一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法与流程

本发明涉及材料检测领域，具体涉及一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法。

背景技术：

对透明材料表面及内部缺陷的三维形态的准确测量，是获得高品质低缺陷的透明元件的关键之一。暗场散射成像通过将照明背景光与缺陷散射光分离的方式，可以获得高对比度的缺陷成像效果。由于环形孔径暗场显微成像方法采用面探测的方式，利用显微物镜的有限焦深，通过轴向光强分析的方法确定焦面位置，可以进行三维分布重建。

对于一个特定的缺陷，由于离焦、散射的作用，对其轴向扫描会获得一系列模糊程度不同的散射光斑。如何从一系列暗场散射图像中，快速、准确地获取缺陷三维分布信息，是缺陷三维重构的关键。

目前的暗场缺陷三维重构方法多根据图像清晰度分析来定位缺陷轴向位置，存在计算效率低、横向分辨率低的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述问题之一，提供一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法，该方法通过先提取缺陷散射核心区域的方式，提取有缺陷的区域进行分析，减少数据处理量，然后使用轴向光强分析方法重构缺陷的三维形态，可以简单快速地从缺陷暗场散射图像中获得缺陷三维分布信息。

本发明通过下述技术方案实现：

一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法，包括以下步骤：

图像获取步骤：使用暗场缺陷测量装置对被测样品进行轴向扫描测量，获得一系列缺陷暗场散射图像，并将所述缺陷暗场散射图像按照xy平面存储缺陷暗场散射图像灰度值、沿着z方向叠加不同轴向位置的图像序列，读入到一个三维矩阵中；

缺陷散射核心区域提取步骤：将缺陷暗场散射图像的缺陷区域与背景初步分离；寻找缺陷区域边界，确定各个缺陷区域；增强缺陷散射核心区域与杂光区域的对比度，并降低噪声，去掉杂光区域，提取缺陷散射核心区域；

重构缺陷步骤：对每一个提取出来的缺陷散射核心区域，沿轴向对每个横向像素对应的轴向光强曲线进行分析，计算轴向光强曲线的峰值，确定焦面的位置；确定每个缺陷的中心坐标和实际尺寸。

上述技术方案中，透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法通过先提取缺陷散射核心区域的方式，提取有缺陷的区域进行分析，减少数据处理量，然后使用轴向光强分析方法重构缺陷的三维形态；可以简单快速地从缺陷暗场散射图像中获得缺陷三维分布信息。

作为本发明的进一步改进，所述缺陷散射核心区域提取步骤包括步骤c-f：

c、对于读入的三维矩阵，设定灰度阈值t1，将灰度高于阈值t1的像素确定为缺陷区域像素，低于或者等于阈值t1的像素确定为背景区域像素，实现缺陷区域与背景的初步分离；

d、寻找缺陷区域边界：判断每个缺陷区域像素相邻的像素是否都为缺陷区域像素，如果不全都为缺陷区域像素则认定为缺陷区域的区域边界，根据认定的区域边界确定各个缺陷区域，根据各个缺陷区域判定各个缺陷区域的三维位置与范围；

e、使用三维卷积核分别对步骤d中得到的各个缺陷区域进行卷积滤波，增强缺陷区域的缺陷散射核心区域与杂光区域的对比度，并降低噪声；

f、对于各个卷积滤波后的缺陷区域，设定阈值t2，将灰度高于阈值t2的像素确定为缺陷散射核心像素，低于或者等于阈值t2的像素确定为杂光区域像素，并去掉杂光区域，获得缺陷散射核心区域。

上述技术方案中，采用散射核心提取的方法，能够实现快速、准确的缺陷区域定位，而且利用三维卷积除去散射杂光，增强缺陷区域的缺陷散射核心区域与杂光区域的对比度，并降低噪声，能够收缩缺陷的核心范围。

作为本发明的再一改进，所述重构缺陷步骤包括步骤g和h：

g、对步骤f每一个提取出来的缺陷散射核心区域，沿轴向对每个横向像素对应的轴向光强曲线进行分析，计算轴向光强曲线的峰值，确定焦面的轴向位置；

h、根据轴向光强曲线分析结果、像素与空间尺寸的对应关系、轴向步距、透明光学材料的折射率n，确定每个缺陷的实际三维分布，包括中心坐标、实际尺寸、形状。

上述方法通过轴向光强分析的方法，定位缺陷焦面并完成三维分布重建；为透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构提供了一种高效率、高横向分辨率、可靠的解决方法，对相关领域具有重要意义。

