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  • 光学成像原理之景深(Depth of Field)

    万次阅读 多人点赞 2019-12-22 01:25:13
    景深(depth of field):摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。通俗讲即被拍摄物体对焦点(focus point)平面处的景物,在胶片上会形成清晰影像,在对焦点平面的前方某处...

    1. 概述

    先看两个例子,拍摄花、昆虫等照片时,背景拍的比较模糊,突出被拍物。但当拍摄纪念照、风景等照片时,却会把背景拍摄得和被拍对象一样清晰。这两者就是不同景深。前者为浅景深,拍摄聚焦到被拍物上,只能拍清一小段距离,被拍物前后的景色都被虚化,清晰范围较小。而后者为大景深,清晰范围较大。

    浅景深大景深

    景深(depth of field)定义:摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。通俗讲即被拍摄物体对焦点(focus point)平面处的景物,在胶片上会形成清晰影像,在对焦点平面的前方某处到其后方某处有一个范围,其内的景物都能形成清晰影像,这一范围称为景深,讨论景深,一般我们用“深浅”形容,即浅景深(narrow depth of field)或大景深(large depth of field)。

    2. 景深原理

    理解景深原理前,我们必须明白一件事:当我们对焦时,其实只有一个平面是真正合焦的。这个平面与像平面(可以简单理解为胶片或者传感器平面)平行。凡是在这个平面之前或者之后的都不是合焦状态。合焦平面上物体某点发出不同角度的光在像平面成像都汇聚于一点,而非合焦物体的某点发出不同角度的光会落在像平面不同点上,形成一个模糊圆,这个圆术语叫做弥散圆(circle of confusion)。
    在这里插入图片描述所以没有对上焦的东西,在底片上看起来就是模糊的。如果拍的是一个灯泡的话,就会看起来像是一个圈。
    下面看看弥散圆和对焦距离的关系,非合焦平面1距离合焦平面较远,其在像平面弥散圆越大,而非合焦平面2距离合焦平面较近,像平面上弥散圆较小。因此离合焦平面得越近,弥散圆就越小。
    在这里插入图片描述
    如果弥散圆小到人眼无法鉴别(或者说弥散圆直径小于传感器像元的大小),模糊圆可被视为点的成像,看起来就和对上焦的东西一样清晰,此无法分辨的弥散圆称为容许弥散圆(permission circle of confusion)。在被摄物体(对焦点或合焦平面)前后纵深,有一段距离,其影像在像平面的模糊程度肉眼无法分辨,比较清晰,都在容许弥散圆限定范围内,它们之间距离称为景深。
    在这里插入图片描述

    3. 景深计算

    通用计算公式

    在这里插入图片描述

    参数物理意义
    L L L合焦物距(拍摄距离)
    δ \delta δ容许弥散圆直径
    F F F镜头光圈值
    f f f镜头焦距
    • 前景深 Δ L 1 = F δ L ( L − f ) f 2 + F δ ( L − f ) \Delta {{L}_{1}}=\frac{F\delta L(L-f)}{{{f}^{2}}+F\delta (L-f)} ΔL1=f2+Fδ(Lf)FδL(Lf)
    • 后景深 Δ L 2 = F δ L ( L − f ) f 2 − F δ ( L − f ) \Delta {{L}_{2}}=\frac{F\delta L(L-f)}{{{f}^{2}}-F\delta (L-f)} ΔL2=f2Fδ(Lf)FδL(Lf)
    • 景深 D O F = Δ L 1 + Δ L 2 = 2 f 2 F δ L ( L − f ) f 4 − F 2 δ 2 ( L − f ) 2 DOF=\Delta {{L}_{1}}+\Delta {{L}_{2}}=\frac{2{{f}^{2}}F\delta L(L-f)}{{{f}^{4}}-{{F}^{2}}{{\delta }^{2}}{{(L-f)}^{2}}} DOF=ΔL1+ΔL2=f4F2δ2(Lf)22f2FδL(Lf)
      从公式结果可知,前景深<后景深

    普通相机计算公式简化

    拍照大多是中长拍摄距离,即 L L L远大于 f f f,根据成像公式
    1 u + 1 v = 1 f \frac{1}{u}\text{+}\frac{1}{v}\text{=}\frac{1}{f} u1+v1=f1
    其中, u u u为物距,即 L L L v v v为像距,因此像距 v v v接近于 f f f,此时成像平面接近于焦平面,计算景深光学通路可简化为
    景深计算公式可简化为
    D O F ≈ 2 f 2 F δ L 2 f 4 − F 2 δ 2 L 2 DOF\approx \frac{2{{f}^{2}}F\delta {{L}^{2}}}{{{f}^{4}}-{{F}^{2}}{{\delta }^{2}}{{L}^{2}}} DOFf4F2δ2L22f2FδL2

