CN113720850A - 一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法，包括构建缺陷检测装置；选取一光学元件的样品，找出一能激发荧光的点作为标记点；将样品安装在样品台上，表面分为数个成像区域，采用缺陷检测装置对样品扫描成像得到每个成像区域的子孔径散射图像与子孔径荧光图像；再图像拼接。本发明采用了散射成像与荧光成像双通道技术实现散射信号与荧光信号的同步、原位成像，充分利用散射图像特征点较多的特点，进行大视场全孔径图像拼接，解决了定位不准的问题，还提高了检测效率，尤其是对大尺寸光学元件的亚表面缺陷检测，可以使图像采集与图像处理同步进行，进一步节约时间成本，实现熔石英元件表面、亚表面缺陷的快速、高精度筛选表征。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像拼接方法，尤其涉及一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法。
背景技术
为了获得最大输出，大型高功率/高能量激光装置都在接近于光学元件损伤阈值的通量下运行，因此光学元件损伤性能尤其重要，是决定这类激光装置输出能力的关键。分布在抛光再沉积层以下亚微米到数十微米的深度、无法用常规的检测方法探测的熔石英元件亚表面缺陷是引发熔石英元件紫外损伤根本原因。为了提高光学元件的抗激光损伤性能，常用的方式对光学元件表面进行再处理，即采用氢氟酸去除掉富集缺陷的亚表面层。处理后的光学元件损伤性能获得大幅度提升，但仍可能存在少量引起激光损伤的离散的亚表面缺陷。
基于荧光成像原理的无损检测技术，可以实现对熔石英亚表面缺陷的大面积、高分辨率、快速成像检测。但是氢氟酸处理后光学元件亚表面缺陷较少，因此在荧光成像获得的图像中缺陷比较少，缺乏足够多的特征点去拼接成全孔径图像。而大面积扫描成像需要电动平移台反复移动，整个过程会存在回程误差，导致根据扫描设定重合区域进行拼接存在缺陷定位精度差的问题。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，采用散射成像与荧光成像双通道技术实现散射信号与荧光信号的同步、原位成像，可充分利用散射图像特征点较多的特点，进行大视场全孔径图像拼接一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法，包括以下步骤；
（1）构建一缺陷检测装置，所述缺陷检测装置包括样品台、激光器和图像采集单元；
所述样品台水平设置，用于放置样品并带动其三维移动；
所述激光器发出激光，经光路后从斜上方入射至样品表面及亚表面；
所述图像采集单元位于样品台正上方，用于在样品表面进行散射成像和荧光成像，得到散射图像和荧光图像；
（2）选取一光学元件的样品，找出一能激发荧光的点作为标记点，标记点所在的面为样品的正面；
（3）将样品安装在样品台上，调节激光器和图像采集单元，在标记点处激发出荧光，并使标记点处的散射图像和荧光图像均清晰；
（4）将样品表面分为数个成像区域，且相邻成像区域部分重叠，移动样品，按S形路径对每个成像区域进行激发和成像，依次得到每个成像区域的散射图像和荧光图像，并将每个成像区域的散射图像和荧光图像，作为该区域的的子孔径散射图像和子孔径荧光图像；
（5）子孔径散射图像拼接；
每张子孔径散射图像，先采用特征点匹配方法进行拼接，若该子孔径散射图像特征点不匹配，则采用重合区域图像拼接方法进行拼接，最终得到全孔径散射图像，并保存其拼接规则；
（6）按（5）得到的拼接规则，对子孔径荧光图像进行拼接，得到全孔径荧光图像。
作为优选：所述样品台为高精度三维电动移动平台；