作为本发明的进一步改进，所述重构缺陷步骤之后还具有以下步骤：

i、对照缺陷评价标准对缺陷进行分类和统计。

作为本发明的进一步改进，步骤h之前还具有以下步骤：

a、标定暗场缺陷散射图像的像素与实际的空间尺寸的对应关系；

步骤h中确定每个缺陷的实际三维分布时利用的像素与空间尺寸的对应关系为步骤a中标定的暗场缺陷散射图像的像素与实际的空间尺寸的对应关系。本技术方案中的步骤a优选在步骤b之前完成，即实现事先标定，以后每次都可使用该标定结果。

进一步，步骤h中确定每个缺陷的实际三维分布时，每个缺陷的横向坐标为横向像素坐标×像素标定尺寸；轴向坐标为轴向步数坐标×轴向步距×折射率。

优选的，步骤g中使用极大值法或重心法或曲线拟合法计算轴向光强曲线的峰值。

作为本发明的再一改进，所述暗场缺陷测量装置包括暗场照明单元、遮挡物、成像单元、位移机构和显微物镜，所述暗场照明单元包括光源和照明镜头；所述的光源、照明镜头(2)、遮挡物、显微物镜依次设置在同轴光路上；所述位移机构能够带动被测样品在照明镜头与遮挡物之间移动，且所述位移机构带动被测样品移动的方向与所述同轴光路的光轴平行；所述成像单元包括筒镜和ccd；从显微物镜射出的光束通过筒镜成像在ccd上。所述遮挡物的尺寸小于显微物镜的孔径尺寸，则光路上遮挡物不能完全遮挡显微物镜的光入射孔，缺陷散射的光可以部分进入显微物镜的光入射孔。那么，步骤b中使用暗场缺陷测量装置对被测样品进行轴向扫描测量包含以下步骤：

s1：将被测样品安装在照明镜头和显微物镜之间的位移机构上；

s2：调整被测样品，使被测的样品感兴趣区域进入显微物镜成像视野，并设置位移机构速度、ccd的ccd采样频率和采样时长；

s3：启动位移机构、ccd，使被测样品沿光轴方向匀速运动，并且ccd采集被测样品缺陷暗场散射的图像序列。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法，该方法通过先提取缺陷散射核心区域的方式，提取有缺陷的区域进行分析，减少数据处理量，然后使用轴向光强分析方法重构缺陷的三维形态；本发明可以简单快速地从缺陷暗场散射图像中获得缺陷三维分布信息。

2、本发明采用散射核心提取的方法，实现快速、准确的缺陷空间定位；

3、本发明利用三维卷积除去散射杂光，收缩缺陷的核心范围；

4、本发明通过轴向光强分析的方法，定位缺陷焦面并完成三维分布重建；

5、本发明为透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构提供了一种高效率、高横向分辨率、可靠的解决方法，对相关领域具有重要意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的透明材料的暗场缺陷测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1中的缺陷暗场散射图像；

图3为本发明实施例1中的缺陷暗场散射图像序列的轴向剖面图；

图4为本发明实施例1中的缺陷三维分布重建结果。

图1中标记及对应的零部件名称：

1-光源，2-照明镜头，3-被测样品，4-缺陷，5-位移机构，6-遮挡物，7-显微物镜，8-筒镜，9-ccd。

具体实施方式

对透明光学材料表面及内部缺陷的三维形态的准确测量，是获得高品质低缺陷的光学元件的关键之一。暗场散射成像通过将照明背景光与缺陷散射光分离的方式，可以获得高对比度的缺陷成像效果。现有技术中对于一个特定的缺陷，由于离焦、散射的作用，对其轴向扫描会获得一系列模糊程度不同的散射光斑。目前的暗场缺陷三维重构方法多根据图像清晰度分析来定位缺陷轴向位置，存在计算效率低、横向分辨率低的问题。基于上述方法的缺陷，本发明研究并开发一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

【实施例1】

本实施例中的一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法，包括以下步骤：

a、标定暗场缺陷散射图像的像素与实际的空间尺寸的对应关系；

b、图像获取步骤：使用暗场缺陷测量装置对被测样品(3)进行轴向扫描测量，获得一系列缺陷暗场散射图像，并将所述缺陷暗场散射图像按照xy平面存储缺陷暗场散射图像灰度值、沿着z方向叠加不同轴向位置的图像序列，读入到一个三维矩阵中；

c、对于读入的三维矩阵，设定灰度阈值t1，将灰度高于阈值t1的像素确定为缺陷区域像素，低于或者等于阈值t1的像素确定为背景区域像素，实现缺陷区域与背景的初步分离；

d、寻找缺陷区域边界：判断每个缺陷区域像素相邻的像素是否都为缺陷区域像素，如果不全都为缺陷区域像素则认定为缺陷区域的区域边界，根据认定的区域边界确定各个缺陷区域a1、a2、…、an，根据各个缺陷区域判定各个缺陷区域的三维位置与范围；