    4. 影响因素

    由景深计算公式可知,景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。这些因素对景深的影响如下:

    • 镜头光圈:光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大;
    • 镜头焦距:镜头焦距越长,景深越小;焦距越短,景深越大;
    • 拍摄距离:距离越远,景深越大;距离越近,景深越小。

    镜头光圈

    光圈大小无疑是我们控制景深最为有效的因素了。我们可以借用下面这张图来看一下景深的作用效果:

    光圈大小与景深深浅成反比,光圈越大,景深越浅。

    镜头焦距

    镜头焦距的长短同样也左右着景深的效果。以下图为例,在同样的光圈和拍摄距离下,同样一张照片,仅仅是焦距的变化(左边:24MM;右边:70MM),景深也随之变化。

    焦距较长的镜头能提供较浅的景深,以及较大的前景深,这可以更加突显出焦点的部份,因为模糊部份被扩大了。

    成像距离

    拍摄距离的远近也是影响景深大小的重要因素。被拍摄的物体距离镜头越近,景深就会越浅。

    弥散圆直径选择

    以下为普通数码相机弥散圆计算方式
    通常情况下,肉眼分辨率为而千分之一至五千分之一。人眼在明视距离(眼睛正前方30厘米)能够分辨的最小物体尺寸大约为0.125mm。所以,弥散圆放大在7寸照片(这是个常用尺寸)也只能是0.125mm以内,也就是图像对角线长度的1/1730左右。这个1/1730左右的弥散圆大小对于任何大小的底片或者CCD都适用,因为它们放大出的7寸照片,都可以将弥散圆控制在0.125mm。所以蔡斯公司制定的标准就是弥散圆直径 δ=1/1730 底片对角线长度。
    在这里可以看出:景深是相对的,不是绝对的,和弥散圆直径 δ的取值大小有着直接的关系。
    容许弥散圆直径的计算公式 δ = d / 1730 \delta = d/1730 δ=d/1730 d d d为CCD芯片对角线长度(芯片尺寸)

    5. 工业相机应用

    工业相机一般拍摄近距离物体,放大倍率 M M M值较大,根据成像放大倍率公式
    M = f L − f M= \frac{f}{L-f} M=Lff
    景深公式简化为:
    D O F = 2 f 2 F δ ( 1 + M ) M 2 f 2 − F 2 δ 2 ≈ 2 F δ ( 1 + M ) M 2 DOF= \frac{2{f}^2F\delta(1+M)}{{M}^2{f}^2-{F}^2{\delta}^2}\approx \frac{2F\delta(1+M)}{{M}^2} DOF=M2f2F2δ22f2Fδ(1+M)M22Fδ(1+M)

    • 镜头光圈:光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大;
    • 容许弥散圆直径:容许直径越大,景深越大
    • 放大倍率:倍率越大,景深越小

    景深受放大倍率影响较大,随着放大倍率增大快速降低
    在这里插入图片描述上图中光圈值 F = 12 F=12 F=12,容许弥散圆直径 δ = 0.04 m m \delta=0.04mm δ=0.04mm

    一般工业相机弥散圆直径选取0.04mm,而随着近年相机芯片像元尺寸的减小,弥散斑取0.04mm已远大于芯片的分辨能力。而且严格而言,同一个镜头,搭配不同像元尺寸的相机,由于允许的弥散圆直径大小的不同,景深也会有所差异。但习惯上,机器视觉行业各镜头厂商仍以弥散圆直径=0.04mm来计算景深。因此镜头实际测试出的景深值<镜头参数标示出的景深理论值。

    6. 参考

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  • 国科大《集成电路先进光刻技术与版图设计优化》课程分享之一:典型显微系统的光学成像原理 中国科学院大学(以下简称国科大)微电子学院是国家首批支持建设的示范性微电子学院,国科大微电子学院开设的《集成电路...

