耿 帥，蘇俊宏

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光誘導(dǎo)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(qiáng)測(cè)量法[3-4]等。圖像法作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的溯源方法，具有簡(jiǎn)單、便捷以及低成本等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，學(xué)者們進(jìn)行了許多關(guān)于薄膜激光損傷的圖像檢測(cè)，文獻(xiàn)[5]從工藝的角度研究了激光與材料物理性質(zhì)的關(guān)系，表明了不同激光工藝參數(shù)對(duì)材料的微觀形貌有重要影響。文獻(xiàn)[6]通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的邊緣提取算法，得到清晰的損傷邊緣圖像，通過(guò)觀察損傷點(diǎn)尺寸，為在線判別損傷提供了技術(shù)途徑。文獻(xiàn)[7]通過(guò)圖像Hough變換，準(zhǔn)確求得光斑面積，減小損傷判別過(guò)程中誤差的影響。文獻(xiàn)[8]利用遺傳算法，對(duì)薄膜缺陷圖像分割，為分析薄膜質(zhì)量提供依據(jù)。文獻(xiàn)[9]針對(duì)具有多層次復(fù)雜區(qū)域，各區(qū)域過(guò)渡不明顯的激光損傷圖像，將小波分解運(yùn)用于損傷的判別中，取得了較好的分割效果。文獻(xiàn)[10]提出基于差異圖像灰度直方圖的相似性測(cè)度算法，用于判定薄膜損傷程度，適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)。文獻(xiàn)[11]在光學(xué)元件在線檢測(cè)中使用暗場(chǎng)成像技術(shù)，由于薄膜的光學(xué)特性取決于薄膜表面粗糙度[12]以及制備時(shí)沉積溫度和膜厚[13]等因素，因此，當(dāng)光學(xué)元件發(fā)生損傷時(shí)，薄膜表面粗糙度發(fā)生變化，用光源輻照薄膜，通過(guò)損傷點(diǎn)處產(chǎn)生的散射光，可以得到暗背景下清晰的損傷圖像。文獻(xiàn)[14]通過(guò)在圖像上建立坐標(biāo)系，識(shí)別圖像信息，得到圖像的損傷區(qū)域。文獻(xiàn)[15]結(jié)合損傷圖像特點(diǎn)，在全內(nèi)反射照明條件下，提出一種高精度的檢測(cè)算法，在提高精度同時(shí)，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(tǒng)計(jì)[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(jù)的研究還未成體系。

對(duì)薄膜損傷圖像分析發(fā)現(xiàn)，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(huì)有所差異。本文對(duì)HfO2和LaTiO3兩種薄膜進(jìn)行了激光損傷測(cè)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(shù)對(duì)采集到薄膜圖像的灰度特征進(jìn)行分析；利用數(shù)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(shí)灰度和RGB的臨界值。

1 測(cè)試原理及方法

1.1 測(cè)試裝置及圖像采集

為得到損傷圖像，本文按照ISO 11254國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)搭建薄膜激光損傷測(cè)試系統(tǒng)，圖1為實(shí)驗(yàn)裝置圖。激光器為基模(TEM00)Nd∶Yag調(diào)Q激光器(輸出波長(zhǎng)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(jīng)衰減系統(tǒng)衰減后(衰減系統(tǒng)由三組共15個(gè)衰減片組成)，由透鏡聚焦到樣片表面，測(cè)試樣片放置于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維平移臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)的最小步距為0.1 mm。將樣片夾持于二維平移臺(tái)，樣片表面與激光輻照光路垂直。將CCD放置于二維平移臺(tái)10 cm處，夾角為45°，CCD放大倍數(shù)為20倍，分辨率為320 pixel×240 pixel。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

CCD采集未經(jīng)激光輻照的薄膜樣片，得到一幅沒(méi)有激光輻照過(guò)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(gè)不同能量級(jí)下分別進(jìn)行10次輻照，得到300個(gè)激光輻照點(diǎn)。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(shí)心圓代表激光輻照后。每一行為同一能量級(jí)。

