一种元件激光损伤测量方法及装置与流程

本发明涉及激光损伤测试技术领域，具体而言，涉及一种元件激光损伤测量方法及装置。

背景技术：

国际标准ISO 21254–2定义了两种不同物理意义的元件激光损伤阈值的测量方法，1-on-1和S-on-1。其中1-on-1是一种常用的评估处理方法，但其测量结果不确定度大，准确性较低，不利于元件样品之间进行相互比较，从而不利于反映研究和生产当中非显著的影响因素。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种元件激光损伤测量方法及装置。

一方面，本发明较佳实施例提供一种元件激光损伤测量方法，该方法包括：对元件样品上的每一个预设测试点分别采用不同的预设能量范围内的激光脉冲进行多发次辐照，并获取每一个预设测试点每一发次辐照时激光脉冲的能量，以得到对应的能量密度值；实时监测每一个预设测试点的光学图像以判定该测试点是否产生功能性损伤；计算每一个预设测试点有效发次激光脉冲能量密度值的第一平均值作为该测试点的能量密度值，并按该能量密度值大小进行排序；将排序后的最小能量密度值至最大能量密度值之间的能量区间划分为第一预设数目的等间距能量段，每一个能量段包括至少一个所述能量密度值；根据每一个预设测试点的功能性损伤的判定结果计算每一个能量段对应的功能性损伤概率，以及计算该能量段所有能量密度值的第二平均值；及根据所述功能性损伤概率及所述第二平均值，生成并输出所述元件样品的功能性损伤测量曲线。

另一方面，本发明较佳实施例提供一种元件激光损伤测量装置，该装置包括：数据获取模块，用于对元件样品上的每一个预设测试点分别采用不同的预设能量范围内的激光脉冲进行多发次辐照，并获取每一个预设测试点每一发次辐照时激光脉冲的能量，以得到对应的能量密度值；损伤监测模块，用于实时监测每一个预设测试点的光学图像以判定该测试点是否产生功能性损伤；第一计算模块，用于计算每一个预设测试点有效发次激光脉冲能量密度值的第一平均值作为该测试点的能量密度值，并按该能量密度值大小进行排序；第一能量段划分模块，用于将排序后的最小能量密度值至最大能量密度值之间的能量区间划分为第一预设数目的等间距能量段，每一个能量段包括至少一个所述能量密度值；第二计算模块，用于根据每一个预设测试点的功能性损伤的判定结果计算每一个能量段对应的功能性损伤概率，以及计算该能量段所有能量密度值的第二平均值；及测量曲线生成模块，用于根据所述功能性损伤概率及所述第二平均值，生成并输出所述元件样品的功能性损伤测量曲线。

本发明较佳实施例提供的元件激光损伤测量方法及装置，对每一个预设测试点采用基本相同的能量密度的激光脉冲进行多发次辐照，获取每一次辐照时的激光脉冲能量密度值的同时，监测测试点的光学图像以判断该测试点是否产生功能性损伤，再根据获取到的数据及测试点的功能性损伤判定结果计算生成元件的功能性损伤测量曲线。这种元件激光损伤测量方法的测量结果准确度高、收敛速度快，多次测量所得测量曲线之间的偏差较小，还能有效降低不同测量人员之间及测量次序等人为因素对最终测量结果的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的一种测量设备的方框示意图；

图2为本发明实施例提供的一种元件激光损伤测量方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的所述元件激光损伤测量方法还包括的其他步骤的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种示例性元件功能性损伤测量曲线图；

图5为本发明实施例提供的一种用于实现元件激光损伤测量方法的元件激光损伤测量装置的功能模块框图。

附图标记：

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，是本发明提供的一种测量设备100的方框示意图。该测量设备100包括存储器200、处理器300、在线显微镜400、在线脉冲能量监控系统500以及元件激光损伤测量装置600。