所述图像采集单元包括从下到上依次设置的显微成像镜头、第一高通滤波片、第二高通滤波片和单光子CCD，中，第一高通滤波片与水平面呈45°角设置且一侧设有紫外增强CCD，第二高通滤波片水平设置，所述显微成像镜头用于采集样品表面散射的紫外线并分为两路，一路经第一高通滤波片在紫外增强CCD中散射成像，另一路经第二高通滤波片在单光子CCD中荧光成像。
作为优选：所述斜入射激光为355nm的连续激光，且经整形、聚焦后入射到样品正面，所述第一高通滤波片、第二高通滤波片为375nm高通滤波片。
所述样品为熔石英。
本发明中，激光器产生的激发光源为单波长355nm连续激光，实际上可根据材料缺陷特性选择其他波长，激光器的最大输出功率为500mw，元件的亚表面缺陷容易受激光激发产生荧光，当激光光束以特定角度斜入射到元件表面，激光激发出的荧光以及元件表面散射的紫外光通过显微成像镜头收集与会聚，其中，散射的紫外光通过一个与水平面呈45°角设置的第一高通滤波片，被紫外增强CCD采集，而荧光先通过45°的第一高通滤波片，再通过一个水平设置的第二高通滤波片，最后被单光子CCD采集，同步进行荧光成像和散射成像。
本发明采用散射图像与荧光图像双通道融合检测，可以实现散射与荧光的同步、原位成像。
在进行图像拼接时，对所有子孔径散射图像，先按照特征点匹配方法进行拼接，若特征点较多时，则会匹配成功，若特征点太少，会出现不匹配的情况，此时则改用重合区域图像拼接方法进行拼接。每一次拼接，均记录其拼接路径，最终得到拼接好的全孔径散射图像，及其拼接规则。
再对子孔径荧光图像进行拼接，拼接时，采用散射图像的拼接规则，由于每个成像区域都对应一张子孔径散射图像和子孔径荧光图像，所以每个成像区域中，子孔径散射图像和子孔径荧光图像也是一一对应的。这样，若子孔径散射图像采用特征点匹配方法进行图像拼接，则对应的子孔径荧光图像也采用特征点匹配方法进行图像拼接。若子孔径散射图像采用重合区域图像拼接方法进行图像拼接，则对应的子孔径荧光图像也采用重合区域图像拼接方法进行图像拼接。最终按照全孔径散射图像的拼接规则，得到全孔径荧光图像。
这是因为：样品台在进行三维位移时，会有一定的误差，扫描后的累计误差比较大，因此直接采用重合区域规则拼接，会误差比较大；因此，对缺陷点较多，即特征点更多的子孔径散射图像用特征点拼接，对于特征点较少或者无特征点的子孔径散射图像，则按照扫描的重合区域图像拼接方法进行拼接；这样，每一子孔径散射图像的拼接位置就确定了下来，能有效减少误差。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用了散射成像与荧光成像双通道技术实现散射信号与荧光信号的同步、原位成像，可充分利用散射图像特征点较多的特点，进行大视场全孔径图像拼接，减少拼接过程中出现的误差，并记录其拼接规则、路径等，利用该拼接规则来辅助荧光图像拼接，进而得到精确拼接的荧光图像。
该方法不仅解决了定位不准的问题，还大大提高了检测，尤其是对大尺寸光学元件的亚表面缺陷检测，可以使图像采集与图像处理同步进行，进一步节约时间成本，实现熔石英元件表面、亚表面缺陷的快速、高精度筛选表征。
本发明可快速、精确拼接具有离散信号的亚表面缺陷图像，对高精度定位、快速、高分辨无损探测光学元件亚表面缺陷极为重要。本发明不仅仅可用于氢氟酸处理后大口径熔石英元件的亚表面缺陷图像的高精度拼接处理，还可用于类似具有少量信号图像的拼接处理。
附图说明
图1为本发明中缺陷检测装置结构图；
图2为步骤（4）得到的紫外增强CCD获得的子孔径散射图像；
图3为步骤（4）得到的单光子CCD获得的子孔径荧光图像；
图4为全孔径散射图像；
图5为全孔径荧光图像；
图6为全孔径散射图像和全孔径荧光图像的拼接流程图；
图7为现有技术方法的得到的全孔径荧光图像；
图8为本发明方法得到的全孔径荧光图像。
