一种一维纳米材料顶点检测方法和系统与流程

[0001]
本发明涉及纳米材料顶点检测技术领域，特别是涉及一种一维纳米材料顶点检测方法和系统。


背景技术：

[0002]
随着消费级电子产品与机器人技术的快速发展，半导体芯片、微纳米传感器和微电子制造系统(mems)等纳电子器件的高度集成化、节能化、成本效益等需求不断提升。如今，国际半导体技术发展路线图(itrs)显示硅基纳电子电路在2017年已经实现了10nm制造技术，并预计在2020年实现5nm制造工艺。但是，随着硅片上电路密度的增加，芯片上电路的宽度达到了纳米量级，材料的物理和化学性能将也发生质的改变，其复杂性和差错率将呈现指数式的增长，最终导致纳电子器件不能正常的工作，因此需要寻找新的功能性材料和电路制造技术来实现摩尔定律的延续。
[0003]
在功能性材料层面，金属及其氧化物纳米线、碳纳米管等一维材料的发现为摩尔定律的延续带来了希望。由于一维纳米材料在两个维度上处于纳米尺度，使其具有量子隧穿效应、量子尺寸效应、表面效应和介电限域等效应，呈现出了不同于块体材料的光、电、热、磁、力等宏观性能，这为一维功能性纳米材料在纳电子器件中的应用奠定了理论基础。为实现一维纳米材料器件化的制备，目前机器人化的由下到上的器件柔性制造技术受到广泛关注。即通过可实现纳米尺度定位的操作器拾取一维纳米材料后进行器件化组装和制备。为提升机器人化器件组装效率，需要研究一维纳米材料的自动化识别，拾取以及放置等操作。在一维纳米材料的拾取过程中，材料顶点的自动化检测是材料操作的基础。
[0004]
鉴于一维纳米材料尺度小，且借助电子显微镜(sem)下才能观测到，因此目前多采用基于sem视觉图像处理技术实现一维纳米材料与背景的有效分割、轮廓提取和顶点检测。在顶点检测方法中，现有方法，例如“一种基于sem的碳纳米管自动识别的图像处理方法，cn201610366152.2”，主要是通过轮廓梯度计算，在轮廓出现翻转时认为当前的像素点位于顶点，再通过设置以顶点为圆心的圆的半径长度，实现指定长度一维纳米材料的拾取。但是该类方法无法有效排除弯曲一维纳米材料和具有表面缺陷的非所需纳米材料，误检测顶点严重降低了一维纳米材料的自动化有效拾取效率。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种能够在实现指定长度的一维纳米材料顶点检测的基础上，精确实现高直线度、无表面缺陷的一维纳米材料顶点检测方法和系统，以突破传统顶点检测方法在识别一维纳米材料顶点的同时，能够有效解决表面存在缺陷以及弯曲一维纳米材料顶点被误检测的难题。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007]
一种一维纳米材料顶点检测方法，包括：
[0008]
获取电子显微镜中的图像；所述图像包括：双面导电胶图像、目标一维纳米材料图
像、原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像和背景图像；
[0009]
获取所述电子显微镜中图像的背景分割阈值；所述背景分割阈值包括第一背景分割阈值、第二背景分割阈值和第三背景分割阈值；所述第一背景分割阈值为双面导电胶图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第二背景分割阈值为所述目标一维纳米材料图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第三背景分割阈值为原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像与所述背景图像进行分割的阈值；
[0010]
根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数；所述轮廓参数包括：所述双面导电胶图像的轮廓参数、所述目标一维纳米材料图像的轮廓参数和所述原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像的轮廓参数；
[0011]
根据所述轮廓参数确定目标一维纳米材料的轮廓线；
[0012]
根据所述轮廓线确定所述目标一维纳米材料的对称中线；所述对称中线与穿过所述目标一维纳米材料的一端的中心点和所述目标一维纳米材料的另一端的中心点的直线平行；
[0013]
根据所述轮廓线和所述对称中线确定所述目标一维纳米材料的顶点；所述顶点为所述轮廓线上与所述对称中线距离最小的点。
