CN102841102B - 一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法及装置，所述的方法包括以下步骤：采用暗场照明，在线显微镜在泵浦激光辐照前对被测样品进行拍摄，获得图片a；计算机对图片a进行处理，分别识别出图片a中所有灰度高于阈值T_高和T_低的缺陷点，获得缺陷点数据D_0高和D_0低；在线显微镜对辐射后的被测样品进行拍摄，获得图片b，计算机识别出图片b中所有灰度高于T_高的缺陷点，获得缺陷点数据D_1高；将D_1高中的每一个缺陷点与D_0高和D_0低中的所有缺陷点进行逐一比较；计算机根据比较结果以及判定准则，识别样品是否发生损伤；所述的装置包括泵浦激光器、电动平移台、照明光源、在线显微镜和计算机。与现有技术相比，本发明具有可有效识别微小尺度损伤点、识别精度高等优点。

Description

一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光学元件抗激光损伤性能测试领域的方法及装置，尤其是涉及一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法及装置。

背景技术

激光薄膜是高功率激光系统中的关键元件，而薄膜的激光损伤阈值是限制强激光技术向高功率、高能量方向发展的重要瓶颈之一。为了深入分析激光薄膜的损伤性能和损伤机制，准确评价光学元件的抗激光损伤能力，需要不断地发展和完善激光损伤阈值的测量技术，提高损伤阈值的测量精度和准确度，从而指导薄膜制备工艺的优化和改进。由于激光损伤机制及薄膜本身结构的复杂性，激光薄膜损伤阈值的测量结果与测试环境、输入参数和损伤判定标准等条件密切相关，特别是微弱损伤点的检测精度和判定准则直接决定着未损伤和损伤的临界值，是影响损伤阈值测量结果最为显著的因素之一。

目前，在损伤阈值测量过程中，国际上广泛采用的损伤点的识别方法主要包含两类：光电信号检测和图像相减法。前者是利用光电探测器检测待测点的散射信号，当损伤发生时散射信号会显著增强，一般定义散射信号增强1.5～2倍时认定样品损伤；后者是利用图像处理技术，将激光辐照样品前的图像与激光辐照样品后的图像经过滤波和二值化处理后直接相减运算，如果样品发生损伤，在损伤点处两幅图像的差值不为零。

然而，光电信号检测技术是一种间接识别方式，不能直接获得损伤点的相关数据，并且其精度受限于损伤点处散射光强度的大小，而且背底散射信号的校准过程复杂，对于损伤点识别的精度较低。图像处理技术是一种直接的损伤点判定方法，简单、有效，但当前主要采用的两幅图像相减的比较方式，对于微小尺度损伤点的识别存在着不足。首先，在测量过程中，样品和显微镜都存在着微小的抖动，特别是刚刚移至一个新的位置时，将造成同一个位置在不同时间拍摄的图像产生微米量级的偏移，此时两幅图像如果直接相减运算，图像强区的中心坐标没有直接对应，容易导致错误的判定结果；另外，对于工作频率为10Hz的脉冲式Nd:YAG激光器，测量中对图像曝光、获取、处理和判定时间需要在0.1s内完成，因此曝光时间一般小于10ms，在如此短的时间内，受光源稳定性等拍摄环境的影响，同一个位置在不同时间拍摄的图像的灰度值存在起伏变化，从而影响着两幅图像相减运算后的结果；最后，该方法只能简单的判定样品有没有损伤，不能提供更多的关于损伤点的信息，包括位置坐标、原始尺寸和损伤后尺寸等。由于上述的原因和不足，增加了测量误差，限制了损伤阈值测量中两种方法对微米尺度损伤点的识别精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种识别精度高的损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法，该方法包括以下步骤：

①将被测样品固定在电动平移台，采用暗场照明，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置，在泵浦激光辐照前对被测样品进行拍摄，获得图片a，并将图片a传送至计算机中；

②计算机对图片a进行处理，根据预先设定的阈值T_高和T_低，分别识别出图片a中所有灰度高于T_高和T_低的缺陷点，获得缺陷点数据D_0高和D_0低；

③计算机控制泵浦激光器辐照被测样品，在线显微镜对辐射后的被测样品进行拍摄，获得图片b，并传送至计算机，计算机根据阈值T_高识别出图片b中所有灰度高于T_高的缺陷点，获得缺陷点数据D_1高；