    国科大《集成电路先进光刻技术与版图设计优化》课程分享之一:典型显微系统的光学成像原理

    中国科学院大学(以下简称国科大)微电子学院是国家首批支持建设的示范性微电子学院,国科大微电子学院开设的《集成电路先进光刻技术与版图设计优化》课程是国内少有的研究讨论光刻技术的研究生课程,而开设课程的韦亚一研究员及其团队具有多年的学术界及工业界的光刻技术经验积累,并出版有多本专著,其中《计算光刻与版图优化》一书更是列入中国科学院大学研究生教学辅导书系列。本号获授权将陆续介绍《集成电路先进光刻技术与版图设计优化》课程中学生的一些专题调研结果,以及《计算光刻与版图优化》书籍相关内容,未经许可,禁止转载。

    一、专题调研之一《典型显微系统的光学成像原理》,作者:曹冰倩、史徵羽

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    二、《计算光刻与版图优化》介绍

    计算光刻作为当前高端芯片制造的核心技术,其对光刻分辨率的极大提升是推动集成电路先进制造工艺从45nm发展到7nm以下技术节点的关键技术,也是瓦森纳协议限制对中国出口的技术。

    值我国高端芯片技术及产业遭受他国“卡脖子”之际,在微电子专业研究生研讨课讲义的基础上,中国科学院微电子研究所计算光刻科研团队出版了中文专著《计算光刻与版图优化》。
     

    这本书是国内首部系统地介绍集成电路制造计算光刻与版图优化的理论和关键技术的专著,不仅适合集成电路研究、设计、制造的从业者阅读,还适合高等院校微电子相关专业的本科生、研究生阅读和参考。

