí)，由于熱膨脹，其位置必然會(huì)發(fā)生變化，而且這個(gè)變化發(fā)生在X/Y/Z三個(gè)方向，具體表現(xiàn)就是圖像顯示區(qū)域改變和圖像模糊；進(jìn)行圖像配準(zhǔn)前首先要調(diào)整Z軸以實(shí)現(xiàn)重新聚焦，然后用圖像配準(zhǔn)方法及壓電平臺(tái)自動(dòng)將被測(cè)件的位置調(diào)整回初始位置，再進(jìn)行有效測(cè)試數(shù)據(jù)的采集。

圖3 被測(cè)件位移修正過(guò)程

在圖像配準(zhǔn)技術(shù)完成后，對(duì)典型GaN HEMTs器件進(jìn)行了光熱反射成像溫度測(cè)試，如圖4。根據(jù)GaN HEMTs器件工作原理[11～13]，此類器件發(fā)熱應(yīng)集中在漏極和源極之間幾個(gè)微米的柵極附近區(qū)域。

圖4 被測(cè)件圖像

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在Vds=28 V，Ids=0.25 A，控溫組件20 ℃試驗(yàn)條件對(duì)被測(cè)件進(jìn)行了測(cè)試，采用20×物鏡，當(dāng)不用配準(zhǔn)技術(shù)時(shí)，被測(cè)件在測(cè)溫過(guò)程中會(huì)發(fā)生非常明顯的位置漂移，導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果非常不理想，如圖5所示。沒有采用配準(zhǔn)技術(shù)，被測(cè)件在測(cè)溫過(guò)程中發(fā)生了明顯的位置漂移，測(cè)溫過(guò)程中測(cè)溫裝置測(cè)得的信號(hào)來(lái)自不同材料，由于光熱反射測(cè)溫結(jié)果與材料特性相關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致引起較大的測(cè)溫誤差。

圖5 無(wú)圖像配準(zhǔn)的測(cè)溫圖像

采用配準(zhǔn)技術(shù)后，可以保證測(cè)溫過(guò)程中被測(cè)件相對(duì)于測(cè)溫裝置的位置基本穩(wěn)定，測(cè)溫圖像及溫度值如圖6所示，峰值溫升約為37.4 ℃。圖7是委托國(guó)外檢測(cè)結(jié)構(gòu)利用先進(jìn)的NT220B光熱反射測(cè)溫儀對(duì)同一只器件在相同工作條件下進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果，峰值溫升約為35.7 ℃。

圖6 自研裝置的測(cè)溫結(jié)果

圖7 NT220B光熱反射測(cè)溫儀的測(cè)溫結(jié)果

除峰值溫度外，兩幅圖像在某些區(qū)域的溫度值差別較大，這主要是由于采用的測(cè)量波長(zhǎng)存在差異[14,15]。國(guó)外機(jī)構(gòu)采用的波長(zhǎng)是365 nm，而我們采用的波長(zhǎng)是530 nm。關(guān)于波長(zhǎng)與材料相關(guān)性的問(wèn)題將在后續(xù)工作中繼續(xù)研究。

同時(shí)，可以明顯看出國(guó)外檢測(cè)機(jī)構(gòu)得到的熱分布圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于本裝置的結(jié)果，尤其是在兩種材料的交界處沒有明顯的偽高溫或低溫現(xiàn)象出現(xiàn)?？赡艿脑蚴菄?guó)外儀器采用的圖像配準(zhǔn)方法更加完善或具有波長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)完善。

4 結(jié) 論

研究的基于頻域圖像處理技術(shù)的圖像配準(zhǔn)算法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)亞像素級(jí)位移量的計(jì)算。利用三軸壓電平臺(tái)、圖像配準(zhǔn)算法可有效補(bǔ)償溫度變化引起的X、Y方向的位移。通過(guò)本文技術(shù)手段，有效保證了測(cè)試期間被測(cè)件位置的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GaN HEMTs成像溫度檢測(cè)。通過(guò)與NT220B光熱反射測(cè)溫儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比，證實(shí)了圖像配準(zhǔn)技術(shù)的有效性。同時(shí)，對(duì)比也顯示圖像配準(zhǔn)技術(shù)尚不完善，還需進(jìn)一步研究。