基于損傷圖像特征的激光薄膜損傷判別研究

耿 帥，蘇俊宏

(西安工業(yè)大學 光電工程學院，西安 710021)

目前，國內外對激光誘導損傷判別方法主要有等離子體閃光法[1]、光聲法[2]和散射光強測量法[3-4]等。圖像法作為國際標準的溯源方法，具有簡單、便捷以及低成本等優(yōu)點。近年來，學者們進行了許多關于薄膜激光損傷的圖像檢測，文獻[5]從工藝的角度研究了激光與材料物理性質的關系，表明了不同激光工藝參數對材料的微觀形貌有重要影響。文獻[6]通過改進傳統的邊緣提取算法，得到清晰的損傷邊緣圖像，通過觀察損傷點尺寸，為在線判別損傷提供了技術途徑。文獻[7]通過圖像Hough變換，準確求得光斑面積，減小損傷判別過程中誤差的影響。文獻[8]利用遺傳算法，對薄膜缺陷圖像分割，為分析薄膜質量提供依據。文獻[9]針對具有多層次復雜區(qū)域，各區(qū)域過渡不明顯的激光損傷圖像，將小波分解運用于損傷的判別中，取得了較好的分割效果。文獻[10]提出基于差異圖像灰度直方圖的相似性測度算法，用于判定薄膜損傷程度，適用于實時檢測。文獻[11]在光學元件在線檢測中使用暗場成像技術，由于薄膜的光學特性取決于薄膜表面粗糙度[12]以及制備時沉積溫度和膜厚[13]等因素，因此，當光學元件發(fā)生損傷時，薄膜表面粗糙度發(fā)生變化，用光源輻照薄膜，通過損傷點處產生的散射光，可以得到暗背景下清晰的損傷圖像。文獻[14]通過在圖像上建立坐標系，識別圖像信息，得到圖像的損傷區(qū)域。文獻[15]結合損傷圖像特點，在全內反射照明條件下，提出一種高精度的檢測算法，在提高精度同時，保證了低漏檢率。前人研究主要集中于圖像輪廓的提取以及不同尺寸的瑕疵統計[16]，并利用圖像處理方法判斷薄膜損傷程度，但基于圖像特征的薄膜損傷判據的研究還未成體系。

對薄膜損傷圖像分析發(fā)現，未損傷圖像與損傷圖像的灰度值和RGB值不同，在不同激光能量輻照下，薄膜受輻照區(qū)域的灰度值和RGB值也會有所差異。本文對HfO2和LaTiO3兩種薄膜進行了激光損傷測試，基于散射光并利用在線電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)采集薄膜損傷圖像，借助圖像處理技術對采集到薄膜圖像的灰度特征進行分析；利用數碼顯微鏡觀察薄膜圖像的微觀形貌，分析圖像的RGB特征。研究了兩種薄膜在激光輻照下，能量分別與灰度值和RGB值的變化規(guī)律，得到發(fā)生損傷時灰度和RGB的臨界值。

1 測試原理及方法

1.1 測試裝置及圖像采集

為得到損傷圖像，本文按照ISO 11254國際標準搭建薄膜激光損傷測試系統，圖1為實驗裝置圖。激光器為基模(TEM00)Nd∶Yag調Q激光器(輸出波長為1 064 nm，脈寬為10 ns，最大輸出能量200 mJ)，輸出的光束能量經衰減系統衰減后(衰減系統由三組共15個衰減片組成)，由透鏡聚焦到樣片表面，測試樣片放置于一個步進電機驅動的二維平移臺上，步進電機的最小步距為0.1 mm。將樣片夾持于二維平移臺，樣片表面與激光輻照光路垂直。將CCD放置于二維平移臺10 cm處，夾角為45°，CCD放大倍數為20倍，分辨率為320 pixel×240 pixel。

圖1 實驗裝置圖

CCD采集未經激光輻照的薄膜樣片，得到一幅沒有激光輻照過的薄膜圖像，如圖2(a)所示，采用1-on-1的激光作用方式輻照樣片，在30個不同能量級下分別進行10次輻照，得到300個激光輻照點。圖2為激光作用樣片前后的示意圖，圖2中空心圓代表激光輻照前，實心圓代表激光輻照后。每一行為同一能量級。

