楊利紅,謝 輝,蘇俊宏

(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院, 陜西 西安 710032;2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065)

引言

在光學(xué)薄膜激光誘導(dǎo)損傷過(guò)程中，光學(xué)薄膜的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)不同的效果。光學(xué)薄膜的激光損傷過(guò)程是非常復(fù)雜的，并且涉及許多因素，因此許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究[1]。目前激光損傷閾值通常用于描述光學(xué)薄膜抗激光損傷能力，在薄膜的激光損傷閾值測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)不同能量密度的激光輻照薄膜樣片確定是否發(fā)生損傷，以及損傷模式發(fā)生與否[2]。國(guó)際上有很多方法廣泛用于判別薄膜的損傷，如相襯顯微法、散射法、等離子體閃光法、光聲法和光熱法。這些方法都具有各自的局限性，不能充分地解決損傷判別的問(wèn)題。在激光薄膜的損傷閾值測(cè)量方式上，相襯顯微鏡觀察法是由ISO11254國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的也是最常用的檢測(cè)方法之一。早期的顯微鏡觀察法不適于實(shí)時(shí)損傷判斷，并且容易受人為因素的影響[3-5]。在損傷測(cè)試過(guò)程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)薄膜損傷往往伴隨著等離子體閃光現(xiàn)象、彈性應(yīng)力波而產(chǎn)生，通過(guò)這兩種現(xiàn)象的在線檢測(cè)達(dá)到判斷損傷的目的。早期憑借人眼觀察和人的聽(tīng)覺(jué)，存在很多不確定因素，現(xiàn)在已經(jīng)采用光譜儀及聲光探測(cè)器[6-8]等傳感器使得這兩種檢測(cè)方法更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)。從薄膜損傷產(chǎn)生時(shí)表面以及靠近表面的膜層微結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變，散射法、光熱偏轉(zhuǎn)法應(yīng)運(yùn)而生。在激光輻照前后，以薄膜表面粗糙度改變引起的散射光能量改變作為判斷薄膜損傷的標(biāo)準(zhǔn)，散射光能量判據(jù)往往根據(jù)薄膜種類(lèi)以及測(cè)試條件而改變。光熱偏轉(zhuǎn)法則是因?yàn)樵诒闷旨す廨椪蘸?，薄膜表面局部受熱產(chǎn)生微位移[9]。如果表面或者更深的膜層由于節(jié)瘤鑲嵌或者其他因素受熱后發(fā)生永久形變，在小功率探測(cè)光束的照射下，就會(huì)形成不可恢復(fù)的微位移，使探測(cè)光束在輻照前后有了一定的空間偏轉(zhuǎn),被反射光路上布置的光電探測(cè)器探測(cè)到,這是一種靈敏度很高的探測(cè)方法。由于近年來(lái)高精度CCD圖像采集設(shè)備廣泛用于各項(xiàng)光學(xué)檢測(cè)科研領(lǐng)域，加之不斷完善的軟件算法，近年來(lái)科研工作者對(duì)研究圖像處理技術(shù)在顯微鏡觀察法實(shí)時(shí)判斷薄膜損傷方面也產(chǎn)生了濃厚的興趣。論文主要研究了CCD采集薄膜激光損傷圖像，并且運(yùn)用圖像處理算法實(shí)現(xiàn)損傷區(qū)域的定量測(cè)量以及損傷形貌特征提取。

1 激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)

在激光損傷研究的早期，測(cè)試條件的差異是閾值測(cè)量結(jié)果差異的主要原因。圖1是激光損傷自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)主要包括Nd∶YAG激光器、孔徑光闌、能量組合衰減器、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、二維移動(dòng)樣品臺(tái)、數(shù)字顯微圖像采集系統(tǒng)、等離子體探測(cè)器、He-Ne激光、He-Ne散射光探測(cè)器等。所用的Nd∶YAG激光器的波長(zhǎng)為1 064 nm，脈沖寬度為10 ns，最大能量為200 mJ。實(shí)驗(yàn)裝置工作原理為激光器出光經(jīng)孔徑光闌濾光，再由擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束，經(jīng)衰減系統(tǒng)衰減、透鏡會(huì)聚后到達(dá)薄膜樣片表面處，衰減系統(tǒng)可自動(dòng)控制衰減比率。光束分析儀可實(shí)時(shí)測(cè)量激光的模式等特性。

圖1 激光損傷閾值測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test system of laser damage threshold

2 損傷閾值圖像處理算法

高能激光輻照薄膜前后，薄膜表面圖像的灰度值變化很大，由輻照前后薄膜的相似程度可以客觀地判別薄膜損壞。以未損傷圖像為模板，比較輻照后薄膜圖像的差異。如果薄膜的比較結(jié)果滿足設(shè)定的相似測(cè)量的原則即為未損傷，相反就是損傷。這種測(cè)試方法突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)快速的在線檢測(cè)，可以減少人為因素的影響。首先對(duì)CCD采集的圖像進(jìn)行去噪，然后對(duì)圖像每個(gè)區(qū)域的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將激光損傷圖像與未損傷圖像通過(guò)控制點(diǎn)檢測(cè)和仿射變換進(jìn)行相似度匹配。它們的差異是由平均灰度值在圖形區(qū)域的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)確定。