所述存储器200、处理器300、在线显微镜400以及在线脉冲能量监控系统500之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述元件激光损伤测量装置600包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器200中或固化在所述测量设备100的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器300用于执行存储器200中存储的可执行模块，例如所述元件激光损伤测量装置600包括的软件功能模块或计算机程序。所述处理器300在接收到执行指令后，执行所述功能模块或程序，下述本发明任一实施例揭示的流过程定义的服务器所执行的方法可以应用于处理器300中，或者由处理器300实现。

请参阅图2，是本发明实施例提供的使用所述测量设备100实现的元件激光损伤测量方法的流程图，所应说明的是，本发明所述的元件激光损伤测量方法并不以图2及以下所述的具体顺序为限制。下面将对图2所示的具体流程进行详细描述。

步骤S101，对元件样品上的每一个预设测试点分别采用不同的预设能量密度范围内的激光脉冲进行多发次辐照，并获取每一个预设测试点每一发次辐照时激光脉冲的能量，以获得对应的能量密度值。

在待测元件样品上预先选取N个测试点，对每个测试点采用能量基本相同的激光脉冲进行多发次辐照，并通过所述在线脉冲能量监控系统500获取每一次辐照时激光脉冲的能量，并根据获得的能量密度值及等效辐照面积，计算出该发次激光脉冲的能量密度值。较佳地，每个测试点的有效辐照次数均小于等于设定次数，如可以是10次或5次，但不限制于此，且辐照该N个测试点的激光脉冲的能量密度覆盖从完全不可能造成元件损伤到每发次必然造成元件损伤的能量密度段。

理想情况下，一个测试点应采用能量密度相同的激光脉冲进行多发次辐照，但由于实际辐照时，激光脉冲的能量密度无法精确控制，所以较佳地，每个测试点所对应的多个能量密度值间的相差应尽可能小，即应位于一预设的能量密度范围内。特别地，本实施例中，推荐参考ISO的S-on-1中对激光器脉冲稳定性的要求。

步骤S103，实时监测每一个预设测试点的光学图像以判定该测试点是否产生功能性损伤。

步骤S105，计算每一个预设测试点有效发次对应的激光脉冲能量密度值的第一平均值作为该测试点的能量密度值，并将该能量密度值进行排序。

在对测试点进行辐照的同时，通过所述在线显微镜400监测该测试点的光学图像以判定是否产生功能性损伤，并记录每个测试点的判定结果。所述功能性损伤是指，所述在线显微镜400在某发次辐照后监测到该测试点疑似初始损伤的光学图像，并在后续发次中光学损伤区域的面积逐次增大。

需要说明的是，只有被确认为功能性损伤的初始损伤发次以前(含)，被认为是有效发次。若疑似初始损伤后的第一发不能在原位置发生损伤区域面积增大，则立即排除该疑似初始损伤；若疑似初始损伤位置后续发次先没有可见变化，若干发次后损伤面积突然开始增大，则认定从初始到增大前的最后一发次为有效发次。所有不在疑似初始损伤原位产生的光学图像变化，认定为新的疑似初始损伤。

完成所述N个测试点的激光脉冲辐照后，计算每一个测试点所述有效发次辐照对应的能量密度值的第一平均值，并将得到的第一平均值作为该测试点的能量密度值。所述第一平均值优选为算术平均值。将每个测试点的能量密度值与所述是否产生功能性损伤一起记为一个有效的损伤结果。对得到的N个测试点的损伤结果按能量密度值进行排序，其中依次递增的N个能量密度值为ρ₁,ρ₂,...,ρ_N。

以设定次数为5发次为例，若在第3发次辐照时已探测到测试点的疑似初始损伤的光学图像，则后续发次辐照用以确定光学损伤区域的面积是否逐次增大。若后续均观察到面积增大，无论总的辐照发次是否小于5发次，记有效发次为头3次。计算头3次辐照能量密度的第一平均值为ρ_x，损伤结果为ρ_x下损伤。若后续两发(总共5发)均不能观察到面积增大和新的可于6发前认定的初始损伤，则无论第6发以后产生何种情况均不判定为损伤。计算头5次辐照能量密度的第一平均值为ρ_y，损伤结果为ρ_y下不损伤。若后续两发中观察到6发前能认定的新初始损伤，例如第5发观察到新疑似损伤，追加发次判断确认为功能性损伤，则以新初始损伤进行计算，不考虑第3发的疑似损伤。计算头5次辐照能量密度的第一平均值为ρ_y，损伤结果为ρ_y下损伤。若第4发观察不到第3发疑似初始损伤位置面积扩大，但第5发观察到面积扩大，则以第4发为新初始损伤进行计算，不考虑第3发的疑似初始损伤。计算头4次辐照能量密度的第一平均值为ρ_z，损伤结果为ρ_z下损伤。