[0014]
优选的，所述根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数，具体包括：
[0015]
采用轮廓识别算法，根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数。
[0016]
优选的，所述根据所述轮廓线确定所述目标一维纳米材料的对称中线，具体包括：
[0017]
获取所述轮廓线中的第一子轮廓线和第二子轮廓线；
[0018]
将所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线进行拟合得到所述对称中线。
[0019]
优选的，所述获取所述轮廓线中的第一子轮廓线和第二子轮廓线，之后还包括：
[0020]
根据所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线确定直线度误差；
[0021]
获取轮廓缺陷程度表征阈值；
[0022]
根据所述直线度误差和所述轮廓缺陷程度表征阈值确定所述目标一维纳米材料是否存在缺陷；
[0023]
当所述直线度误差大于所述轮廓缺陷程度表征阈值时，所述目标一维纳米材料存在缺陷；当所述直线度误差小于等于所述轮廓缺陷程度表征阈值时，所述目标一维纳米材料无缺陷。
[0024]
对应于上述提供的一维纳米材料顶点检测方法，本发明还提供了以下检测系统：
[0025]
一种一维纳米材料顶点检测系统，包括：
[0026]
图像获取模块，用于获取电子显微镜中的图像；所述图像包括：双面导电胶图像、目标一维纳米材料图像、原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像和背景图像；
[0027]
背景分割阈值获取模块，用于获取所述电子显微镜中图像的背景分割阈值；所述背景分割阈值包括第一背景分割阈值、第二背景分割阈值和第三背景分割阈值；所述第一背景分割阈值为双面导电胶图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第二背景分割阈值为所述目标一维纳米材料图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第三背景分割阈值为原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像与所述背景图像进行分割的阈值；
[0028]
轮廓参数确定模块，用于根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数；所述轮廓参数包括：所述双面导电胶图像的轮廓参数、所述目标一维纳米材料图像的轮廓参数和所述原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像的轮廓参数；
[0029]
轮廓线确定模块，用于根据所述轮廓参数确定目标一维纳米材料的轮廓线；
[0030]
对称中线确定模块，用于根据所述轮廓线确定所述目标一维纳米材料的对称中线；所述对称中线与穿过所述目标一维纳米材料的一端的中心点和所述目标一维纳米材料的另一端的中心点的直线平行；
[0031]
顶点确定模块，用于根据所述轮廓线和所述对称中线确定所述目标一维纳米材料的顶点；所述顶点为所述轮廓线上与所述对称中线距离最小的点。
[0032]
优选的，所述轮廓参数确定模块，具体包括：
[0033]
轮廓参数确定单元，用于采用轮廓识别算法，根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数。
[0034]
优选的，所述对称中线确定模块，具体包括：
[0035]
子轮廓线获取单元，用于获取所述轮廓线中的第一子轮廓线和第二子轮廓线；
[0036]
对称中线拟合单元，用于将所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线进行拟合得到所述对称中线。
[0037]
优选的，还包括：
[0038]
直线度误差确定模块，用于根据所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线确定直线度误差；
[0039]
表征阈值获取模块，用于获取轮廓缺陷程度表征阈值；
[0040]