激光第一次輻照樣片后，CCD采集到只有一個輻照點的圖像，如圖2(b)所示，利用步進電機移動二維平移臺，進行第二次輻照，CCD采集得到兩個輻照點的圖像。經過300次輻照后，得到301幅圖像。

光照均勻的條件下，將輻照前的樣片和經過300次輻照的薄膜樣片放在具有拍攝和儲存圖像功能的數碼顯微鏡下觀察，拍攝并儲存圖像，得到兩幅薄膜樣片彩色圖像。顯微鏡型號為Nikon ECLIPSE L150，放大倍數為100倍，拍攝時照明光源為白色背景光。

圖2 激光輻照前后示意圖

1.2 損傷圖像灰度特征測試方法

一幅圖像可以定義為一個二維函數f(x，y)，其中，x和y為空間坐標，在空間坐標(x，y)處的幅值f稱為圖像在該點的灰度?；叶葓D像儲存在計算機中，每一個像素對應一個特定的位置和幅值，幅值范圍為0～255。為得到僅包含激光輻照區(qū)域的圖像，同時減少雜散光的影響，對CCD采集到的激光輻照前后薄膜表面圖像做差分[17]，利用激光輻照后的圖像減去激光輻照前的圖像，即使得到的301幅圖像依次做相減運算。

采用的差分方法為

D(i,j)=|F(i,j)-G(i,j)|

(1)

式中：F(i,j)為激光輻照某一點后的圖像；G(i,j)為該點受激光輻照前的圖像；D(i,j)為差分后的輸出結果，激光輻照前后及差分圖像如圖3所示。CCD在暗場條件下采集圖像，由圖3(a)～3(b)可知，當激光輻照薄膜后，散射光能量分布發(fā)生變化，此時CCD采集到的圖像為激光輻照點處散射光斑的圖像，因此提取到的灰度值為基于散射光強的灰度值。

薄膜受激光輻照后，存在損傷與未損傷兩種狀態(tài)。當發(fā)生損傷時，損傷點區(qū)域產生散射光斑，損傷嚴重程度決定光斑強弱，此時在輻照區(qū)域各個像素位置點處的灰度值，F(i,j)大于G(i,j)；當未發(fā)生損傷時，損傷點區(qū)域無散射光斑或存在人眼難以分辨的散射光斑，此時在輻照區(qū)域各個像素位置點處的灰度值，F(i,j)大于或等于G(i,j)。故輻照后相比輻照前的灰度值僅存在增大或持平的情況。理想情況下，差分后的圖像在激光輻照區(qū)域以外的像素點處灰度值為0，考慮到實際情況中會有雜散光的影響，在對激光輻照區(qū)域灰度值提取時，選取灰度值最大的前30個像素點，求取平均值，以該值作為代表輻照區(qū)域的灰度值。

圖3 激光輻照前后及差分圖像

1.3 損傷圖像RGB特征測試方法

彩色圖像在計算機中儲存為一個M×N×3的多維數組矩陣，3個大小相同的二維數組表示一個像素，3個數組分別代表R，G，B分量，R，G，B分別為圖像的紅色、綠色和藍色分量。

由三基色原理可知，大多數的顏色可以通過紅、綠、藍三色按照不同的比例合成產生。同樣絕大多數單色光也可以分解成紅綠藍三種色光[18]。任意色光F均可以用R，G，B三色不同分量的相加混合而成，表達式為

F=r(R)+g(G)+b(B)

(2)

為了減小隨機噪聲對圖像的影響，實驗利用均值濾波與拉普拉斯銳化對圖像進行處理，首先對圖像進行均值濾波，即

(3)

式中：Sxy為中心在點(x,y)處，大小為m×n的鄰域的一組坐標；g(s,t)為輸入圖像；f(x,y)為均值濾波后的圖像。

采用拉普拉斯算子進行圖像增強，可增強圖像中灰度突變的區(qū)域，減弱灰度的緩慢變化區(qū)域[17]。拉普拉斯銳化的基本方法可以表示為

(4)

其中：

f(x,y-1)]-4f(x,y)

(5)

均值濾波可以一定程度上消除小于算子半徑大小的孤立噪聲點，但會造成圖像模糊，結合拉普拉斯銳化可以使圖像更加清晰，圖4為原始損傷圖像與處理后損傷二值圖像，圖4(a)為處理前圖像，圖4(b)為處理后圖像。