e、使用三维卷积核分别对步骤d中得到的各个缺陷区域进行卷积滤波，增强缺陷区域的缺陷散射核心区域与杂光区域的对比度，并降低噪声；

f、对于各个卷积滤波后的缺陷区域，设定阈值t2，将灰度高于阈值t2的像素确定为缺陷散射核心像素，低于或者等于阈值t2的像素确定为杂光区域像素，并去掉杂光区域，获得缺陷散射核心区域；

g、对步骤f每一个提取出来的缺陷散射核心区域，沿轴向对每个横向像素对应的轴向光强曲线进行分析，计算轴向光强曲线的峰值，确定焦面的轴向位置；

h、根据轴向光强曲线分析结果、像素与空间尺寸的对应关系、轴向步距、透明光学材料的折射率n，确定每个缺陷的实际三维分布，包括中心坐标、实际尺寸、形状；

i、对照缺陷评价标准对缺陷进行分类和统计。

步骤h中确定每个缺陷的实际三维分布时利用的像素与空间尺寸的对应关系为步骤a中标定的暗场缺陷散射图像的像素与实际的空间尺寸的对应关系，标定的参数包括像素标定尺寸和轴向步距，其中像素标定尺寸为暗场缺陷散射图像的一个像素代表的缺陷的实际的空间尺寸。

步骤h中确定每个缺陷的实际三维分布时，计算中心坐标包括计算横向坐标和轴向坐标，中心坐标的计算中：

1)横向坐标与尺寸的计算为根据每个缺陷的横向像素坐标与像素标定尺寸，计算实际的横向坐标与尺寸，具体为：横向坐标＝横向像素坐标×像素标定尺寸；

2)轴向坐标与尺寸为根据每个缺陷的轴向步数坐标、轴向步距、材料折射率，计算实际的轴向坐标与尺寸，具体为：轴向坐标＝轴向步数坐标×轴向步距×折射率。

在计算出每个缺陷的横向坐标和轴向坐标后，缺陷的实际尺寸和形状均可根据该横向坐标和轴向坐标获得，具体计算方法为现有技术，本实施例中不再赘述。

本实施例中的轴向是指平行于暗场缺陷测量装置的光源的照射方向，横向为垂直于暗场缺陷测量装置的光源的照射方向的方向，包括水平方向和竖直方向，横向与轴向垂直。

本实施例中的步骤i中，在确定了每个缺陷的实际三维分布，包括中心坐标、实际尺寸、形状后，根据事先制定的或者行业通用的缺陷评价标准，就可对缺陷进行分类和统计。

本实施例中，步骤c-f构成缺陷散射核心区域提取步骤，将缺陷暗场散射图像的缺陷区域与背景初步分离；寻找缺陷区域边界，确定各个缺陷区域；增强缺陷散射核心区域与杂光区域的对比度，并降低噪声，去掉杂光区域，提取缺陷散射核心区域。步骤g和h构成重构缺陷步骤，对每一个提取出来的缺陷散射核心区域，沿轴向对每个横向像素对应的轴向光强曲线进行分析，计算轴向光强曲线的峰值，确定焦面的位置；确定每个缺陷的中心坐标和实际尺寸。透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法在步骤a中提前标定暗场缺陷散射图像的像素与缺陷的实际尺寸的对应关系，通过步骤b获取缺陷暗场散射图像；正式进行三维重构时，首先通过步骤c-f提取缺陷散射核心区域的方式，提取有缺陷的区域进行分析，减少数据处理量，然后在步骤h中使用轴向光强分析方法重构缺陷的三维形态；本发明可以简单快速地从缺陷暗场散射图像中获得缺陷三维分布信息。

实施例2：

在实施例1的基础上本实施例中进一步提供一种暗场缺陷测量装置的具体结构：

如图1所示，暗场缺陷测量装置包括光源1、照明镜头2、位移机构5、遮挡物6、显微物镜7、筒镜8、ccd9。光源1、照明镜头2构成暗场照明单元；筒镜8、ccd9构成成像单元，其具体连接方式为：光源1、照明镜头2、遮挡物6、显微物镜7依次设置在同轴光路上，使用时被测样品3设置于照明镜头2与遮挡物6之间。被测样品3靠近显微物镜7的成像面。被测样品3安装于位移机构5上，位移机构5位于照明镜头2与遮挡物6之间，位移机构5的移动方向与同轴光路的光轴平行，这样，位移机构5能够带动被测样品3在照明镜头2与遮挡物6之间移动，且位移机构5带动被测样品3移动的方向也与所述同轴光路的光轴平行。所述遮挡物6的尺寸小于显微物镜7的孔径。