缺陷判断模块，用于根据所述直线度误差和所述轮廓缺陷程度表征阈值确定所述目标一维纳米材料是否存在缺陷；当所述直线度误差大于所述轮廓缺陷程度表征阈值时，所述目标一维纳米材料存在缺陷；当所述直线度误差小于等于所述轮廓缺陷程度表征阈值时，所述目标一维纳米材料无缺陷。
[0041]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0042]
本发明提供的一维纳米材料顶点检测方法和系统，在纳米材料不存在缺陷的基础上，通过根据获取的背景分割阈值确定电子显微镜中图像的轮廓参数，然后根据轮廓参数确定目标一维纳米材料的轮廓线后，根据轮廓线确定目标一维纳米材料的对称中线，最后将轮廓线上与对称中线距离最小的点作为纳米材料的顶点。此外，在此基础上，本发明还采用轮廓缺陷程度表征阈值和由轮廓线确定得到的直线度误差确定来进一步判断目标一维纳米材料是否存在缺陷。进而能够在实现指定长度的纳米材料顶点检测的基础上，精确实现高直线度的纳米材料顶点和纳米材料缺陷检测，以突破传统顶点检测方法无法在识别一维纳米材料顶点的同时，有效解决表面存在缺陷纳米材料顶点被误检测的难题。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为本发明提供的一维纳米材料顶点检测方法的流程图；
[0045]
图2为本发明实施例中afm拾取一维纳米线的示意图；
[0046]
图3为本发明实施例中顶点识别原理图；
[0047]
图4为本发明实施例中sem中的原始图像图；
[0048]
图5为本发明实施例中直方图灰度自动二值化曲线图；
[0049]
图6为本发明实施例中灰度自动二值化曲线图；
[0050]
图7为本发明实施例中边缘轮廓提取结果图；
[0051]
图8为本发明实施例中顶点识别结果示意图；
[0052]
图9为本发明提供的一维纳米材料顶点检测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
本发明的目的是提供一种能够在实现指定长度的一维纳米材料顶点检测的基础上，精确实现高直线度、无表面缺陷的一维纳米材料顶点检测方法和系统，以突破传统顶点检测方法在识别一维纳米材料顶点的同时，能够有效解决表面存在缺陷以及弯曲一维纳米材料顶点被误检测的难题。
[0055]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0056]
本发明主要是为了从一维纳米材料簇中选出指定长度无缺陷的单根一维纳米材料并实现其顶点检测，如图1所示，一种一维纳米材料顶点检测方法，包括：
[0057]
步骤100：获取电子显微镜中的图像；所述图像包括：双面导电胶图像、目标一维纳米材料图像、原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像和背景图像。
[0058]
步骤101：获取所述电子显微镜中图像的背景分割阈值；所述背景分割阈值包括第一背景分割阈值、第二背景分割阈值和第三背景分割阈值；所述第一背景分割阈值为双面导电胶图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第二背景分割阈值为所述目标一维纳米材料图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第三背景分割阈值为原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像与所述背景图像进行分割的阈值。
[0059]
该步骤具体为：通过直方图的图像全局二值化算法获取所述电子显微镜中图像的背景分割阈值。
[0060]
步骤102：根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数；所述轮廓参数包括：所述双面导电胶图像的轮廓参数、所述目标一维纳米材料图像的轮廓参数和所述原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像的轮廓参数。
[0061]
在该步骤中，本发明优选采用轮廓识别算法，根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数。
[0062]
步骤103：根据所述轮廓参数确定目标一维纳米材料的轮廓线。
[0063]
步骤104：根据所述轮廓线确定所述目标一维纳米材料的对称中线；所述对称中线
