專利名稱：薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測方法及實(shí)施裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理、微納觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)檢測和實(shí)驗(yàn)力學(xué)，具體講涉及薄膜表面
微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測方法。
背景技術(shù)：
近20年來，納米技術(shù)成為蓬勃發(fā)展的新興科學(xué)。無論國內(nèi)還是國外都投入了巨大的人力物力開展對這一領(lǐng)域的研究與探索。目前，各國不但在納米材料方面取得重要進(jìn)展，并在發(fā)展納米材料的基礎(chǔ)上發(fā)展了各種各樣的納米結(jié)構(gòu)。納米薄膜是指只在厚度方向上為納米量級，通常它是由分子或晶粒均勻鋪開構(gòu)成薄膜。薄膜/基底結(jié)構(gòu)就是有納米薄膜和基底材料構(gòu)成的二元系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)常被用于MEMS系統(tǒng)中。脫沾屈曲是薄膜/基底結(jié)構(gòu)常見的破壞形式之一。對這種破壞形式的發(fā)生和演變過程的研究有助于我們了解脫沾屈曲這種破壞形式的形成以及演變機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)力學(xué)主要研究測量材料以及結(jié)構(gòu)在各種載荷下的變形的實(shí)驗(yàn)方法。近年來，數(shù)字圖像處理方法在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的應(yīng)用越來越廣，為實(shí)驗(yàn)力學(xué)提供全新一種新的測量手段。 薄膜/基底結(jié)構(gòu)中脫沾屈曲的尺寸介于幾十微米到幾百微米之間，必須借助光學(xué)顯微鏡才能觀察到。因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡的工作原理，離面位移形成的屈曲目標(biāo)與背景亮度的差別小，在圖像中屈曲破壞區(qū)域與未破壞區(qū)域之間邊界非常模糊。對于模糊的物體邊緣而言，所選擇的邊緣算子應(yīng)該體現(xiàn)盡可能多的潛在邊緣。用統(tǒng)計(jì)學(xué)的名詞解釋也就是說盡量避免否認(rèn)真實(shí)邊緣的第二類錯(cuò)誤，盡管這樣可能導(dǎo)致假邊緣的誤判的第一類錯(cuò)誤，這樣才能盡量體現(xiàn)邊緣變化的細(xì)節(jié)。由此而導(dǎo)致的以虛假邊緣為主的噪聲，再通過濾波的方法加以消除。因?yàn)榕c變形擴(kuò)展的細(xì)節(jié)損失相比較，第一類錯(cuò)誤的噪聲是可以容忍的，可以通過其它手段進(jìn)行控制。Roberts邊緣檢測算子是一種2X2象素的運(yùn)算模板(由下式給出
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g(x,+仏V/o,力-V7o+i，"i)」+LV/"+1'y)_V/o,"1)]})盡管它被普遍認(rèn)
為與人眼的功能接近能夠準(zhǔn)確識(shí)別邊緣，但這種算法很容易受到噪聲的影響(即在噪聲下容易產(chǎn)生虛假邊緣)。通常噪聲的模型(如白噪聲)認(rèn)為噪聲是疊加在真實(shí)亮度信息后的一個(gè)零均值的隨機(jī)函數(shù)。因此很難判斷哪種強(qiáng)度的邊緣是由噪聲引起的，不能隨意濾除某種強(qiáng)度的邊緣。這樣的缺點(diǎn)使得大量象素的邊緣強(qiáng)度即使經(jīng)過線性變換仍然偏低，從而導(dǎo)致
某些物體邊緣未能準(zhǔn)確識(shí)別。其它廣泛應(yīng)用的的邊緣檢測算子，如Sobel算子和Prewitt算子都是3 X 3象素模板，各自分為八個(gè)方向的不同算子，應(yīng)用時(shí)需要先驗(yàn)知識(shí)。這兩種算子相當(dāng)于邊緣檢測的同時(shí)進(jìn)行濾波運(yùn)算，在降低高頻噪聲的同時(shí)使觀測對象的邊緣模糊。雖然理論上模板算子的尺寸越大對于噪聲的處理效果越好，但是大算子容易損失圖像細(xì)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)薄膜/基底結(jié)構(gòu)受到溫度或力載荷時(shí)，脫沾屈曲是一種經(jīng)常發(fā)生的破壞形式。研究這種破壞形式的形成和演化過程有助于找到抑制它發(fā)生的有效方法。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于檢測脫沾屈曲邊界的擴(kuò)展過程的技術(shù)方案，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測實(shí)施裝置，包括 光學(xué)顯微系統(tǒng)對薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞進(jìn)行光學(xué)放大； 圖像采集裝置將二維的亮度信號(hào)轉(zhuǎn)化為表示各個(gè)象素亮度的電信號(hào)的裝置； 輸入端用于接收表示所采集圖像的各元素值的數(shù)據(jù)元素集； 存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)表示圖像的數(shù)據(jù)集； 處理器用于在程序控制下處理表示圖像的數(shù)據(jù)集，從而通過如下操作來確定該圖像中的薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞的邊界以及邊界的擴(kuò)展 對不同載荷下采集到的圖像做邊緣檢測，從而得到不同載荷下的脫沾屈曲的邊界； 求出不同載荷下圖像之間的相對位移，利用計(jì)算結(jié)果對原始圖像做移動(dòng)補(bǔ)償；