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    ISBN 978-7-121-40226-5

    购买方式

    ▼当当网▼

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    目 录

    第1章 概述 1

    1.1 集成电路的设计流程和设计工具 3

    1.1.1 集成电路的设计流程 3

    1.1.2 设计工具(EDA tools) 5

    1.1.3 设计方法介绍 7

    1.2 集成电路制造流程 9

    1.3 可制造性检查与设计制造协同优化 19

    1.3.1 可制造性检查(DFM) 20

    1.3.2 设计与制造技术协同优化(DTCO) 20

    本章参考文献 21

    第2章 集成电路物理设计 22

    2.1 设计导入 23

    2.1.1 工艺设计套件的组成 23

    2.1.2 标准单元 24

    2.1.3 设计导入流程 25

    2.1.4 标准单元类型选取及IP列表 26

    2.2 布图与电源规划 26

    2.2.1 芯片面积规划 26

    2.2.2 电源网络设计 27

    2.2.3 SRAM、IP、端口分布 28

    2.2.4 低功耗设计与通用功耗格式导入 28

    2.3 布局 30

    2.3.1 模块约束类型 30

    2.3.2 拥塞 31

    2.3.3 图形密度 32

    2.3.4 库交换格式优化 32

    2.3.5 锁存器的位置分布 33

    2.3.6 有用时钟偏差的使用 33

    2.4 时钟树综合 35

    2.4.1 CTS Specification介绍 35

    2.4.2 时钟树级数 35

    2.4.3 时钟树单元选取及分布控制 36

    2.4.4 时钟树的生成及优化 36

    2.5 布线 36

    2.5.1 非常规的设计规则 36

    2.5.2 屏蔽 37

    2.5.3 天线效应 37

    2.6 签核 39

    2.6.1 静态时序分析 39

    2.6.2 功耗 44

    2.6.3 物理验证 45

    本章参考文献 47

    第3章 光刻模型 48

    3.1 基本的光学成像理论 48

    3.1.1 经典衍射理论 48

    3.1.2 阿贝成像理论 53

    3.2 光刻光学成像理论 54

    3.2.1 光刻系统的光学特征 54

    3.2.2 光刻成像理论 67

    3.3 光刻胶模型 74

    3.3.1 光刻胶阈值模型 74

    3.3.2 光刻胶物理模型 75

    3.4 光刻光学成像的评价指标 77

    3.4.1 关键尺寸及其均匀性 77

    3.4.2 对比度和图像对数斜率 78

    3.4.3 掩模误差增强因子 79

    3.4.4 焦深与工艺窗口 80

    3.4.5 工艺变化带(PV-band) 82

    本章参考文献 82

    第4章 分辨率增强技术 84

    4.1 传统分辨率增强技术 86

    4.1.1 离轴照明 86

    4.1.2 相移掩模 89

    4.2 多重图形技术 92

    4.2.1 双重及多重光刻技术 93

    4.2.2 自对准双重及多重图形成像技术 99

    4.2.3 裁剪技术 104

    4.3 光学邻近效应修正技术 107

    4.3.1 RB-OPC和MB-OPC 108

    4.3.2 亚分辨辅助图形添加 109

    4.3.3 逆向光刻技术 110

    4.3.4 OPC技术的产业化应用 113

    4.4 光源?掩模联合优化技术 117

    4.4.1 SMO技术的发展历史与基本原理 117

    4.4.2 SMO技术的产业化应用 119

    本章参考文献 123

    第5章 刻蚀效应修正 125

    5.1 刻蚀效应修正流程 126

    5.2 基于规则的刻蚀效应修正 128

    5.2.1 基于规则的刻蚀效应修正的方法 128

    5.2.2 基于规则的刻蚀效应修正的局限性 129

    5.3 基于模型的刻蚀效应修正 132

    5.3.1 刻蚀工艺建模 132

    5.3.2 基于模型的刻蚀效应修正概述 134

    5.3.3 刻蚀模型的局限性 135

    5.4 EPC修正策略 136

    5.5 非传统的刻蚀效应修正流程 139

    5.5.1 新的MBRT刻蚀效应修正流程 139

    5.5.2 刻蚀效应修正和光刻解决方案的共优化 139

    5.6 基于机器学习的刻蚀效应修正 140

    5.6.1 基于人工神经网络的刻蚀偏差预测 140

    5.6.2 刻蚀邻近效应修正算法 141

    5.6.3 基于机器学习的刻蚀偏差预测模型案例 142

    本章参考文献 143

    第6章 可制造性设计 145

    6.1 DFM的内涵和外延 145

    6.1.1 DFM的内涵 145

    6.1.2 DFM的外延 148

    6.2 增强版图的健壮性 149

    6.2.1 关键区域图形分析(CAA) 149

    6.2.2 增大接触的可靠性 150

    6.2.3 减少栅极长度和宽度变化对器件性能的影响 151

    6.2.4 版图健壮性的计分模型 152

    6.3 与光刻工艺关联的DFM 153

    6.3.1 使用工艺变化的带宽(PV-band)来评估版图的可制造性 153

    6.3.2 使用聚集深度来评估版图的可制造性 155

    6.3.3 光刻坏点的计分系统(scoring system) 157

    6.3.4 对光刻工艺友好的设计 160

    6.3.5 版图与掩模一体化仿真 161

    6.4 与CMP工艺关联的DFM 162

    6.4.1 CMP的工艺缺陷及其仿真 162

    6.4.2 对CMP工艺友好的版图设计 164

    6.4.3 填充冗余金属(dummy fill) 165

    6.4.4 回避困难图形 165

    6.5 DFM的发展及其与设计流程的结合 166

    6.5.1 全工艺流程的DFM 166

    6.5.2 DFM工具及其与设计流程的结合 168

    6.6 提高器件可靠性的设计(DFR) 170

    6.6.1 与器件性能相关的DFR 170

    6.6.2 与铜互连相关的DFR 172

    6.7 基于设计的测量与DFM结果的验证 172

    6.7.1 基于设计的测量(DBM) 172

    6.7.2 DFM规则有效性的评估 174

    本章参考文献 174

    第7章 设计与工艺协同优化 177

    7.1 工艺流程建立过程中的DTCO 178

    7.1.1 不同技术节点DTCO的演进 178

    7.1.2 器件结构探索 181

    7.1.3 设计规则优化 183

    7.1.4 面向标准单元库的DTCO 194

    7.2 设计过程中的DTCO 201

    7.2.1 考虑设计和工艺相关性的物理设计方法 201

    7.2.2 考虑布线的DTCO 205

    7.2.3 流片之前的DTCO 213

    7.3 基于版图的良率分析及坏点检测的DTCO 216

    7.3.1 影响良率的关键图形的检测 217

    7.3.2 基于版图的坏点检测 222

    本章参考文献 226

    附录A 专业词语检索 229

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    相机成像原理详解

    ybwu@whu.edu.cn

    被摄景物反射出的光线通过照相镜头(摄景物镜)和控制曝光量的快门聚焦后,被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像,经冲洗处理(即显影、定影)构成永久性的影像(百度百科)。传统胶片相机的感光材料为胶卷,现代数码相机的感光原件一般为CMOS传感器。它的尺寸一定程度上决定了成像质量,所以是很多相机/手机厂商宣传的重点,比如坊间经常听到的“一英寸大底”,“底大一级压死人”等等。

    当一束与凸透镜的主轴平行的光穿过凸透镜时,在凸透镜的另一侧会被凸透镜汇聚成一点,这一点叫做焦点,焦点到凸透镜光心的距离就叫这个凸透镜的焦距。一个凸透镜的两侧各有一个焦点。