与穿过所述目标一维纳米材料的一端的中心点和所述目标一维纳米材料的另一端的中心点的直线平行。
[0064]
该步骤具体包括：获取所述轮廓线中的第一子轮廓线和第二子轮廓线。
[0065]
将所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线进行拟合得到所述对称中线。
[0066]
假设第一子轮廓线和第二子轮廓线的拟合直线方程分别为y1＝k1x+a和y2＝k2x+b，则对称中线的方程为：y＝kx+(a+b)/2，其中k≈k1≈k2，其中，a和b均为常数。
[0067]
步骤105：根据所述轮廓线和所述对称中线确定所述目标一维纳米材料的顶点；所述顶点为所述轮廓线上与所述对称中线距离最小的点。其中，d最小值处对应的像素坐标即为一维纳米材料的顶点，d＝|kx
i-y
i
+(a+b)/2|/[(k2+1)-2
]。
[0068]
进一步，本发明提供的上述检测方法还优选包括：
[0069]
根据所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线确定直线度误差；直线度误差为δ＝|k
1-k2|。
[0070]
获取轮廓缺陷程度表征阈值；轮廓缺陷程度表征阈值为δ
threshold
。
[0071]
根据所述直线度误差和所述轮廓缺陷程度表征阈值确定所述目标一维纳米材料是否存在缺陷。
[0072]
当所述直线度误差大于所述轮廓缺陷程度表征阈值时(δ>δ
threshold
)，所述目标一维纳米材料存在缺陷；当所述直线度误差小于等于所述轮廓缺陷程度表征阈值时，所述目标一维纳米材料无缺陷。
[0073]
本发明提供的上述一维纳米材料顶点检测方法用于由下到上机器人化构建纳电子器件的过程中，通过图像处理的方法，借助一维纳米材料具有的对称边缘特点，通过图像直方图二值化、轮廓提取以及轮廓直线拟合获取一维纳米材料中心线，利用对称中线与一维纳米材料轮廓的交点获得顶点，实现指定长度、高直线度、少缺陷纳米材料的顶点检测，突破传统顶点检测方法无法有效辨别弯曲和具有表面缺陷纳米材料的难题。
[0074]
下面提供一个具体实施案例进一步说明本发明的方案，本发明具体实施案例中以碳纳米管为例进行阐述，在具体应用时，本发明的方案也适用于其他类型的一维纳米材料。
[0075]
直线度越好的碳纳米管具有的缺陷越少。并且规则的形貌更有利于制备集成度更高的器件。因此在实现一维纳米材料顶点检测的同时，不仅要实现一定长度纳米材料的拾取，同样需要挑选出直线度好，缺陷少的纳米材料。
[0076]
现有的轮廓梯度的顶点识别方法，在实现顶点检测的同时，还会将一维纳米材料与双面导电胶轮廓处的拐点误识别为顶点，并且对于纳米管(碳纳米管)中存在的外壁缺陷(如五元环与七元环缺陷)，弯曲纳米线等是不具备区分能力。而采用本发明提供的上述技术方案能够很好的解决这一技术难题。
[0077]
采用本发明提供的上述技术方案识别碳纳米管的具体流程如下：
[0078]
扫描电子显微镜(scanning electron microscope，sem)下一维纳材料的顶点自动化识别过程中需要涉及双面导电胶
①
、目标一维纳米材料
②
和原子力显微镜(afm，atomic force microscope)悬臂梁末端执行器
③
，如图2所示。
[0079]
实现目标为通过图像处理和顶点检测方法，实现指定长度直一维纳米材料顶点的自动化识别。图像处理流程为：
[0080]
步骤1、通过直方图的图像全局二值化算法，获取
①②③
(双面导电胶
①
、目标一维
纳米材料
②
和afm悬臂梁末端执行器
③
)与背景最佳的分割阈值，实现不同对比度与不同亮度sem中
①②③
与背景的自动化分割。
[0081]
步骤2、通过轮廓识别算法得到
①②③
中的轮廓参数。
[0082]
步骤3、基于一维纳米线具有较大长径比的特点，通过一维纳米材料两侧边缘轮廓的直线拟合得到一维纳米材料的对称中线
④
，再通过遍历轮廓线中的轮廓点与对称中线间距离的最小点获得一维纳米材料的顶点
⑤
，如图3所示。假设纳米线轮廓拟合直线方程分别为y1＝k1x+a和y2＝k2x+b，则对称中线的方程为：y＝kx+(a+b)/2，其中k≈k1≈k2。将δ＝|k
1-k2|设定为直线度误差用于判定一维纳材料轮廓的完整度，当纳米材料轮廓存在缺陷时，则会使得δ>δ
threshold
成立，δ
threshold
为轮廓缺陷程度表征阈值，轮廓线上任一像素点到中线的距离d如下式所示：