圖4 原始損傷圖像與處理后損傷二值圖像

用上述處理后的激光輻照后圖像和激光輻照前作減運算，得到僅包含損傷區(qū)域的二值化圖像。在激光輻照區(qū)域存在一定幾率擊穿基底和熱熔現象，此時二值化后的損傷區(qū)域內部會出現孔洞，如圖4(c)所示，需要對損傷區(qū)域內部的孔洞進行填充，如圖4(d)所示。圖4為300個激光輻照損傷點中的一個損傷點。

對得到的二值圖像，遍歷圖像中每個像素點，統計圖像中所有灰度為0和1的像素點，分別提取像素坐標，構成兩個坐標集合，對應原始彩色圖像相同像素坐標集合，提取每個對應像素坐標下的RGB各個分量值。為了減小環(huán)境雜散光影響，對原始彩色圖像中每個相同像素坐標下的RGB值變化最大的前900個像素點累加求平均。得到的兩組平均值分別作為代表激光輻照區(qū)域和激光未輻照區(qū)域的RGB分量值。

2 測試結果與分析

對單層HfO2薄膜和單層LaTiO3薄膜進行損傷測試，膜厚均為λ/4，λ=1 064 nm。本實驗選取的激光能量范圍為5～63 mJ，采用1-on-1方式輻照樣片，同一能量級下輻照10次，每個能量級輻照完成后，依次增加2 mJ，在30個不同能量級下進行輻照。激光器實際輸出能量值與標定值存在±2%的誤差，故以實際輸出能量值為準，并對同一能量級下10次輻照的實測能量值求平均值。

利用100倍數碼顯微鏡對輻照過的薄膜樣片進行觀測，如圖5所示。圖5中HfO2薄膜激光輻照能量依次為5 mJ，15 mJ，25 mJ和35 mJ。LaTiO3薄膜激光輻照能量依次為9 mJ，27 mJ，37 mJ和45 mJ。從圖5可以看出，隨著能量的增加損傷斑面積逐漸增大。不同激光輻照能量下薄膜樣片的損傷幾率見表1。

圖5 不同激光能量輻照后的薄膜樣片

激光輻照能量/mJ5111723293541475359HfO2薄膜損傷幾率00000.20.70.80.911LaTiO3薄膜損傷幾率00000.10.30.60.811

利用國標法分別計算得到：HfO2薄膜的激光損傷閾值為4.31 J·cm-2，對應的激光輻照能量為21.6 mJ；LaTiO3薄膜的激光損傷閾值為5.08 J·cm-2，對應的激光輻照能量為25.5 mJ。

2.1 灰度特征分析

利用Matlab圖像處理軟件對輻照后的圖像進行處理。不同激光能量下，CCD采集到兩種薄膜損傷圖像的灰度值變化如圖6所示。

圖6 能量-灰度變化關系

能量值為能量計實時測得的能量平均值，灰度值為30次測量采集到數據的平均值。由圖6可以看出，灰度值隨輻照能量的增大而增加。對于HfO2薄膜，當激光輻照能量達到45 mJ左右時，灰度值變化逐漸趨于平緩；對于LaTiO3薄膜，當激光輻照能量達到50 mJ左右時，灰度值變化逐漸趨于平緩。

實驗發(fā)現，HfO2薄膜與LaTiO3薄膜的灰度值分別達到65與72，趨近于飽和狀態(tài)，即當激光能量繼續(xù)增加時，兩種薄膜的灰度值幾乎保持不變，利用顯微鏡觀察發(fā)現，在激光能量增加到55 mJ左右時，有一定幾率存在激光擊穿薄膜基底的現象，導致灰度值的躍變。故選取了灰度值隨激光能量變化規(guī)律較為明顯的前25組數據進行擬合，得到曲線如圖7所示。

圖7 能量-灰度擬合曲線

當無激光輻照時，薄膜不會發(fā)生損傷，即不會產生散射光，此時灰度值必然為0，因此，函數擬合時，將初始點設為(0,0)。由圖6可知，灰度值與激光輻照能量呈正相關關系，因此，該曲線在x正方向上單調遞增。對能量和灰度使用冪函數進行擬合，得到HfO2薄膜和LaTiO3薄膜的函數分別為：f(x)=0.145 22x1.55和f(x)=0.277 04x1.43。