另外，由于部分光学薄膜材料和部分基片的导热散热性不佳，激光脉冲过于密集将导致局部热量累积造成元件功能性损伤。但累积热量所造成的功能性损伤并非本发明所考量的范围，因此本发明实施例中，对测试点进行多发次辐照时，激光脉冲的间隔时间应不低于0.5秒。

步骤S107，将排序后的最小能量密度值至最大能量密度值之间的能量区间划分为第一预设数目的等间距能量段，每一个能量段包括至少一个所述能量密度值。

将最小能量密度值ρ₁至最大能量密度值ρ_N之间的能量区间划分为第一预设数目的等间距能量段，每个能量段内包括至少一个所述能量密度值，即每个能量段内包括至少一个所述损伤结果。

步骤S109，根据每一个预设测试点的功能性损伤的判定结果计算每一个能量段对应的功能性损伤概率，以及计算该能量段所包括的能量密度值的第二平均值。

根据计算式计算每一个能量段对应的功能性损伤概率，其中P_k表示第k能量段的功能性损伤概率，N_damaged(j)表示第j能量段内判断为损伤的损伤结果数目，N_survival(j)表示第j能量段内判断为未损伤的损伤结果数目，max表示能量段的总数目。

所述第二平均值优选为算术平均值，基于此，计算每一个能量段内所述损伤结果的能量密度值第二平均值。

步骤S111，根据所述功能性损伤概率及所述第二平均值，生成并输出所述元件样品的功能性损伤测量曲线。

将计算得到的每一个能量段内所述损伤结果的能量密度值第二平均值作为功能性损伤测量曲线的横坐标，将每一个能量段对应的功能性损伤概率作为该功能性损伤测量曲线的纵坐标，根据所述横坐标及所述纵坐标，生成并输出所述元件样品的功能性损伤测量曲线。

请参阅图3，是本发明另一实施例提供的一种元件激光损伤测量方法的流程图，其与上述实施例不同的是，该实施例提供的元件激光损伤测量方法还包括：

步骤S201：在步骤S111之后执行，该步骤S201为根据所述功能性损伤测量曲线，将包括所有所述测试点的能量密度值的一预设能量区间划分为多个新的等间距能量段。

具体的划分方式可以是，首先，检测出已产生功能性损伤的测试点中具有最小能量密度值的测试点，将该测试点的能量密度值ρ_a与小于该能量密度值ρ_a的多个测试点能量密度值中的最大值ρ_a-1的第三平均值作为能量下限，其次，检测出未产生功能性损伤的测试点中具有最大能量密度值的测试点，将该测试点的能量密度值ρ_b与大于该能量密度值ρ_b的多个测试点能量密度值中的最小值ρ_b+1的第三平均值作为能量上限，最后，将所述能量下限至所述能量上限之间的能量区间重新划分为第二预设数目的新的等间距能量段，并从所述能量下限开始向该能量区间之外划分出与所述新的等间距能量段相同的第三预设数目的能量段，以及从所述能量(下)上限开始向该能量区间之外划分出与所述新的等间距能量段相同的第四预设数目的能量段。

或者是，根据上述实施例中得到的功能性损伤测量曲线，选取一新的能量区间，该新的能量区间内包括功能性损伤概率为50％的能量数据点。以该新的能量区间内的任意一个能量数据点作为起始点，分别向两侧以预设间距的能量段进行重新划分，重新划分得到的多个等间距能量段内包括所有所述测试点的能量密度值。