對比移動(dòng)補(bǔ)償后的圖像中的脫沾屈曲邊界，確定邊界的擴(kuò)展情況；
輸出端用于顯示脫沾屈曲破壞邊緣擴(kuò)展的檢測結(jié)果。
薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測方法，包括下列步驟 通過一定的加載裝置給薄膜/基底結(jié)構(gòu)施加載荷，使其產(chǎn)生脫沾屈曲破壞，然后再逐漸加大載荷，使脫沾屈曲破壞逐漸擴(kuò)展； 通過光學(xué)放大系統(tǒng)，用數(shù)字圖像采集設(shè)備對不同載荷下的薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲采集圖像，并將采集到的圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)裝置中； 用Roberts算子對原始圖像逐象素地進(jìn)行邊緣檢測，對每個(gè)象素的邊緣強(qiáng)度進(jìn)行
第一次閥值判斷，認(rèn)為較低強(qiáng)度的是虛假邊緣； 對經(jīng)過第一次閥值判斷的象素進(jìn)行鄰域?yàn)V波處理； 對經(jīng)過濾波處理的圖像再進(jìn)行第二次閥值判斷，只有大于某一閥值的象素才被賦為亮點(diǎn)，低于閥值的象素點(diǎn)則被設(shè)為暗點(diǎn)，確定脫沾屈曲破壞的邊界；
計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移； 對比補(bǔ)償后圖像中脫沾屈曲破壞的邊界，從而確定邊界的擴(kuò)展情況。 所述的計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移是，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法
計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移。 本發(fā)明具有以下技術(shù)效果 用亞臨界缺陷作為計(jì)算圖像之間相對位移的標(biāo)志，可以準(zhǔn)確的計(jì)算圖像之間的相對位移。 應(yīng)用本發(fā)明提出的邊緣檢測算法可以準(zhǔn)確的確定薄膜/基底結(jié)構(gòu)中脫沾屈曲的邊界。 通過確定不同載荷下脫沾屈曲邊界，進(jìn)而對這些邊界進(jìn)行比較就可以確定不同載荷下邊界的擴(kuò)展過程。


圖1本發(fā)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成圖。
圖2圓泡型的脫沾屈曲圖。 圖3在不同載荷下的邊界擴(kuò)展情況圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明運(yùn)用圖像處理方法來為薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的薄膜脫沾屈曲破壞定位。它涉及到了圖像處理、微納觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)檢測和實(shí)驗(yàn)力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。 在本發(fā)明還用到了數(shù)字圖像處理方法中的邊緣檢測技術(shù)，并對其進(jìn)行合適的改進(jìn)，使其適合脫沾屈曲的邊界檢測。 本發(fā)明通過檢測連續(xù)采集的多幅脫沾屈曲破壞圖像中的屈曲邊界來計(jì)算屈曲邊
界的擴(kuò)展過程。用于確定屈曲邊界的邊緣檢測算法是本發(fā)明的重要內(nèi)容。 本發(fā)明克服了上述常用邊緣檢測方法的不足，提出一種檢測強(qiáng)度較低邊緣的圖像
處理方法。將其應(yīng)用與薄膜/基底結(jié)構(gòu)中脫沾屈曲破壞邊界的檢測。 本專利的技術(shù)方案分以下三部分介紹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)方法、核心算法。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 圖1中給出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光學(xué)顯微系統(tǒng)、圖像采集裝置、輸入端、存儲(chǔ)裝置、處理器和輸出端組成。各部分的功能與作用如下。 光學(xué)顯微系統(tǒng)對薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞進(jìn)行光學(xué)放大。(薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞的尺寸約為幾十微米到幾百微米，所以必須借助光學(xué)顯微鏡來觀察)。 圖像采集裝置將二維的亮度信號(hào)轉(zhuǎn)化為表示各個(gè)象素亮度的電信號(hào)的裝置。(可以是基于CCD或CMOS的照相機(jī))。
