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摘要光学元件在加工过程中不可避免的会产生亚表面损伤，对材料的使用性能、寿命等指标会有严重的影响，为了实现高精度的对元件亚表面损伤的检测，文章采用非破坏检测法中的全内反射法，搭建实验平台对待测元件的表面进行扫描拍摄。为了实现高精度的图像配准,采用了亚像素级的图像配准算法，对原有的会浪费大量计算的FFT 算法进行改进，采用了基于交互相关和重采样为基本原理的亚像素图像配准算法，此方法会首先初步估算并定位互相关峰值的位置，在不牺牲准确性的前提下，可以显著提升配准的效率。 27332
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毕业论文键词：亚表面损伤；全内反射法；相位相关；亚像素配准；矩阵乘法。
Title The research and analysis of subsurface damage (SSD) images based on phase correlation Abstract Optical components will inevitably produce the subsurface damage (SSD) in the machining process, which is a critical factor influencing the strength of materials and the usage of components. To assess subsurface damage with high accuracy, we use the total internal reflection method, a kind of nondestructive evaluation method, and establish an experiment system to scan the surface of samples. To register two images with high accuracy, we present the Sub-pixel image registration algorithm. It is the improved version of the FFT, which wastes much computation originally. The Sub-pixel image registration algorithm we present is based on the upsampled cross correlation. It is started with estimating and locating the location of the cross-correlation peak, which significantly improves performance without sacrificing accuracy. Key words: subsurface damage;the total internal reflection method;phase-correlation;Sub-pixel image registration;matrix multiplication
目录
1 引言 3
1.1 亚表面损伤简介 3
1.2 亚表面损伤的检测方法 4
1.3 本章小结 9
2 实验方法 10
2.1 全内反射法 10
2.2 目前利用全内反射法处理亚表面损伤的成熟的方法 10
2.3 本章小结 14
3 亚像素配准方法 15
3.1 实验的配准方法 16
3.2 尺度不变特征变换匹配算法 22
3.3 本章小结 23
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
1 引言 1.1 亚表面损伤简介 现如今，由于光学在光刻技术、激光技术、及其相关技术的高速发展，要求光学元件的质量和性能越来越好，不但对元件表面光滑度要求很高，而且对亚表面损伤（SSD）也提出了要求。国内外的研究人员对元件损伤的原理做了大量实验进行探索，研究结果表明，光学元件在加工过程中会产生亚表面损伤，此损伤对材料的使用性能、寿命等方面会有很大的影响，所以怎样能够有效地对亚表面损伤进行检测，并在加工阶段对其加以控制就显得尤为重要。[1] 在高功率激光核聚变装置以及各种大型高功率激光系统中，光学元件的使用必不可少,系统中各种光学元件对激光的抗损伤能力决定着系统的运行性能，这限制了激光器功率密度的提高, 强激光系统中，元件的亚表面损伤会引起场破坏、热破坏和场面机械能的弱化。热破坏限制了系统的最大输出功率，而机械性能的弱化则给系统的使用安全和使用寿命造成潜在的影响。 光学元件系统在应用于天文望远镜中时，光学元件的精确测量显得尤为重要，将直接影响光学仪器技术性能的发挥甚至是仪器的正常使用，如果稍有偏差和微小误差就会导致不可预计的损失。以哈勃空间望远镜为例，美国宇航局（NASA）于1990年4 月25日将哈勃（Hubble）太空望远镜发射升空，开辟了空间光学观测的新时代。但在发射升空数星期后，从哈勃望远镜获得的图片存在严重的问题，图像品质远低于当初的期望，经检查后发现，这一问题的原因是望远镜的主镜片存在亚表面损伤，导致主镜聚焦系统模糊，为此对望远镜进行了连续5天的太空修复，为此付出了巨额的修理费用。因此，光学元件亚表面损伤的高效率检测与去除已成为相关领域迫切需要解决的问题。 光学元件的亚表面损伤指的是，当对光学元件表面进行传统的加工方法时，压力自然就会作用在元件表面，造成元件表面下产生疵病、杂质等缺陷的现象，同时，在监测光学元件生产过程时，我们发现研磨过程对亚表面损伤的影响较大，并且研磨过程中对光学元件造成的损伤很难在抛光阶段进行修复，为了减少光学元件的亚表面损伤，必须对研磨过程中亚表面损伤进行严格的监控。亚表面裂痕主要分布于元件表层下面零点几微米至几百微米的距离， 根据亚表面层理论模型[2]理论，光学元件表面结构有:1)抛光层， 0.1～1μm，在元件抛光阶段形成；2)缺陷层， 1～100μm，在元件研磨加工阶段形成；3)变形层， 100～200μm，在元件成型阶段形成；4)光学材料本体[3]，如图1.1。本文将对亚表面损伤的检测及相关的图像拼接等处理方法进行细致研究。1.2 亚表面损伤的检测方法 亚表面损伤测量相对于表面粗糙度测量，在方法上较为落后，而且测量结果也会受到测量方法和其他因素的影响，因此有一定的局限性，体现了亚面裂痕的隐蔽性和复杂性。目前测量元件表面亚表面裂痕主要是一些比较成熟，常用的测量方法。[4] 1.2.1 破坏性检测方法 破坏性检测方法会对被测器件进行一定程度的破坏，将被测的损伤全部出来，再根据具体的情况计算所需的测量结果。 1）HF恒定化学蚀刻速率法 此法是在恒温和恒定浓度条件下，以光学材料蚀刻的速率不变为前提，蚀速度取决于化学试剂与被测件的接触面积[5][6]。此法所需的设备简单，需复腐蚀，影响测量精度，是一种常用的简单基本的测量方法。国防科技大学用HF蚀刻法测量K9 玻璃亚表面损伤深度，通过多次改进试验方法提高了效率和准确性[7]，西安交通大学通过 HF酸单一斑点腐蚀法，对实验过程加进，通过与显微镜结合，仅通过一个蚀刻效果好的斑点即可实现对亚表面损伤深度的精确测量[8]。 2)角度抛光法 当需要检验晶体的亚表面裂纹的深度信息时，角度抛光法是现在最常用的一种方法[9]。其原理是先找到截面部分的亚表面损伤区域，再将该截面区域部分以α为夹角的斜截面上放大显示出来。由于可以通过光学显微镜观测到斜面上放大的亚表面损伤裂痕区域的大小设为S，最后利用公式1 2 h h D ， sin * 1 2 S h h 表示亚表面损伤。这种方法制备样品相对简单，易于实现，且分辨率较高。但是局限于只能对制定的区域进行检测，并且损伤深度很小时不适合采用。 3)磁流变抛光斑点技术 磁流变抛光技术（MRF）可以进行亚表面裂纹检测的原因在于其不会对被测样品产生附加损伤[5]。测量的准确度高是磁流变抛光技术最大的优点，此法的第一步是利用磁流变抛光技术对被测元件表面进行抛光；第二步，通过化学方法处理工件使得裂痕展开；第三步，通过显微镜与轮廓仪相结合，观测亚表面裂痕的深度信息及抛光斑点的形状。 4）截面显微法 截面显微法是一种较为直接的亚表面损伤检测方法，可用于定性和定量检测光学元件研磨阶段的亚表面损伤。该方法通过光学显微镜对样品的磨削表面的垂直方向进行检测，从而得到亚表面损伤的结构和损伤的深度尺寸。为了可以精准的测量被测样品的亚表面损伤，样品制作过程中要保护好研磨表面的裂痕和抛光面与研磨表面相交的棱。截面显微法的缺点是精度不高，对损伤较小的样品检测比较困难
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