较佳地，在重新划分能量段时，能量段的总数应不小于9个，且功能性损伤概率0％及100％所对应的能量段数目应均不小于2个，功能性损伤概率0％至100％之间的能量段数目应不小于5个。具体地，以图4所示的示例性元件功能性损伤测量曲线为例，位于左端的对应于概率0％的数据点应至少为2个，位于右端的对应于概率100％的数据点应至少为2个，位于中段的对应概率0％至100％之间数据点应至少为5个。

步骤S203，将每一个新的能量段内所包括的能量密度值的数目分别与预设阈值进行比较。若小于所述预设阈值，则执行步骤S205；若大于所述预设阈值，则执行步骤S207。

所述预设阈值可根据实际测量情况进行调整，例如可以设定为五个，但不限制于此。但计算最终测试结果时，该阈值应大于5。

步骤S205，在所述元件样品上选取新的测试点进行补点测量，直至该能量段内所包括的能量密度值的数目等于所述预设阈值。

所述补点测量是指，在元件样品上另选取新的测试点，采用能量密度位于该能量段内的激光脉冲对该测试点进行多发次辐照，同时获取每一次辐照时激光脉冲的能量密度，以及监测该测试点是否产生功能性损伤。然后，计算该测试点的能量密度值，并将新得到的能量密度值添加入该能量段。具体地，可参照上述实施例中对相关内容的详细描述，在此不再赘述。补点时若产生预期外的其他能量段的损伤结果，应视为有效数据参与后续统计。

步骤S207，依次剔除与该能量段的中位值偏差最大的能量密度值，直至该能量段内所包括的能量密度值的数目等于所述预设阈值。

若该能量段内所包括的能量密度值的数目大于预设阈值，则首先剔除与该能量段的中位值之差的绝对值最大的能量密度值，并将该能量段当前所包括的能量密度值的数目是否仍大于预设阈值，若是，则继续剔除当前剩余的能量密度值中与该能量段的中位值之差的绝对值最大的能量密度值，直至该能量段内所包括的能量密度值的数目等于所述预设阈值。在中间过程中，当阈值小于5时可考虑不执行本步骤。

步骤S209，重新计算每一个新的能量段对应的所述功能性损伤概率以及所述第二平均值。

步骤S211，根据所述功能性损伤概率及所述第二平均值，生成并输出所述元件样品新的功能性损伤测量曲线。

本发明实施例得到的新的功能性损伤曲线与图2所示的实施例得到的功能性损伤曲线相比，具有更准确的测量结果、更平滑的曲线形态。

特别地，为了获得更高的曲线置信率，可依照ISO 21254当中的1-on-1测试方法，采用更多的数据点进行线性曲线拟合。具体地，假设功能性损伤概率0％至100％之间的能量区间划分为n_mid个等间距能量段，则预期的n_mid个数据点处在1/(2n_mid)～(2n_mid-1)/2n_mid的等距位置上，因此理论上每个能量段至少需要包括2n_mid个能量密度值数据点。在实际操作时建议至少取3n_mid个，如此总的采样点数Num有：

Num≥(n_mid+n_side)×3n_mid

其中，n_side为功能性损伤概率0％及100％对应的能量段数目之和。显然这样做的采样点数量会显著变大。

更为进一步折中的方案是对采样点不足的实验，其实验数据进行曲线高级滤波处理。其中比较简单易懂的方法是扩大采样区域。在计算第k能量段的数据时，对k前后w级数据进行综合统计，即：采用下述计算式：

$P_k^{\′}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k-w}^{k+w}{N}_{damaged}\left(j\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{k-w}^{k+w}N\left(j\right)}$

计算每个能量段对应的功能性损伤概率，其中，P_k′表示第k能量段的功能性损伤概率，N_damaged(j)表示第j能量段内判断为损伤的损伤结果数目，N(j)表示第j能量段内包括的总损伤结果数目。

请参阅图5，是本发明实施例提供的一种元件激光损伤测量装置600。该元件激光损伤测量装置600包括数据获取模块602、损伤监测模块604、第一计算模块606、第一能量段划分模块608、第二计算模块610、测量曲线生成模块612、第二能量段划分模块614、比较模块616、补点测量模块618以及剔除模块620。下面将对图5所示的功能模块进行具体阐述。