輸入端用于接收表示所采集圖像的各元素值的數(shù)據(jù)元素集
存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)表示圖像的數(shù)據(jù)集 處理器用于在程序控制下處理表示圖像的數(shù)據(jù)集，從而通過如下操作來確定該圖像中的薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞的邊界以及邊界的擴(kuò)展 對不同載荷下采集到的圖像做邊緣檢測，從而得到不同載荷下的脫沾屈曲的邊界。 求出不同載荷下圖像之間的相對位移，利用計(jì)算結(jié)果對原始圖像做移動(dòng)補(bǔ)償。
對比移動(dòng)補(bǔ)償后的圖像中的脫沾屈曲邊界，確定邊界的擴(kuò)展情況。
輸出端用于顯示脫沾屈曲破壞邊緣擴(kuò)展的檢測結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)方法 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可以分為以下幾個(gè)步驟 通過一定的加載裝置給薄膜/基底結(jié)構(gòu)施加載荷，使其產(chǎn)生脫沾屈曲破壞。然后再逐漸加大載荷，使脫沾屈曲破壞逐漸擴(kuò)展。 通過合理的光學(xué)放大系統(tǒng)，用數(shù)字圖像采集設(shè)備對不同載荷下的薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲采集圖像。并將采集到的圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)裝置中。 應(yīng)用本發(fā)明提出的邊緣檢測算法檢測所采集的圖像中脫沾屈曲破壞區(qū)域和未破壞區(qū)域之間的邊緣，從而確定脫沾屈曲破壞的邊界。 計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移。目前有比較成熟的方法可以解決這個(gè)問題，如數(shù)字圖像相關(guān)方法。在計(jì)算出不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移以后， 對圖像做移動(dòng)補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的圖像之間沒有相對位移。 對比補(bǔ)償后圖像中脫沾屈曲破壞的邊界，從而確定邊界的擴(kuò)展情況。
核心算法 本發(fā)明的核心算法分為兩部分邊緣檢測算法和圖像相對位移計(jì)算方法。
邊緣檢測算法 邊緣檢測算法是本發(fā)明的重要組成，下面闡述該方法的具體計(jì)算過程 用Roberts算子對原始圖像逐象素地進(jìn)行邊緣檢測，對每個(gè)象素的邊緣強(qiáng)度進(jìn)行
第一次閥值判斷(在這次閥值判斷中用到的閥值稱為閥值l)。認(rèn)為較低強(qiáng)度的是虛假邊緣。 對經(jīng)過第一次閥值判斷的象素進(jìn)行鄰域?yàn)V波處理。在本發(fā)明中將高斯濾波作為鄰 域?yàn)V波方法。 對經(jīng)過濾波處理的圖像再進(jìn)行第二次閥值判斷，只有大于某一閥值的象素才被賦 為亮點(diǎn)，低于閥值的象素點(diǎn)則被設(shè)為暗點(diǎn)。(第二次閥值判斷中用到的閥值稱為閥值2)。
在兩次閥值判斷中，閥值1的值設(shè)置的比較小，可以盡量避免潛在的真實(shí)邊緣的 損失。閥值2的設(shè)置使得高斯濾波子區(qū)所覆蓋的孤立亮點(diǎn)被屏蔽；而由物體邊緣引起的子 區(qū)內(nèi)較多的亮點(diǎn)得以保持。由于有濾波處理噪聲的方法，因此較低的邊緣檢測閥值所引起 的誤差也能得到很好的控制。這樣既克服了高頻噪聲的影響，又避免了對物體邊緣細(xì)節(jié)造 成破壞性的損害。 不同載荷下采集到的圖像之間相對位移的計(jì)算方法 有很多方法可以用來計(jì)算圖像之間的相對位移，數(shù)字圖像相關(guān)方法就是一種成熟 的計(jì)算方法。通常數(shù)字圖像相關(guān)方法用表面自然紋理或人工噴涂散斑等作為計(jì)算相對位移 的標(biāo)記。另外，也不可能在納米薄膜表面制作人工散斑。但在薄膜/基底結(jié)構(gòu)中通常存在 亞臨界缺陷。所謂亞臨界缺陷是指這種缺陷的尺寸上限不大于膜層厚度的20倍，它在載荷 下不會(huì)產(chǎn)生新的擴(kuò)展，即在不同載荷下亞臨界缺陷的尺寸和形狀都不會(huì)發(fā)生改變。因此亞 臨界缺陷是一種用于計(jì)算圖像之間相對位移的理想標(biāo)記。在數(shù)字圖像相關(guān)方法中將亞臨界 缺陷選為計(jì)算位移的標(biāo)志點(diǎn)就可以得到圖像之間的相對位移。 作為示例，圖2給出了一個(gè)圓泡型的脫沾屈曲，圖3給出了它在不同載荷下的邊界 擴(kuò)展情況。其中紅色、黃色和綠色分別標(biāo)識(shí)三個(gè)不同載荷下的脫沾屈曲邊界。