光源1发出的照明直射光经照明镜头2、被测样品3后照射在遮挡物6上。被测样品3中若存在缺陷4，缺陷4散射光进入显微物镜7未被遮挡物6遮挡的孔后从显微物镜7射出，射出的光束筒镜8后成像在ccd9上。

本实施例中的位移机构为现有技术中常用的移动装置，例如但不限采用运输线、传动装置等，其只要实现带动被测样品3在照明镜头2与遮挡物6之间移动即可，本实施例中不再赘述其结构。

步骤b中使用暗场缺陷测量装置对被测样品3进行轴向扫描测量包含以下步骤：

第一步：启动暗场缺陷测量装置；

第二步：将被测样品3安装在照明镜头2和显微物镜7之间的位移机构5上；

第三步：调整被测样品3，使被测样品3的感兴趣区域进入显微物镜7成像视野，并设置位移机构5速度、ccd9的ccd采样频率和采样时长；

第四步：同时启动位移机构5、ccd9，使被测样品3沿光轴方向匀速运动，并且ccd9采集被测样品3的缺陷暗场散射的图像序列。

本申请中的三维重构方法是基于非差动的暗场缺陷检测方法的，适用于单ccd暗场缺陷图像的三维缺陷重构，不仅适用于本实施例中的直入射式暗场缺陷测量装置的暗场缺陷图像处理，在其他实施例中也可用于斜入射式暗场缺陷轴向三维扫描图像、全内反射暗场缺陷轴向三维扫描图像的处理。

本实施例的方法通过先提取缺陷散射核心区域的方式，提取有缺陷的区域进行分析，减少数据处理量，然后使用轴向光强分析方法重构缺陷的三维形态；本发明可以简单快速地从缺陷暗场散射图像中获得缺陷三维分布信息；采用散射核心提取的方法，实现快速、准确的缺陷空间定位；利用三维卷积除去散射杂光，收缩缺陷的核心范围；通过轴向光强分析的方法，定位缺陷焦面并完成三维分布重建；为透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构提供了一种高效率、高横向分辨率、可靠的解决方法，对相关领域具有重要意义。

【实施例3】

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例中以一个具体的透明光学材料作为被测样品3对本发明的方法进行具体说明，本实施例中，被测样品3采用一个10mm厚、直径50mm的熔石英元件，光源1使用543nm波长的激光照明，石英元件在543nm波长下的折射率为1.46，使用10倍的显微物镜进行成像，轴向步距为0.5μm。

本实施例中的一种透明材料暗场散射图像的缺陷三维重构方法，包括以下操作步骤，

首先标定暗场缺陷散射图像的像素与实际的空间尺寸的对应关系，本实施例中对应关系为：一个像素对应0.668μm。

然后使用暗场缺陷测量装置对透明光学材料进行轴向扫描测量，获得一系列缺陷暗场散射图像，图2为缺陷暗场散射图像之一，图3为图1白线位置处对应的轴向剖面图。将一系列缺陷暗场散射图像用matlab读入到一个三维矩阵中，本实施例中的三维矩阵为1224×1024×360像素大小的矩阵。

设定灰度阈值t1＝100，将灰度高于灰度阈值t1的像素确定为缺陷区域像素，低于或者等于灰度阈值t1的像素确定为背景区域像素，实现缺陷区域与背景的初步分离。

寻找缺陷区域边界，根据缺陷区域边界确定各个缺陷区域，得到各个缺陷区域的三维位置与范围。判断方法为：判断每个缺陷区域像素相邻的像素是否都为缺陷区域像素，如果不全都为缺陷区域像素则认定为缺陷区域的区域边界，根据缺陷区域判定各个区域的三维位置与范围。本实施例中共提取到7个缺陷区域。

对每个缺陷区域，使用5×5×11的归一化中值滤波器进行滤波，然后令灰度阈值t2＝(缺陷区域内最大光强-缺陷区域内最小光强)/2，将灰度高于阈值t2的像素确定为缺陷散射核心像素，低于或者等于阈值t2的像素确定为杂光区域像素，并去掉杂光区域，获得缺陷散射核心区域。对每一个提取出来的散射核心区域，沿轴向对每个横向像素对应的轴向光强曲线进行分析，使用重心法计算轴向光强曲线的峰值，确定焦面的轴向位置。根据轴向光强曲线分析结果、像素与空间尺寸的对应关系、透明光学材料的折射率，确定每个缺陷的中心坐标和尺寸。并对照缺陷评价标准对缺陷进行分类。图4为熔石英表面附近400×150μm范围内的缺陷三维分布重建结果。共检测到7条纵向裂纹，标号从a-f的长度分别为：85.3μm，36.7μm，30.1μm，65.8μm，28.3μm，40.2μm，24.9μm。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。