[0083]
d＝|kx
i-y
i
+(a+b)/2|/(k2+1)-2
。
[0084]
其中，d最小值处对应的像素坐标即为一维纳米材料的顶点。
[0085]
根据上述理论，采集afm拾取银纳米线sem图像(如图4所示)，通过直方图自动二值化(如图5所示)获取二值化阈值为80，采用此二值化阈值得到二值化后的图像如图6所示，可见
①②③
可以与背景形成较好的分割，进而通过边缘提取算法实现二值化图像中轮廓的提取，并将其在原始sem图中显示(如图7所示)，设置提取>2μm长度的阈值，可以得到提取出适合条件的顶点，如图8所示。
[0086]
对应于上述提供的一维纳米材料顶点检测方法，本发明还提供了一种一维纳米材料顶点检测系统。如图9所示，该一维纳米材料顶点检测系统包括：图像获取模块1、背景分割阈值获取模块2、轮廓参数确定模块3、轮廓线确定模块4、对称中线确定模块5和顶点确定模块6。
[0087]
其中，图像获取模块1用于获取电子显微镜中的图像；所述图像包括：双面导电胶图像、目标一维纳米材料图像、原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像和背景图像。
[0088]
背景分割阈值获取模块2用于获取所述电子显微镜中图像的背景分割阈值；所述背景分割阈值包括第一背景分割阈值、第二背景分割阈值和第三背景分割阈值；所述第一背景分割阈值为双面导电胶图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第二背景分割阈值为所述目标一维纳米材料图像与所述背景图像进行分割的阈值；所述第三背景分割阈值为原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像与所述背景图像进行分割的阈值。
[0089]
轮廓参数确定模块3用于根据所述背景分割阈值确定所述电子显微镜中图像的轮廓参数；所述轮廓参数包括：所述双面导电胶图像的轮廓参数、所述目标一维纳米材料图像的轮廓参数和所述原子力显微镜悬臂梁末端执行器图像的轮廓参数。
[0090]
轮廓线确定模块4用于根据所述轮廓参数确定目标一维纳米材料的轮廓线。
[0091]
对称中线确定模块5用于根据所述轮廓线确定所述目标一维纳米材料的对称中线；所述对称中线与穿过所述目标一维纳米材料的一端的中心点和所述目标一维纳米材料的另一端的中心点的直线平行。
[0092]
顶点确定模块6用于根据所述轮廓线和所述对称中线确定所述目标一维纳米材料的顶点；所述顶点为所述轮廓线上与所述对称中线距离最小的点。
[0093]
作为本发明的一优选实施方式，上述轮廓参数确定模块3具体包括：轮廓参数确定单元。该轮廓参数确定单元用于采用轮廓识别算法，根据所述背景分割阈值确定所述电子
显微镜中图像的轮廓参数。
[0094]
作为本发明的另一优选实施方式，上述对称中线确定模块5具体包括：子轮廓线获取单元和对称中线拟合单元。
[0095]
其中，子轮廓线获取单元用于获取所述轮廓线中的第一子轮廓线和第二子轮廓线。
[0096]
对称中线拟合单元用于将所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线进行拟合得到所述对称中线。
[0097]
为了进一步对纳米材料的缺陷进行检测，作为本发明的又一优选实施方式，上述本发明公开的一维纳米材料顶点检测系统还包括：直线度误差确定模块、表征阈值获取模块和缺陷判断模块。
[0098]
其中，直线度误差确定模块用于根据所述第一子轮廓线和所述第二子轮廓线确定直线度误差。
[0099]
表征阈值获取模块用于获取轮廓缺陷程度表征阈值。
[0100]
缺陷判断模块用于根据所述直线度误差和所述轮廓缺陷程度表征阈值确定所述目标一维纳米材料是否存在缺陷；当所述直线度误差大于所述轮廓缺陷程度表征阈值时，所述目标一维纳米材料存在缺陷；当所述直线度误差小于等于所述轮廓缺陷程度表征阈值时，所述目标一维纳米材料无缺陷。
[0101]
综上，本发明提供的技术方案具有顶点识别方法简单、高效、鲁棒性强等优点，可适用于不同对比度与不同亮度sem图像下指定长度，无轮廓缺陷，高直线度一维纳米材料顶点的自动检测。
[0102]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0103]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。