④计算机将D_1高中的每一个缺陷点与D_0高和D_0低中的所有缺陷点进行逐一比较，获得缺陷点间的位置偏差和尺寸偏差；

⑤计算机根据步骤④获得的位置偏差、尺寸偏差以及预先设定的位置容差E₁、尺寸容差E₂、判定准则，识别样品是否发生损伤；

⑥重复上述步骤①～⑤，实现被测样品同一位置在泵浦激光多个脉冲辐照下的损伤识别；

⑦计算机移动电动平移台，重复步骤①～⑥，实现被测样品不同位置的损伤识别。

所述的步骤④具体为：

41)根据公式(1)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中的所有缺陷点的位置偏差O_1n，并记录所有位置偏差中的最小值O_1n-min，

$O_{1n}=\sqrt{{(X_1-X_{0n})}^2+{(Y_1-Y_{0n})}^2}---\left(1\right)$

其中，(X₁，Y₁)是D_1高中第1个缺陷点中心的位置坐标，(X_0n，Y_0n)是D_0高中第n个缺陷点中心的位置坐标；

42)根据公式(2)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0低中的所有缺陷点的位置偏差O_1′n，并记录所有位置偏差中的最小值O_1′n-min，

$O_{1^{\′}n}=\sqrt{{(X_1-X_{0^{\′}n})}^2+{(Y_1-Y_{0^{\′}n})}^2}---\left(2\right)$

其中，(X_0′n，Y_0′n)是D_0低中第n个缺陷点中心的位置坐标；

43)根据公式(3)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中的所有缺陷点的尺寸偏差S_1n，

S_1n＝S₁-S_0n              (3)

其中，S₁是D_1高中第1个缺陷点的尺寸，S_0n是D_0高中第n个缺陷点的尺寸。

所述的步骤⑤中的判定准则具体为：

51)如果O_1n-min＜E₁，并且该缺陷点S_1n＞E₂，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，在泵浦激光作用前后其尺寸发生了生长，超过了设定的尺寸容差E₂，此时判定样品发生损伤；

52)如果O_1n-min＜E₁，并且该缺陷点S_1n＜E₂，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，在泵浦激光作用前后，其尺寸未超过设定的尺寸容差，此时判定样品未发生损伤；

53)如果O_1n-min＞E₁，并且O_1′n-min＞E₁，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高和D_0低中所有缺陷点均不匹配，该缺陷点是由泵浦激光作用在被测样品后产生的新的缺陷点，此时判定样品发生损伤；

54)如果O_1n-min＞E₁，并且O_1′n-min＜E₁，则认为D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中所有缺陷点不匹配，但与D_0低中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，由于拍照环境的影响造成了获得的图片a和图片b在阈值T_高下对同一缺陷点识别结果的差异，此时判定样品未发生损伤。

一种实施所述的损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法的装置，包括泵浦激光器、电动平移台、照明光源、在线显微镜和计算机，所述的计算机分别连接泵浦激光器、电动平移台和在线显微镜，所述的照明光源设置在电动平移台上方；

将被测样品固定在电动平移台上，打开照明光源，通过在线显微镜对泵浦激光辐射前后的被测样品进行拍照，计算机对获得的图片进行损伤点识别处理。

所述的照明光源为可进行暗场照明的光源。

与现有技术相比，本发明利用在线显微镜对被测样品在泵浦激光辐照前后的图像进行拍摄，在图像的处理和分析中设定了高低两个灰度阈值以及位置容差和尺寸容差，将激光辐照前后图像中的所有缺陷点进行比较和判定，能够实现在脉冲激光损伤阈值测量中微米尺度损伤点的有效识别。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2(a)为本发明激光辐照前，被测样品的测量位置在暗场下拍摄的图片；

图2(b)为本发明激光辐照后，被测样品的测量位置在暗场下拍摄的图片；

图3为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法，该方法包括以下步骤：

①将被测样品固定在电动平移台，采用暗场照明，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置，在泵浦激光辐照前对被测样品进行拍摄，获得图片a，如图2(a)所示，并将图片a传送至计算机中。