图中：1、单光子CCD；2、第二高通滤波片；3、第一高通滤波片；4、紫外增强CCD；5、显微成像镜头；6、斜入射激光；7、散射光；8、样品台；9、平移台。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1-图6，一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法，包括以下步骤；
（1）构建一缺陷检测装置，所述缺陷检测装置包括样品台8、激光器和图像采集单元；
所述样品台8水平设置，用于放置样品并带动其三维移动；
所述激光器发出激光，经光路后从斜上方入射至样品表面及亚表面，我们将经光路斜入射的激光，称呼为斜入射激光6；
所述图像采集单元位于样品台8正上方，用于在样品表面进行散射成像和荧光成像，得到散射图像和荧光图像；
（2）选取一光学元件的样品，找出一能激发荧光的点作为标记点，标记点所在的面为样品的正面；
（3）将样品安装在样品台8上，调节激光器和图像采集单元，在标记点处激发出荧光，并使标记点处的散射图像和荧光图像均清晰；
（4）将样品表面分为数个成像区域，且相邻成像区域部分重叠，移动样品，按S形路径对每个成像区域进行激发和成像，依次得到每个成像区域的散射图像和荧光图像，并将每个成像区域的散射图像和荧光图像，作为该区域的的子孔径散射图像和子孔径荧光图像；
（5）子孔径散射图像拼接；
每张子孔径散射图像，先采用特征点匹配方法进行拼接，若该子孔径散射图像特征点不匹配，则采用重合区域图像拼接方法进行拼接，最终得到全孔径散射图像，并保存其拼接规则；
（6）按（5）得到的拼接规则，对子孔径荧光图像进行拼接，得到全孔径荧光图像。
缺陷检测装置中，激光器发出激光，经光路反射、折射后到样品表面，样品的表面和亚表面缺陷容易受激光激发产生荧光，同时还会在样品表面散射紫外光。我们利用荧光、紫外光分别同时成像，分别形成散射图像，和荧光图像。利用散射图像中特征点多的特点，进行大视场全孔径图像拼接，得到散射图像拼接成全孔径图像的拼接规则，利用该拼接规则来辅助荧光图像拼接，进而得到精确拼接的荧光图像。
实施例2：参见图1-图6，本实施例2在实施例1的基础上进一步改进，其中，所述样品台8为高精度三维电动移动平台；
所述图像采集单元包括从下到上依次设置的显微成像镜头5、第一高通滤波片3、第二高通滤波片2和单光子CCD1，中，第一高通滤波片3与水平面呈45°角设置且一侧设有紫外增强CCD4，第二高通滤波片2水平设置，所述显微成像镜头5用于采集样品表面散射的紫外线并分为两路，一路经第一高通滤波片3在紫外增强CCD4中散射成像，另一路经第二高通滤波片2在单光子CCD1中荧光成像。
所述斜入射激光6为355nm的连续激光，且经整形、聚焦后入射到样品正面，所述第一高通滤波片3、第二高通滤波片2为375nm高通滤波片。
本发明的缺陷检测装置中，当激光光束以特定角度斜入射到样品表面时，会产生散射的紫外光及荧光，我们统一称呼为散射光7，其中，紫外光在紫外增强CCD4中成像，形成散射图像，用以形成子孔径散射图像并后续进行拼接，荧光在单光子CCD1中成像，形成荧光图像，用以形成子孔径荧光图像并后续进行拼接。本实施例中，所述光学元件的样品为熔石英。
具体的：激光器产生单波长355nm连续激光，倾斜入射到元件表面，激光激发出的荧光以及元件表面散射的紫外光通过显微成像镜头5收集与会聚，其中，散射的紫外光通过一个与水平面呈45°角设置的第一高通滤波片3，被紫外增强CCD4采集，进行散射成像，而荧光先通过45°的第一高通滤波片3，再通过一个水平设置的第二高通滤波片2，最后被单光子CCD1采集，进行荧光成像。
本实施例中，激光器产生的激发光源为单波长355nm连续激光，实际上可根据材料缺陷特性选择其他波长，激光器的最大输出功率为500mw。
实施例3：参见图1到图8，为了更好的说明本发明的效果，我们在实施例1的基础上进一步改进。
步骤（1）-（6），同实施例1，得到了全孔径散射图像与全孔径荧光图像，如图4、图5所示。