HfO2和LaTiO3兩種膜系在發(fā)生損傷時，對應的激光能量值分別為21.6 mJ和25.5 mJ，將能量值分別帶入擬合的函數中，得到灰度值分別為16.35和28.43。以得到的灰度值作為判別膜系損傷的標準，當灰度值高于該值時，判定為損傷，低于該值時，判定為未損傷?；谠摌藴?，統計膜系的損傷幾率，并利用線性擬合，得到兩種膜系的損傷閾值分別為4.29 J·cm-2和5.15 J·cm-2。對比國標法的計算結果，考慮到圖像采集設備的系統誤差，實驗環(huán)境背景噪聲分布不均勻，以及激光器能量輸出偏差等因素，因此認為得到的灰度值可以作為兩種膜系在發(fā)生損傷時的判據。

2.2 RGB特征分析

在100倍數碼顯微鏡的觀測下，可以看出LaTiO3薄膜與HfO2薄膜的微觀損傷形貌，如圖5所示，HfO2薄膜在激光作用下表現出黑色的燒蝕狀，隨著激光能量的增大，黑色燒蝕狀愈發(fā)明顯；而LaTiO3薄膜由于鍍膜工藝和薄膜本身的理化屬性，在激光誘導損傷過程中，存在吸熱融化再結晶從而產生了新化合物的現象，使得受激光輻照區(qū)域出現顏色變化的“亮區(qū)”，并且隨著激光能量的增大，“亮區(qū)”愈發(fā)明顯。

不同激光輻照能量下HfO2薄膜圖像RGB各個分量值的變化關系如圖8所示。由圖8可以看出，HfO2薄膜受輻照區(qū)域的RGB分量值均隨激光能量的增加而減小，而未輻照區(qū)域的RGB分量值幾乎保持不變。測得激光輻照區(qū)域與周圍未輻照區(qū)域RGB各個分量平均值近似相等。

圖8 HfO2薄膜能量-RGB分量變化關系

不同激光能量下HfO2薄膜圖像輻照區(qū)域內平均RGB分量值以及損傷情況見表2。HfO2薄膜未輻照區(qū)域R，G，B三分量平均值均為130。在顯微鏡觀測下，當R，G，B分量值分別低于125，122和124時，HfO2薄膜發(fā)生損傷。

不同激光輻照能量下LaTiO3薄膜圖像RGB各個分量值的變化關系如圖9所示。由圖9可以看出，LaTiO3薄膜受輻照區(qū)域的RGB分量值均隨激光能量的增加而增加，而未輻照區(qū)域的RGB分量值幾乎保持不變。顯微鏡觀測LaTiO3薄膜在未損傷時，測得激光輻照區(qū)域與周圍未輻照區(qū)域RGB各個分量平均值近似相等。

不同激光能量下LaTiO3薄膜圖像受輻照區(qū)域內平均RGB分量值以及損傷情況見表3。LaTiO3薄膜未損傷區(qū)域R，G，B三分量平均值均為160。在顯微鏡觀測下，當R，G，B分量值分別高于180，169和170時，LaTiO3薄膜發(fā)生損傷。

表2 不同激光能量下HfO2薄膜圖像損傷區(qū)域內RGB分量平均值以及損傷情況

圖9 LaTiO3薄膜能量-RGB分量變化關系

3 結 論

1) 基于散射光對CCD采集到損傷圖像的灰度特征分析，擬合得到了灰度值與激光輻照能量的關系函數。通過關系函數計算得到，發(fā)生損傷時HfO2薄膜與LaTiO3薄膜灰度值分別為16.35和28.43。

2) 利用數碼顯微鏡對損傷微觀圖像進行RGB特征分析，得到HfO2薄膜發(fā)生損傷時的R，G，B值分別為125，122和124；LaTiO3薄膜發(fā)生損傷時的R，G，B值分別為180，169和170，是損傷的臨界值。

3) 薄膜損傷與未損傷圖像之間的灰度值和RGB值存在明顯差異，在薄膜發(fā)生損傷時，存在灰度和RGB各分量的臨界值，該臨界值可作為HfO2和LaTiO3薄膜損傷的判據。