②计算机对图片a进行处理，根据预先设定的阈值T_高和T_低，分别识别出图片a中所有灰度高于T_高和T_低的缺陷点，获得缺陷点数据D_0高和D_0低。

③计算机控制泵浦激光器辐照被测样品，在线显微镜对辐射后的被测样品进行拍摄，获得图片b，如图2(b)所示，并传送至计算机，计算机根据阈值T_高识别出图片b中所有灰度高于T_高的缺陷点，获得缺陷点数据D_1高。

④计算机将D_1高中的每一个缺陷点与D_0高和D_0低中的所有缺陷点进行逐一比较，获得缺陷点间的位置偏差和尺寸偏差：

41)根据公式(1)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中的所有缺陷点的位置偏差O_1n，并记录所有位置偏差中的最小值O_1n-min，

$O_{1n}=\sqrt{{(X_1-X_{0n})}^2+{(Y_1-Y_{0n})}^2}---\left(1\right)$

其中，(X₁，Y₁)是D_1高中第1个缺陷点中心的位置坐标，(X_0n，Y_0n)是D_0高中第n个缺陷点中心的位置坐标；

42)根据公式(2)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0低中的所有缺陷点的位置偏差O_1′n，并记录所有位置偏差中的最小值O_1′n-min，

$O_{1^{\′}n}=\sqrt{{(X_1-X_{0^{\′}n})}^2+{(Y_1-Y_{0^{\′}n})}^2}---\left(2\right)$

其中，(X_0′n，Y_0′n)是D_0低中第n个缺陷点中心的位置坐标：

43)根据公式(3)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中的所有缺陷点的尺寸偏差S_1n，

S_1n＝S₁-S_0n              (3)

其中，S₁是D_1高中第1个缺陷点的尺寸，S_0n是D_0高中第n个缺陷点的尺寸。

⑤计算机根据步骤④获得的位置偏差、尺寸偏差以及预先设定的位置容差E₁、尺寸容差E₂、判定准则，识别样品是否发生损伤：

51)如果O_1n-min＜E₁，并且该缺陷点S_1n＞E₂，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，在泵浦激光作用前后其尺寸发生了生长，超过了设定的尺寸容差E₂，此时判定样品发生损伤；

52)如果O_1n-min＜E₁，并且该缺陷点S_1n＜E₂，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，在泵浦激光作用前后，其尺寸未超过设定的尺寸容差，此时判定样品未发生损伤；

53)如果O_1n-min＞E₁，并且O_1′n-min＞E₁，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高和D_0低中所有缺陷点均不匹配，该缺陷点是由泵浦激光作用在被测样品后产生的新的缺陷点，此时判定样品发生损伤；

54)如果O_1n-min＞E₁，并且O_1′n-min＜E₁，则认为D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中所有缺陷点不匹配，但与D_0低中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，由于拍照环境的影响造成了获得的图片a和图片b在阈值T_高下对同一缺陷点识别结果的差异，此时判定样品未发生损伤；

55)对于在阈值T_高下D_0高中识别出的、但在D_1高中未能识别出的缺陷点，或者是污染物在泵浦激光辐照下被清除，或者是拍照环境对同一缺陷点识别结果的影响，由于只有出现新缺陷点或原有缺陷点在泵浦激光辐照下尺寸增大才被认定发生损伤，因此该情况不做为损伤的判定条件。

⑥重复上述步骤①～⑤，实现被测样品同一位置在泵浦激光多个脉冲辐照下的损伤识别；

⑦计算机移动电动平移台，重复步骤①～⑥，实现被测样品不同位置的损伤识别。

上述阈值T高和T低的设定，由同一个缺陷点在多次拍照中灰度值的大小和变化幅度决定；位置容差E₁和尺寸容差E₂的设定，由同一个缺陷点在多次拍照中位置和尺寸的变化幅度决定。

如图3所示，一种实施上述损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法的装置，包括泵浦激光器1、电动平移台3、照明光源4、在线显微镜5和计算机，所述的计算机分别连接泵浦激光器1、电动平移台3和在线显微镜5，所述的照明光源4设置在电动平移台3上方；将被测样品2固定在电动平移台3上，打开照明光源4，通过在线显微镜5对泵浦激光辐射前后的被测样品进行拍照，计算机对获得的图片进行损伤点识别处理。所述的照明光源4为可进行暗场照明的光源。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①将被测样品固定在电动平移台，采用暗场照明，在线显微镜对准泵浦激光辐照被测样品的位置，在泵浦激光辐照前对被测样品进行拍摄，获得图片a，并将图片a传送至计算机中；