激光第一次輻照樣片后，CCD采集到只有一個(gè)輻照點(diǎn)的圖像，如圖2(b)所示，利用步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)二維平移臺(tái)，進(jìn)行第二次輻照，CCD采集得到兩個(gè)輻照點(diǎn)的圖像。經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)300次輻照的薄膜樣片放在具有拍攝和儲(chǔ)存圖像功能的數(shù)碼顯微鏡下觀察，拍攝并儲(chǔ)存圖像，得到兩幅薄膜樣片彩色圖像。顯微鏡型號(hào)為Nikon ECLIPSE L150，放大倍數(shù)為100倍，拍攝時(shí)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(cè)試方法

一幅圖像可以定義為一個(gè)二維函數(shù)f(x，y)，其中，x和y為空間坐標(biāo)，在空間坐標(biāo)(x，y)處的幅值f稱為圖像在該點(diǎn)的灰度?；叶葓D像儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)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(shí)減少雜散光的影響，對(duì)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(yùn)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(diǎn)后的圖像；G(i,j)為該點(diǎn)受激光輻照前的圖像；D(i,j)為差分后的輸出結(jié)果，激光輻照前后及差分圖像如圖3所示。CCD在暗場(chǎng)條件下采集圖像，由圖3(a)～3(b)可知，當(dāng)激光輻照薄膜后，散射光能量分布發(fā)生變化，此時(shí)CCD采集到的圖像為激光輻照點(diǎn)處散射光斑的圖像，因此提取到的灰度值為基于散射光強(qiáng)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(dāng)發(fā)生損傷時(shí)，損傷點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生散射光斑，損傷嚴(yán)重程度決定光斑強(qiáng)弱，此時(shí)在輻照區(qū)域各個(gè)像素位置點(diǎn)處的灰度值，F(xiàn)(i,j)大于G(i,j)；當(dāng)未發(fā)生損傷時(shí)，損傷點(diǎn)區(qū)域無(wú)散射光斑或存在人眼難以分辨的散射光斑，此時(shí)在輻照區(qū)域各個(gè)像素位置點(diǎn)處的灰度值，F(xiàn)(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(diǎn)處灰度值為0，考慮到實(shí)際情況中會(huì)有雜散光的影響，在對(duì)激光輻照區(qū)域灰度值提取時(shí)，選取灰度值最大的前30個(gè)像素點(diǎn)，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(cè)試方法

彩色圖像在計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存為一個(gè)M×N×3的多維數(shù)組矩陣，3個(gè)大小相同的二維數(shù)組表示一個(gè)像素，3個(gè)數(shù)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(lán)色分量。

由三基色原理可知，大多數(shù)的顏色可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)三色按照不同的比例合成產(chǎn)生。同樣絕大多數(shù)單色光也可以分解成紅綠藍(lán)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(dá)式為

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

(2)

為了減小隨機(jī)噪聲對(duì)圖像的影響，實(shí)驗(yàn)利用均值濾波與拉普拉斯銳化對(duì)圖像進(jìn)行處理，首先對(duì)圖像進(jìn)行均值濾波，即

(3)

式中：Sxy為中心在點(diǎn)(x,y)處，大小為m×n的鄰域的一組坐標(biāo)；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(jìn)行圖像增強(qiáng)，可增強(qiáng)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(diǎn)，但會(huì)造成圖像模糊，結(jié)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(yùn)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(xiàn)象，此時(shí)二值化后的損傷區(qū)域內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)孔洞，如圖4(c)所示，需要對(duì)損傷區(qū)域內(nèi)部的孔洞進(jìn)行填充，如圖4(d)所示。圖4為300個(gè)激光輻照損傷點(diǎn)中的一個(gè)損傷點(diǎn)。

對(duì)得到的二值圖像，遍歷圖像中每個(gè)像素點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)圖像中所有灰度為0和1的像素點(diǎn)，分別提取像素坐標(biāo)，構(gòu)成兩個(gè)坐標(biāo)集合，對(duì)應(yīng)原始彩色圖像相同像素坐標(biāo)集合，提取每個(gè)對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)下的RGB各個(gè)分量值。為了減小環(huán)境雜散光影響，對(duì)原始彩色圖像中每個(gè)相同像素坐標(biāo)下的RGB值變化最大的前900個(gè)像素點(diǎn)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(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)單層HfO2薄膜和單層LaTiO3薄膜進(jìn)行損傷測(cè)試，膜厚均為λ/4，λ=1 064 nm。本實(shí)驗(yàn)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(jí)下輻照10次，每個(gè)能量級(jí)輻照完成后，依次增加2 mJ，在30個(gè)不同能量級(jí)下進(jìn)行輻照。激光器實(shí)際輸出能量值與標(biāo)定值存在±2%的誤差，故以實(shí)際輸出能量值為準(zhǔn)，并對(duì)同一能量級(jí)下10次輻照的實(shí)測(cè)能量值求平均值。

