CN101782530A - 薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法及实施装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图像处理、微纳观结构的力学检测和实验力学，具体讲涉及薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法。本发明的目的在于提供一种用于检测脱沾屈曲边界的扩展过程的技术方案，本发明采用的技术方案是，薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法及实施装置，包括、光学显微系统、图像采集装置、输入端、存储装置和处理器，处理器：用于在程序控制下处理表示图像的数据集，从而通过操作来确定该图像中的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏的边界以及边界的扩展，输出端：用于显示脱沾屈曲破坏边缘扩展的检测结果。本发明主要应用于微纳观结构的力学检测。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理、微纳观结构的力学检测和实验力学，具体讲涉及薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法。
背景技术
近20年来，纳米技术成为蓬勃发展的新兴科学。无论国内还是国外都投入了巨大的人力物力开展对这一领域的研究与探索。目前，各国不但在纳米材料方面取得重要进展，并在发展纳米材料的基础上发展了各种各样的纳米结构。纳米薄膜是指只在厚度方向上为纳米量级，通常它是由分子或晶粒均匀铺开构成薄膜。薄膜/基底结构就是有纳米薄膜和基底材料构成的二元系统，该结构常被用于MEMS系统中。脱沾屈曲是薄膜/基底结构常见的破坏形式之一。对这种破坏形式的发生和演变过程的研究有助于我们了解脱沾屈曲这种破坏形式的形成以及演变机理。
实验力学主要研究测量材料以及结构在各种载荷下的变形的实验方法。近年来，数字图像处理方法在实验力学中的应用越来越广，为实验力学提供全新一种新的测量手段。
薄膜/基底结构中脱沾屈曲的尺寸介于几十微米到几百微米之间，必须借助光学显微镜才能观察到。因为光学显微镜的工作原理，离面位移形成的屈曲目标与背景亮度的差别小，在图像中屈曲破坏区域与未破坏区域之间边界非常模糊。对于模糊的物体边缘而言，所选择的边缘算子应该体现尽可能多的潜在边缘。用统计学的名词解释也就是说：尽量避免否认真实边缘的第二类错误，尽管这样可能导致假边缘的误判的第一类错误，这样才能尽量体现边缘变化的细节。由此而导致的以虚假边缘为主的噪声，再通过滤波的方法加以消除。因为与变形扩展的细节损失相比较，第一类错误的噪声是可以容忍的，可以通过其它手段进行控制。Roberts边缘检测算子是一种2×2象素的运算模板(由下式给出：
尽管它被普遍认为与人眼的功能接近能够准确识别边缘，但这种算法很容易受到噪声的影响(即在噪声下容易产生虚假边缘)。通常噪声的模型(如白噪声)认为噪声是叠加在真实亮度信息后的一个零均值的随机函数。因此很难判断哪种强度的边缘是由噪声引起的，不能随意滤除某种强度的边缘。这样的缺点使得大量象素的边缘强度即使经过线性变换仍然偏低，从而导致某些物体边缘未能准确识别。其它广泛应用的的边缘检测算子，如Sobel算子和Prewitt算子都是3×3象素模板，各自分为八个方向的不同算子，应用时需要先验知识。这两种算子相当于边缘检测的同时进行滤波运算，在降低高频噪声的同时使观测对象的边缘模糊。虽然理论上模板算子的尺寸越大对于噪声的处理效果越好，但是大算子容易损失图像细节。
发明内容
当薄膜/基底结构受到温度或力载荷时，脱沾屈曲是一种经常发生的破坏形式。研究这种破坏形式的形成和演化过程有助于找到抑制它发生的有效方法。为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于检测脱沾屈曲边界的扩展过程的技术方案，为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测实施装置，包括：
光学显微系统：对薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏进行光学放大；
图像采集装置：将二维的亮度信号转化为表示各个象素亮度的电信号的装置；
输入端：用于接收表示所采集图像的各元素值的数据元素集；
存储装置：用于存储表示图像的数据集；
处理器：用于在程序控制下处理表示图像的数据集，从而通过如下操作来确定该图像中的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏的边界以及边界的扩展：
对不同载荷下采集到的图像做边缘检测，从而得到不同载荷下的脱沾屈曲的边界；
求出不同载荷下图像之间的相对位移，利用计算结果对原始图像做移动补偿；
对比移动补偿后的图像中的脱沾屈曲边界，确定边界的扩展情况；
输出端：用于显示脱沾屈曲破坏边缘扩展的检测结果。
薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法，包括下列步骤：
通过一定的加载装置给薄膜/基底结构施加载荷，使其产生脱沾屈曲破坏，然后再逐渐加大载荷，使脱沾屈曲破坏逐渐扩展；
通过光学放大系统，用数字图像采集设备对不同载荷下的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲采集图像，并将采集到的图像存储到存储装置中；
用Roberts算子对原始图像逐象素地进行边缘检测，对每个象素的边缘强度进行第一次阀值判断，认为较低强度的是虚假边缘；
对经过第一次阀值判断的象素进行邻域滤波处理；
对经过滤波处理的图像再进行第二次阀值判断，只有大于某一阀值的象素才被赋为亮点，低于阀值的象素点则被设为暗点，确定脱沾屈曲破坏的边界；
计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移；
对比补偿后图像中脱沾屈曲破坏的边界，从而确定边界的扩展情况。
所述的计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移是，采用数字图像相关方法计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移。
本发明具有以下技术效果：
用亚临界缺陷作为计算图像之间相对位移的标志，可以准确的计算图像之间的相对位移。
应用本发明提出的边缘检测算法可以准确的确定薄膜/基底结构中脱沾屈曲的边界。
通过确定不同载荷下脱沾屈曲边界，进而对这些边界进行比较就可以确定不同载荷下边界的扩展过程。
附图说明
图1本发明实验系统的组成图。
图2圆泡型的脱沾屈曲图。
图3在不同载荷下的边界扩展情况图。
具体实施方式
本发明运用图像处理方法来为薄膜/基底结构中的薄膜脱沾屈曲破坏定位。它涉及到了图像处理、微纳观结构的力学检测和实验力学等多个领域。
在本发明还用到了数字图像处理方法中的边缘检测技术，并对其进行合适的改进，使其适合脱沾屈曲的边界检测。
本发明通过检测连续采集的多幅脱沾屈曲破坏图像中的屈曲边界来计算屈曲边界的扩展过程。用于确定屈曲边界的边缘检测算法是本发明的重要内容。
本发明克服了上述常用边缘检测方法的不足，提出一种检测强度较低边缘的图像处理方法。将其应用与薄膜/基底结构中脱沾屈曲破坏边界的检测。
本专利的技术方案分以下三部分介绍：实验系统、实验方法、核心算法。
实验系统：
图1中给出了实验系统的组成。实验系统由光学显微系统、图像采集装置、输入端、存储装置、处理器和输出端组成。各部分的功能与作用如下。
光学显微系统：对薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏进行光学放大。(薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏的尺寸约为几十微米到几百微米，所以必须借助光学显微镜来观察)。
图像采集装置：将二维的亮度信号转化为表示各个象素亮度的电信号的装置。(可以是基于CCD或CMOS的照相机)。
输入端：用于接收表示所采集图像的各元素值的数据元素集
存储装置：用于存储表示图像的数据集
处理器：用于在程序控制下处理表示图像的数据集，从而通过如下操作来确定该图像中的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏的边界以及边界的扩展：
对不同载荷下采集到的图像做边缘检测，从而得到不同载荷下的脱沾屈曲的边界。
求出不同载荷下图像之间的相对位移，利用计算结果对原始图像做移动补偿。
对比移动补偿后的图像中的脱沾屈曲边界，确定边界的扩展情况。
输出端：用于显示脱沾屈曲破坏边缘扩展的检测结果。
实验方法：
整个实验过程可以分为以下几个步骤：
通过一定的加载装置给薄膜/基底结构施加载荷，使其产生脱沾屈曲破坏。然后再逐渐加大载荷，使脱沾屈曲破坏逐渐扩展。
通过合理的光学放大系统，用数字图像采集设备对不同载荷下的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲采集图像。并将采集到的图像存储到存储装置中。
应用本发明提出的边缘检测算法检测所采集的图像中脱沾屈曲破坏区域和未破坏区域之间的边缘，从而确定脱沾屈曲破坏的边界。
计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移。目前有比较成熟的方法可以解决这个问题，如数字图像相关方法。在计算出不同载荷下采集到的图像之间的相对位移以后，对图像做移动补偿，使补偿后的图像之间没有相对位移。
对比补偿后图像中脱沾屈曲破坏的边界，从而确定边界的扩展情况。
核心算法：
本发明的核心算法分为两部分：边缘检测算法和图像相对位移计算方法。
边缘检测算法
边缘检测算法是本发明的重要组成，下面阐述该方法的具体计算过程：
用Roberts算子对原始图像逐象素地进行边缘检测，对每个象素的边缘强度进行第一次阀值判断(在这次阀值判断中用到的阀值称为阀值1)。认为较低强度的是虚假边缘。