所述数据获取模块602，用于对元件样品上的每一个预设测试点分别采用不同的预设能量密度范围内的激光脉冲进行多发次辐照，并获取每一个预设测试点每一发次辐照时激光脉冲的能量，以获得对应的能量密度值。具体地，该数据获取模块602可用于执行图2所示的步骤S101，具体的操作方法可参照上述步骤S101的详细描述。

所述损伤监测模块604，用于实时监测每一个预设测试点的光学图像以判定该测试点是否产生功能性损伤。具体地，该损伤监测模块604可用于执行图2所示的步骤S103，具体的操作方法可参照上述步骤S103的详细描述。

所述第一计算模块606，用于计算通过对每一个预设测试点进行多发次辐照后获得的多个激光脉冲能量密度值的第一平均值作为该测试点的能量密度值，并将计算得到的每一个预设测试点对应的能量密度值进行排序。具体地，该第一计算模块606可用于执行图2所示的步骤S105，具体的操作方法可参照上述步骤S105的详细描述。

所述第一能量段划分模块608，用于将排序后的最小能量密度值至最大能量密度值之间的能量区间划分为第一预设数目的等间距能量段，每一个能量段包括至少一个所述能量密度值。具体地，该第一能量段划分模块608可用于执行图2所示的步骤S107，具体的操作方法可参照上述步骤S107的详细描述。

所述第二计算模块610，用于根据每一个预设测试点的功能性损伤的判定结果计算每一个能量段对应的功能性损伤概率，以及计算该能量段所有能量密度值的第二平均值。具体地，该第二计算模块610可用于执行图2所示的步骤S109及图3所示的步骤S209，具体的操作方法可参照上述步骤S109及步骤S209的详细描述。

所述测量曲线生成模块612，用于根据所述功能性损伤概率及所述第二平均值，生成并输出所述元件样品的功能性损伤测量曲线。具体地，该测量曲线生成模块612可用于执行图2所示的步骤S111及图3所示的步骤S211，具体的操作方法可参照上述步骤S111及步骤S211的详细描述。

所述第二能量段划分模块614，用于根据所述功能性损伤测量曲线，将包括所有所述测试点的能量密度值的一预设能量区间划分为多个新的等间距能量段。具体地，该第二能量段划分模块614可用于执行图3所示的步骤S201，具体的操作方法可参照上述步骤S201的详细描述。

所述比较模块616，用于将每一个新的能量段内所包括的能量密度值的数目分别与预设阈值进行比较。具体地，该比较模块616可用于执行图3所示的步骤S203，具体的操作方法可参照上述步骤S203的详细描述。

所述补点测量模块618，用于在新的能量段内所包括的能量密度值的数目小于预设阈值时，在所述元件样品上选取新的测试点进行补点测量，直至该能量段内所包括的能量密度值的数目等于所述预设阈值。具体地，该补点测量模块618可用于执行图3所示的步骤S205，具体的操作方法可参照上述步骤S205的详细描述。

所述剔除模块620，用于在新的能量段内所包括的能量密度值的数目大于预设阈值时，依次剔除与该能量段的中位值偏差最大的能量密度值，直至该能量段内所包括的能量密度值的数目等于所述预设阈值。具体地，该剔除模块620可用于执行图3所示的步骤S207，具体的操作方法可参照上述步骤S207的详细描述。

综上所述，本发明提供的元件激光损伤测量方法及装置，通过对每一个预设测试点采用基本相同能量的激光脉冲进行多发次辐照，计算每一次辐照时的激光脉冲能量密度值的同时，实时监测测试点的光学图像以判断该测试点是否产生功能性损伤，再根据获取到的数据及测试点的功能性损伤判定结果计算生成元件的功能性损伤测量曲线。这种元件激光损伤测量方法的测量结果准确度高、收敛速度快，多次测量所得测量曲线之间的偏差较小，有效的降低了不同测量人员及测量次序对最终测量结果造成的影响。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。