    理论上只有处于镜头焦点距离的景物是成像清晰的,而在焦点前后,光线开始聚焦和扩散,成像变的模糊,成像点形成一个扩大的圆:弥散圆(circle of confusion),而人眼的分辨能力有限,只有当弥散圆直径大到一定程度,我们才感觉到模糊,比如图 1的草地看起来中间一段都是清晰的,通俗的说,这一段“看起来清晰”的距离就是景深(Depth of Field)。

    图 1 草地上看起来清晰的一段距离就是“景深”

    在焦点前后各有一个容许弥散圆,这两个弥散圆之间的距离称为焦深,对应在被拍摄点处即为景深,换言之,被摄物体前后景深距离内,呈现在成像平面上的影像模糊度都在容许弥散圆的限定范围内。小孔成像模型示意图如图 2所示。

    图 2 透镜与小孔成像模型

    影响景深的因素有镜头的焦距、光圈值、拍摄距离光圈是相机镜头中可以改变中间孔大小的机械装置,如图 4所示。其对于相机成像主要有两方面的作用:控制进光量和景深光圈对景深的影响如图 3所示。

    图 3光圈对景深的影响

    图 4相机光圈示意图

    控制其他条件不变,三者对景深的影响总结如下:

    1. 光圈越大,景深越小,适合做背景虚化效果,如人像;反之光圈越小,景深越大
    2. 焦距对景深也有影响,通常焦距越大,景深越小,如长焦镜头的景深比较小,而广角镜头的景深都比较大。
    3. 拍摄距离越远,景深越大;距离越近,景深越小

    两个容易混淆的概念(经评论区提醒,已修改):

    对焦:就是改变镜头(光学中心)到成像平面之间的距离,也就是像距。用于调整成像的虚实,达到使影像清晰的目的,变焦时可以看到镜头伸长或缩小。

    变焦:改变镜头的焦距,可以让不同远近的物体,聚焦到底片上形成清晰的影像。镜头焦距的改变,是通过镜头内部镜片的变动来实现,其光学中心到底片的距离不变,因此镜头不会伸长或缩短。

    在计算机视觉应用中,由于拍摄景深的限制,对空间中不同物距景物清晰采样前需要进行对焦操作,而对焦过程将稍微改变镜头到成像平面的距离,使得相机内参发生变化[1]


    之前说光圈可以控制进光量,快门也可以,光圈从空间上限制进光面积来控制进光量,而快门则是从曝光时间上来控制。可以简单地理解为:快门挡在镜头或底片前,平时处于关闭状态,成像时快门打开一段时间再关闭,完成成像,这个快门打开的时间就是快门时间,通常以1/N秒为单位。快门除了可以控制进光量从而影响照片曝光,还可以制造一些特别的拍照效果,快门时间太长会导致图像太亮,即过曝;快门时间太短会导致图像太暗,即欠曝。对SLAM应用来讲,在保证图像质量的前提下,曝光时间尽量短是一件好事,可以减少rolling shutter造成的“果冻效应”和传感器因时间不同步带来的误差。

    Reference

    [1]   周佳立, 贾禄帅, and 武敏, "适用于动态对焦的高精度灵活标定方法," 模式识别与人工智能, vol. 29, pp. 481-491, 2016.

    相机的那些事儿 - 概念、模型及标定-阿里云开发者社区

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    fNIRS技术的原理:

    人体组织中的血氧含量会随人体代谢活动而变化,血氧含量的变化会引起组织光学特性的变化,而脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm波长的近红外光吸收率存在差异特性,因此可以使用近红外光照射人体组织并检测出射光强,在入射光强已知和出射光强可测的情况下,根据Beer-Lambert 定律,可以实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化,即通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况。这就是fNIRS技术的原理。

    神经血管耦合效应:组织中存在丰富的微血管(直径<1mm,包括毛细血管、微动脉、微静脉等), 其运输着的红细胞携带有近红外光在组织中的主要吸收体:血红蛋白(这种蛋白起到运输氧气的重要作用),近红外光在穿过微血管后,光强就会减弱,血红蛋白浓度越高,光强减弱越明显(在知道入射光强和出射光强的情况下,就可以对血红蛋白的浓度进行估计,这一规律被总结量化为Beer-Lambert定律)。

    近红外设备:

    日本岛津近红外。包括了便携式及台式两种。

         1.多通道、高密度数据采集开启光学脑功能成像新纪元 

         2.高速采样,大大提升了近红外光脑成像技术(fNIRS)的时间分辨率 

         3.3波长吸光度计算、光电倍增管作为检测器,实现了高灵敏度数据采集

         4.便携式可实现被试在运动状态下的数据采集

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空空如也

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光学成像原理

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