精彩论文 | 光致发光分类检测表面及亚表面缺陷

论文导读

      表面缺陷与亚表面缺陷是降低光学元件激光损伤阈值的重要因素，同时也会影响光学系统的成像质量与机械稳定性。精密光学系统需要严格控制表面及亚表面缺陷，但由于亚表面缺陷难以探测且其与表面缺陷存在空间层叠，导致对两者进行精确检测和区分成为一项重大挑战。

      2022年3月，浙江大学刘东教授团队在PhotoniX 期刊发表论文“Detection of surface defects and subsurface defects of polished optics with multisensor image fusion”，合作者为中物院激光聚变研究中心。文中提出一种基于多传感器的图像融合方法，可实现抛光元件表面缺陷与亚表面缺陷的无损检测。在激光均匀照射下，缺陷部位产生散射和荧光信号，并由显微系统中两个图像传感器分别接收。基于图像配准和特征级融合算法，成功从散射和荧光图像中识别并提取出不同种类的缺陷。研究成果为光学元件超精密加工、激光损伤阈值评估与控制等应用提供了更具针对性的参考。

研究背景

      光学元件的接触式加工手段（如切割、研磨和抛光等）不可避免地会使光学元件的表面产生缺陷，如麻点、划痕、微裂纹等。这些缺陷不仅分布于光学元件表面，还可能会进一步延伸至表面以下几微米至几百微米的深度，一些污染性杂质也随之嵌入其中，成为亚表面缺陷。在高功率激光装置中，表面和亚表面缺陷会导致激光损伤阈值降低，成为限制能量密度进一步提升的关键因素。在激光武器、空间望远镜等光学系统中，表面和亚表面缺陷也可能影响系统的光束传输质量、长期稳定性和使用寿命等。因此，需要对光学元件的表面和亚表面缺陷进行高精度检测和评价，从而为光学元件的加工和后续处理过程提供科学依据。

      抛光光学元件的表面较为光滑，大部分缺陷得以去除，但仍然有部分残余的微小缺陷随机分布于表面及亚表面。现有的检测技术中，基于荧光原理的共聚焦显微成像具有较高的分辨能力，但其视场较小，一般只能对数百微米的局部区域进行扫描成像；基于散射原理的宽场显微成像具有较高的检测效率，但无法做到表面缺陷与亚表面缺陷的有效区分。并且，由于表面缺陷和亚表面缺陷可能存在层叠的空间位置关系，同时对两者进行快速、无损检测和有效区分成为重大的挑战。

技术突破

      光学元件的表面区域自上而下依次为再沉积层、亚表面层、变形层和材料本体（如图1（a））。在研抛过程中，亚表面缺陷中会嵌入污染性杂质，并被全部或部分掩盖于再沉积层之下，没有被完全掩盖、直接暴露的称为延展型亚表面缺陷（Extended SSD），被全部掩盖、没有暴露的称为隐藏型亚表面缺陷（Covered SSD）。在激光照射下，表面缺陷与延展型亚表面缺陷产生强烈的散射光（如图1（b）），隐藏型亚表面缺陷与延展型亚表面缺陷产生强烈的荧光（如图1（c））。因此，荧光图像与散射图像既有互补性又有冗余性（如图1（d）），基于此原理设计多传感器图像融合检测系统，使用两个CCD同时对散射和荧光信号进行成像，两种成像模式共用同一物镜和激发光源，有效地提升检测效率（如图1（e））。

      基于空间仿射变换模型、特征级融合手段，提出针对散射与荧光图像的配准与融合方法。首先根据图像中缺陷的灰度、形貌等信息进行轮廓特征的提取，获得所有缺陷轮廓的空间坐标；然后使用轮廓空间信息进行特征匹配，根据缺陷的重叠情况判断缺陷类型；最终根据缺陷类型进行提取，生成表征不同种类缺陷的图像。如图2（a）-（c）中展示了在样品3个不同区域采集获得的散射图像与荧光图像的叠加（散射图像中缺陷标记为红色，荧光图像中缺陷标记为绿色，叠加后重叠区域标记为黄色）。对其进行融合处理后，图2（d）-（f）分别表征样品表面缺陷、延展型亚表面缺陷和隐藏型亚表面缺陷。通过氢氟酸刻蚀的验证结果表明，该方法可以对缺陷类型进行准确区分，使表面与亚表面缺陷的快速无损检测成为可能。

观点评述

      散射成像方法可以对光学元件的表面缺陷进行检测，但其结果不可避免地会受到延展型亚表面缺陷的干扰；荧光成像方法可以有效检测亚表面缺陷，但也难以区分延展型和隐藏型两种亚表面缺陷类型。本文基于抛光光学元件的散射和荧光成像原理及特点，搭建了表面与亚表面缺陷的无损检测系统。同时使用两个图像传感器对光学元件表面进行散射和荧光成像，具有成像范围大和检测效率高的优点。使用图像配准和图像融合算法，对散射和荧光图像中的缺陷进行轮廓识别、特征匹配与分类，最终实现三种类型缺陷的识别与提取。该研究成果为光学元件表面加工质量评估提供丰富的参考依据，有助于针对性地改进光学元件的加工制造工艺，从而控制各类缺陷的产生。

主要作者

      孙焕宇，浙江大学光电科学与工程学院博士研究生，研究方向为材料表面/亚表面缺陷的无损检测、机器视觉检测。

       王狮凌，浙江大学光电科学与工程学院博士研究生，研究方向为机器视觉与光学检测。

      刘东，教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，现任浙江大学光电科学与工程学院副院长、现代光学仪器国家重点实验室副主任，中国光学工程学会理事、海洋光学专委会委员，中国光学学会光学测试专委会、环境光学专委会委员，全国光电测量标准化技术委员会委员，《大气与环境光学学报》执行副主编，《光学学报》、《光学精密工程》期刊编委，PhotoniX 等期刊专题编辑。从事光电检测与遥感方面的教学及科研工作，主要研究方向包括环境激光雷达（大气、海洋及星载）、机器视觉与深度学习、光电干涉检测等。出版教材2部、专著1部（2/2），作为第一作者/通讯作者发表论文被SCI收录60余篇，科技成果转化十余项。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。

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