本發(fā)明工作步驟概括如下 通過一定的加載裝置給薄膜/基底結(jié)構(gòu)施加載荷，使其產(chǎn)生脫沾屈曲破壞。然后 再逐漸加大載荷，使脫沾屈曲破壞逐漸擴(kuò)展。 通過合理的光學(xué)放大系統(tǒng)，用數(shù)字圖像采集設(shè)備對不同載荷下的薄膜/基底結(jié)構(gòu) 中的脫沾屈曲采集圖像。并將采集到的圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)裝置中。 應(yīng)用本發(fā)明提出的邊緣檢測算法檢測所采集的圖像中脫沾屈曲破壞區(qū)域和未破 壞區(qū)域之間的邊緣，從而確定脫沾屈曲破壞的邊界。 計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移。目前有比較成熟的方法可以解決 這個(gè)問題，如數(shù)字圖像相關(guān)方法。在計(jì)算出不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移以后， 對圖像做移動(dòng)補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的圖像之間沒有相對位移。
對比補(bǔ)償后圖像中脫沾屈曲破壞的邊界，從而確定邊界的擴(kuò)展情況。
權(quán)利要求
一種薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測實(shí)施裝置，其特征是，包括光學(xué)顯微系統(tǒng)對薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞進(jìn)行光學(xué)放大；圖像采集裝置將二維的亮度信號(hào)轉(zhuǎn)化為表示各個(gè)象素亮度的電信號(hào)的裝置；輸入端用于接收表示所采集圖像的各元素值的數(shù)據(jù)元素集；存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)表示圖像的數(shù)據(jù)集；處理器用于在程序控制下處理表示圖像的數(shù)據(jù)集，從而通過如下操作來確定該圖像中的薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞的邊界以及邊界的擴(kuò)展對不同載荷下采集到的圖像做邊緣檢測，從而得到不同載荷下的脫沾屈曲的邊界；求出不同載荷下圖像之間的相對位移，利用計(jì)算結(jié)果對原始圖像做移動(dòng)補(bǔ)償；對比移動(dòng)補(bǔ)償后的圖像中的脫沾屈曲邊界，確定邊界的擴(kuò)展情況；輸出端用于顯示脫沾屈曲破壞邊緣擴(kuò)展的檢測結(jié)果。
2. —種薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測方法，其特征是，包括下列步驟通過一定的加載裝置給薄膜/基底結(jié)構(gòu)施加載荷，使其產(chǎn)生脫沾屈曲破壞，然后再逐漸加大載荷，使脫沾屈曲破壞逐漸擴(kuò)展；通過光學(xué)放大系統(tǒng)，用數(shù)字圖像采集設(shè)備對不同載荷下的薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲采集圖像，并將采集到的圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)裝置中；用Roberts算子對原始圖像逐象素地進(jìn)行邊緣檢測，對每個(gè)象素的邊緣強(qiáng)度進(jìn)行第一次閥值判斷，認(rèn)為較低強(qiáng)度的是虛假邊緣；對經(jīng)過第一次閥值判斷的象素進(jìn)行鄰域?yàn)V波處理；對經(jīng)過濾波處理的圖像再進(jìn)行第二次閥值判斷，只有大于某一閥值的象素才被賦為亮點(diǎn)，低于閥值的象素點(diǎn)則被設(shè)為暗點(diǎn)，確定脫沾屈曲破壞的邊界；計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移；對比補(bǔ)償后圖像中脫沾屈曲破壞的邊界，從而確定邊界的擴(kuò)展情況。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測方法，其特征是，所述的計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移是，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法計(jì)算不同載荷下采集到的圖像之間的相對位移。
全文摘要
本發(fā)明涉及圖像處理、微納觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)檢測和實(shí)驗(yàn)力學(xué)，具體講涉及薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測方法。本發(fā)明的目的在于提供一種用于檢測脫沾屈曲邊界的擴(kuò)展過程的技術(shù)方案，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，薄膜表面微觀缺陷擴(kuò)展的光學(xué)檢測方法及實(shí)施裝置，包括、光學(xué)顯微系統(tǒng)、圖像采集裝置、輸入端、存儲(chǔ)裝置和處理器，處理器用于在程序控制下處理表示圖像的數(shù)據(jù)集，從而通過操作來確定該圖像中的薄膜/基底結(jié)構(gòu)中的脫沾屈曲破壞的邊界以及邊界的擴(kuò)展，輸出端用于顯示脫沾屈曲破壞邊緣擴(kuò)展的檢測結(jié)果。本發(fā)明主要應(yīng)用于微納觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)檢測。
文檔編號(hào)G01N21/88GK101782530SQ20101010291
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者房予錚, 李林安, 王世斌, 王志勇, 賈海坤 申請人:天津大學(xué)