2.1 差異算法

假設(shè)A為原薄膜圖像，A′為激光輻照后的圖像，那么D是A和A′的差異圖像。

D=A-A′

(1)

對(duì)D統(tǒng)計(jì)直方圖分布函數(shù)，并進(jìn)行歸一化。

(2)

這里的p(i)是D的灰度值的頻率。

建立歸一化的直方圖分布函數(shù)的測(cè)度函數(shù)：

M=f(p)

(3)

能量函數(shù)如下：

(4)

(4)式中，a1,a2,…,an是測(cè)度函數(shù)的常系數(shù)，差異圖像中的損傷越嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的測(cè)度函數(shù)計(jì)算結(jié)果就越大，通過(guò)設(shè)定M閾值的方法判斷損傷。

圖2 差異直方圖測(cè)度算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart of difference histogram measure

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣片為以相同工藝參數(shù)由萊寶SYRUS C1110型鍍膜機(jī)經(jīng)等離子源輔助的物理氣象沉積而成的TiO2/SiO2增透膜，工作在400 nm～700 nm光譜范圍，膜系為G/0.21H0.37L1.97H0.94L/A，基底為SiO2，TiO2的沉積速率為0.3 nm/s，離子氧束流為30 mL/min，真空室氧束流為15 mL/min，SiO2的沉積速率為0.6 nm/s，離子束流為15 mL/min。采集50組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖6所示。

2.2.1 激光輻照?qǐng)D像差異結(jié)果

圖3為CCD采集激光輻照前后薄膜樣品的原始圖像。圖3(a)為激光輻照前薄膜樣品表面圖像，圖3(b)為激光輻照后薄膜樣品表面圖像，從圖中明顯可以看出圖(a)、圖(b)兩幅圖像灰度在圖像左中區(qū)域存在明顯的差異。設(shè)激光輻照前圖像3(a)灰度矩陣為A，激光輻照后圖像3(b)灰度矩陣為A′，將A與A′相減，相減后結(jié)果D，則D矩陣對(duì)應(yīng)的圖像為A與A′差異圖像，如圖4(a)所示，從圖4(a)可以看出經(jīng)過(guò)A與A′相減后的D矩陣背景噪聲幾乎沒(méi)有了，只留下兩幅圖像的差異點(diǎn)。對(duì)D進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，圖4(b)為A與A′差異D圖像的直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖4(b)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出，灰度差值為0所占的像素個(gè)數(shù)居多，差值相差5以內(nèi)像素也占有一定的比率。

圖3 激光輻照薄膜樣品前后原始圖像Fig.3 Original film samples image before and after laser irradiation

圖4 激光輻照前后差異圖像及其直方圖Fig.4 Difference image before and after laser irradiation and its histogram

2.2.2 輻照前后薄膜表面形貌

圖5顯示的是初始薄膜樣片和經(jīng)過(guò)密度為0.5 J/cm2的激光輻照后樣片的表面形貌。由圖5(a)所示，未輻照前，表面的粗糙度為1.29 nm。從圖5(b)可以看到激光輻照后，粗糙度明顯增大。

圖5 激光輻照前后樣片表面形貌Fig.5 Sample surface morphology before and after laser irradiation

2.2.3 差異圖像測(cè)度函數(shù)及其損傷判別

圖6 差異圖像測(cè)度函數(shù)Fig.6 Measurement function of difference image

2.2.4 TiO2/SiO2薄膜的損傷閾值

LIDT=E/S

(5)

式中：LIDT為激光損傷閾值；E為激光輻照能量；S為激光輻照面積。

測(cè)試TiO2/SiO2薄膜閾值采用激光能量從50 mJ～150 mJ平均分10個(gè)能量階遞增，輻照同一個(gè)樣片中的100個(gè)點(diǎn)，100個(gè)點(diǎn)分布成10行10列。每個(gè)能量階的激光輻照1行，即10個(gè)點(diǎn)，采用測(cè)度函數(shù)判別損傷，并統(tǒng)計(jì)損傷的幾率。總共10個(gè)能量階遞增輻照樣片，將所有損傷幾率采用最小二乘法擬合損傷閾值曲線，如圖7所示。從圖7可以看出0幾率TiO2/SiO2薄膜損傷閾值為15 J/cm2。

圖7 激光損傷閾值的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of laser damage threshold

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)TiO2/SiO2薄膜激光輻照發(fā)生損傷過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)：薄膜的損傷過(guò)程十分復(fù)雜，薄膜經(jīng)激光輻照后其表面形貌發(fā)生明顯變化；采集薄膜激光輻照前后表面的灰度圖像，其灰度具有差異性。本論文采用差異能量測(cè)度算法可以通過(guò)設(shè)定測(cè)度閾值定量判別出損傷情況。將測(cè)度值根據(jù)大小進(jìn)行分區(qū)，測(cè)度值M<0.1為未發(fā)生損傷，0.10.5為嚴(yán)重?fù)p傷。通過(guò)測(cè)度值大小可以達(dá)到快速判別薄膜損傷與否。通過(guò)50組激光輻照實(shí)驗(yàn)，得到不同損傷程度下的顯微圖像，相似性測(cè)度算法判別損傷情況，采用最小二乘法擬合損傷幾率得到損傷閾值，本實(shí)驗(yàn)樣品激光損傷閾值為15 J/cm2。

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