[发明专利]薄膜表面微观缺陷扩展的光学检测方法及实施装置

说明书

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；