利用100倍數(shù)碼顯微鏡對(duì)輻照過(guò)的薄膜樣片進(jìn)行觀測(cè)，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(jiàn)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(guó)標(biāo)法分別計(jì)算得到：HfO2薄膜的激光損傷閾值為4.31 J·cm-2，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)輻照后的圖像進(jìn)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(guān)系

能量值為能量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)得的能量平均值，灰度值為30次測(cè)量采集到數(shù)據(jù)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(duì)于HfO2薄膜，當(dāng)激光輻照能量達(dá)到45 mJ左右時(shí)，灰度值變化逐漸趨于平緩；對(duì)于LaTiO3薄膜，當(dāng)激光輻照能量達(dá)到50 mJ左右時(shí)，灰度值變化逐漸趨于平緩。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HfO2薄膜與LaTiO3薄膜的灰度值分別達(dá)到65與72，趨近于飽和狀態(tài)，即當(dāng)激光能量繼續(xù)增加時(shí)，兩種薄膜的灰度值幾乎保持不變，利用顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在激光能量增加到55 mJ左右時(shí)，有一定幾率存在激光擊穿薄膜基底的現(xiàn)象，導(dǎo)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(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到曲線如圖7所示。

圖7 能量-灰度擬合曲線

當(dāng)無(wú)激光輻照時(shí)，薄膜不會(huì)發(fā)生損傷，即不會(huì)產(chǎn)生散射光，此時(shí)灰度值必然為0，因此，函數(shù)擬合時(shí)，將初始點(diǎn)設(shè)為(0,0)。由圖6可知，灰度值與激光輻照能量呈正相關(guān)關(guān)系，因此，該曲線在x正方向上單調(diào)遞增。對(duì)能量和灰度使用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，得到HfO2薄膜和LaTiO3薄膜的函數(shù)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(shí)，對(duì)應(yīng)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)灰度值高于該值時(shí)，判定為損傷，低于該值時(shí)，判定為未損傷?；谠摌?biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)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(duì)比國(guó)標(biāo)法的計(jì)算結(jié)果，考慮到圖像采集設(shè)備的系統(tǒng)誤差，實(shí)驗(yàn)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(rèn)為得到的灰度值可以作為兩種膜系在發(fā)生損傷時(shí)的判據(jù)。

2.2 RGB特征分析

在100倍數(shù)碼顯微鏡的觀測(cè)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(xiàn)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(dǎo)損傷過(guò)程中，存在吸熱融化再結(jié)晶從而產(chǎn)生了新化合物的現(xiàn)象，使得受激光輻照區(qū)域出現(xiàn)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(gè)分量值的變化關(guān)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(cè)得激光輻照區(qū)域與周圍未輻照區(qū)域RGB各個(gè)分量平均值近似相等。

圖8 HfO2薄膜能量-RGB分量變化關(guān)系

不同激光能量下HfO2薄膜圖像輻照區(qū)域內(nèi)平均RGB分量值以及損傷情況見(jiàn)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(cè)下，當(dāng)R，G，B分量值分別低于125，122和124時(shí)，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(gè)分量值的變化關(guān)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(cè)LaTiO3薄膜在未損傷時(shí)，測(cè)得激光輻照區(qū)域與周圍未輻照區(qū)域RGB各個(gè)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(nèi)平均RGB分量值以及損傷情況見(jiàn)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(cè)下，當(dāng)R，G，B分量值分別高于180，169和170時(shí)，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(nèi)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(guān)系

3 結(jié) 論

1) 基于散射光對(duì)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(guān)系函數(shù)。通過(guò)關(guān)系函數(shù)計(jì)算得到，發(fā)生損傷時(shí)HfO2薄膜與LaTiO3薄膜灰度值分別為16.35和28.43。

2) 利用數(shù)碼顯微鏡對(duì)損傷微觀圖像進(jìn)行RGB特征分析，得到HfO2薄膜發(fā)生損傷時(shí)的R，G，B值分別為125，122和124；LaTiO3薄膜發(fā)生損傷時(shí)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(shí)，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(jù)。