（7）采用计算机，对全孔径散射图像与全孔径荧光图像，分别进行缺陷信息提取，所述缺陷信息包括缺陷的位置、尺寸、强度等，由于全孔径图像为灰度图像，所以强度是指其灰度值大小，即0-255的值，值越大，则说明亮度越大，强度越高，该位置的缺陷越明显。
（8）经过步骤（7）可标记出两张全孔径图像中的缺陷块，对全孔径散射图像与全孔径荧光图像，分别找到其中的缺陷块，再对两张全孔径图像中的所有缺陷块进行对比，我们以缺陷块中心位置为目标位置，来判定两张全孔径图像中，散射缺陷和荧光缺陷的位置是否一致。
（9）若两张全孔径图像中相同位置均有缺陷块，则将其作为该样品的表面荧光缺陷与亚表面荧光缺陷，筛选出，并分别标记出，储存、输出信息。
为了说明本发明方法的效果，我们参见图7和图8，图7为现有技术方法的得到的全孔径荧光图像；可以看到，在图像的右侧中部，本该是一条划痕，拼接后却显示为两条。图8为本发明方法得到的全孔径荧光图像，可以看到，在图像的右侧中部，连接为了一条完整的划痕。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法，其特征在于：包括以下步骤；
（1）构建一缺陷检测装置，所述缺陷检测装置包括样品台、激光器和图像采集单元；
所述样品台水平设置，用于放置样品并带动其三维移动；
所述激光器发出激光，经光路后从斜上方入射至样品表面及亚表面；
所述图像采集单元位于样品台正上方，用于在样品表面进行散射成像和荧光成像，得到散射图像和荧光图像；
（2）选取一光学元件的样品，找出一能激发荧光的点作为标记点，标记点所在的面为样品的正面；
（3）将样品安装在样品台上，调节激光器和图像采集单元，在标记点处激发出荧光，并使标记点处的散射图像和荧光图像均清晰；
（4）将样品表面分为数个成像区域，且相邻成像区域部分重叠，移动样品，按S形路径对每个成像区域进行激发和成像，依次得到每个成像区域的散射图像和荧光图像，并将每个成像区域的散射图像和荧光图像，作为该区域的的子孔径散射图像和子孔径荧光图像；
（5）子孔径散射图像拼接；
每张子孔径散射图像，先采用特征点匹配方法进行拼接，若该子孔径散射图像特征点不匹配，则采用重合区域图像拼接方法进行拼接，最终得到全孔径散射图像，并保存其拼接规则；
（6）按（5）得到的拼接规则，对子孔径荧光图像进行拼接，得到全孔径荧光图像。
2.根据权利要求1所述的一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法，其特征在于：所述样品台为高精度三维电动移动平台；
所述图像采集单元包括从下到上依次设置的显微成像镜头、第一高通滤波片、第二高通滤波片和单光子CCD，中，第一高通滤波片与水平面呈45°角设置且一侧设有紫外增强CCD，第二高通滤波片水平设置，所述显微成像镜头用于采集样品表面散射的紫外线并分为两路，一路经第一高通滤波片在紫外增强CCD中散射成像，另一路经第二高通滤波片在单光子CCD中荧光成像。
3.根据权利要求1所述的一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法，其特征在于：所述斜入射激光为355nm的连续激光，且经整形、聚焦后入射到样品正面，所述第一高通滤波片、第二高通滤波片为375nm高通滤波片。
4.根据权利要求1所述的一种少量离散缺陷图像的精确拼接方法，其特征在于：所述样品为熔石英。
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| 张健浦等: "熔融石英光学元件亚表面缺陷三维重构技术", 《光学学报》, vol. 40, no. 2, 31 January 2020 (2020-01-31), pages 1 - 11 * |
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