对经过第一次阀值判断的象素进行邻域滤波处理。在本发明中将高斯滤波作为邻域滤波方法。
对经过滤波处理的图像再进行第二次阀值判断，只有大于某一阀值的象素才被赋为亮点，低于阀值的象素点则被设为暗点。(第二次阀值判断中用到的阀值称为阀值2)。
在两次阀值判断中，阀值1的值设置的比较小，可以尽量避免潜在的真实边缘的损失。阀值2的设置使得高斯滤波子区所覆盖的孤立亮点被屏蔽；而由物体边缘引起的子区内较多的亮点得以保持。由于有滤波处理噪声的方法，因此较低的边缘检测阀值所引起的误差也能得到很好的控制。这样既克服了高频噪声的影响，又避免了对物体边缘细节造成破坏性的损害。
不同载荷下采集到的图像之间相对位移的计算方法：
有很多方法可以用来计算图像之间的相对位移，数字图像相关方法就是一种成熟的计算方法。通常数字图像相关方法用表面自然纹理或人工喷涂散斑等作为计算相对位移的标记。另外，也不可能在纳米薄膜表面制作人工散斑。但在薄膜/基底结构中通常存在亚临界缺陷。所谓亚临界缺陷是指这种缺陷的尺寸上限不大于膜层厚度的20倍，它在载荷下不会产生新的扩展，即在不同载荷下亚临界缺陷的尺寸和形状都不会发生改变。因此亚临界缺陷是一种用于计算图像之间相对位移的理想标记。在数字图像相关方法中将亚临界缺陷选为计算位移的标志点就可以得到图像之间的相对位移。
作为示例，图2给出了一个圆泡型的脱沾屈曲，图3给出了它在不同载荷下的边界扩展情况。其中红色、黄色和绿色分别标识三个不同载荷下的脱沾屈曲边界。
本发明工作步骤概括如下：
通过一定的加载装置给薄膜/基底结构施加载荷，使其产生脱沾屈曲破坏。然后再逐渐加大载荷，使脱沾屈曲破坏逐渐扩展。
通过合理的光学放大系统，用数字图像采集设备对不同载荷下的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲采集图像。并将采集到的图像存储到存储装置中。
应用本发明提出的边缘检测算法检测所采集的图像中脱沾屈曲破坏区域和未破坏区域之间的边缘，从而确定脱沾屈曲破坏的边界。
计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移。目前有比较成熟的方法可以解决这个问题，如数字图像相关方法。在计算出不同载荷下采集到的图像之间的相对位移以后，对图像做移动补偿，使补偿后的图像之间没有相对位移。
对比补偿后图像中脱沾屈曲破坏的边界，从而确定边界的扩展情况。
Claims (3)
1.一种薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测实施装置，其特征是，包括：：
光学显微系统：对薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏进行光学放大；
图像采集装置：将二维的亮度信号转化为表示各个象素亮度的电信号的装置；
输入端：用于接收表示所采集图像的各元素值的数据元素集；
存储装置：用于存储表示图像的数据集；
处理器：用于在程序控制下处理表示图像的数据集，从而通过如下操作来确定该图像中的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲破坏的边界以及边界的扩展：
对不同载荷下采集到的图像做边缘检测，从而得到不同载荷下的脱沾屈曲的边界；
求出不同载荷下图像之间的相对位移，利用计算结果对原始图像做移动补偿；
对比移动补偿后的图像中的脱沾屈曲边界，确定边界的扩展情况；
输出端：用于显示脱沾屈曲破坏边缘扩展的检测结果。
2.一种薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法，其特征是，包括下列步骤：
通过一定的加载装置给薄膜/基底结构施加载荷，使其产生脱沾屈曲破坏，然后再逐渐加大载荷，使脱沾屈曲破坏逐渐扩展；
通过光学放大系统，用数字图像采集设备对不同载荷下的薄膜/基底结构中的脱沾屈曲采集图像，并将采集到的图像存储到存储装置中；
用Roberts算子对原始图像逐象素地进行边缘检测，对每个象素的边缘强度进行第一次阀值判断，认为较低强度的是虚假边缘；
对经过第一次阀值判断的象素进行邻域滤波处理；
对经过滤波处理的图像再进行第二次阀值判断，只有大于某一阀值的象素才被赋为亮点，低于阀值的象素点则被设为暗点，确定脱沾屈曲破坏的边界；
计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移；
对比补偿后图像中脱沾屈曲破坏的边界，从而确定边界的扩展情况。
3.根据权利要求2所述的一种薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法，其特征是，所述的计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移是，采用数字图像相关方法计算不同载荷下采集到的图像之间的相对位移。
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