②计算机对图片a进行处理，根据预先设定的阈值T_高和T_低，分别识别出图片a中所有灰度高于T_高和T_低的缺陷点，获得缺陷点数据D_0高和D_0低；

③计算机控制泵浦激光器辐照被测样品，在线显微镜对辐射后的被测样品进行拍摄，获得图片b，并传送至计算机，计算机根据阈值T_高识别出图片b中所有灰度高于T_高的缺陷点，获得缺陷点数据D_1高；

④计算机将D_1高中的每一个缺陷点与D_0高和D_0低中的所有缺陷点进行逐一比较，获得缺陷点间的位置偏差和尺寸偏差；

⑤计算机根据步骤④获得的位置偏差、尺寸偏差以及预先设定的位置容差E₁、尺寸容差E₂、判定准则，识别样品是否发生损伤；

⑥重复上述步骤①～⑤，实现被测样品同一位置在泵浦激光多个脉冲辐照下的损伤识别；

⑦计算机移动电动平移台，重复步骤①～⑥，实现被测样品不同位置的损伤识别。

2.根据权利要求1所述的一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法，其特征在于，所述的步骤④具体为：

41)根据公式(1)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中的所有缺陷点的位置偏差O_1n，并记录所有位置偏差中的最小值O_1n-min，

$O_{1n}=\sqrt{{(X_1-X_{0n})}^2+{(Y_1-Y_{0n})}^2}---\left(1\right)$

其中，(X₁,Y₁)是D_1高中第1个缺陷点中心的位置坐标，(X_0n,Y_0n)是D_0高中第n个缺陷点中心的位置坐标；

42)根据公式(2)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0低中的所有缺陷点的位置偏差O_1′n，并记录所有位置偏差中的最小值O_1′n-min，

$O_{1^{\′}n}=\sqrt{{(X_1-X_{0^{\′}n})}^2+{(Y_1-Y_{0^{\′}n})}^2}---\left(2\right)$

其中，(X_0′n,Y_0′n)是D_0低中第n个缺陷点中心的位置坐标；

43)根据公式(3)，计算D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中的所有缺陷点的尺寸偏差S_1n，

S_1n＝S₁-S_0n   (3)

其中，S₁是D_1高中第1个缺陷点的尺寸，S_0n是D_0高中第n个缺陷点的尺寸。

3.根据权利要求2所述的一种损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法，其特征在于，所述的步骤⑤中的判定准则具体为：

51)如果O_1n-min<E₁，并且该缺陷点S_1n>E₂，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，在泵浦激光作用前后其尺寸发生了生长，超过了设定的尺寸容差E₂，此时判定样品发生损伤；

52)如果O_1n-min<E₁，并且该缺陷点S_1n<E₂，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，在泵浦激光作用前后，其尺寸未超过设定的尺寸容差，此时判定样品未发生损伤；

53)如果O_1n-min>E₁，并且O_1′n-min>E₁，则D_1高中的第1个缺陷点与D_0高和D_0低中所有缺陷点均不匹配，该缺陷点是由泵浦激光作用在被测样品后产生的新的缺陷点，此时判定样品发生损伤；

54)如果O_1n-min>E₁，并且O_1′n-min<E₁，则认为D_1高中的第1个缺陷点与D_0高中所有缺陷点不匹配，但与D_0低中位置偏差最小的缺陷点是同一缺陷点，由于拍照环境的影响造成了获得的图片a和图片b在阈值T_高下对同一缺陷点识别结果的差异，此时判定样品未发生损伤。

4.一种实施如权利要求1所述的损伤阈值测量中微小尺度损伤点的识别方法的装置，其特征在于，包括泵浦激光器、电动平移台、照明光源、在线显微镜和计算机，所述的计算机分别连接泵浦激光器、电动平移台和在线显微镜，所述的照明光源设置在电动平移台上方，所述的照明光源为可进行暗场照明的光源；

将被测样品固定在电动平移台上，打开照明光源，通过在线显微镜对泵浦激光辐射前后的被测样品进行拍照，计算机对获得的图片进行损伤点识别处理。