飞秒激光在微加工过程中衍生的等离子体亮度特征可作为实时反馈的测量信号,因此,研究光斑亮度特征并构造细节信息丰富的高质量亮度变化曲线具有重要意义。首先,针对光斑图像信噪比低、目标区域边缘模糊的情况,采用改进的小波阈值去噪法对光斑图像进行滤波处理,在不改变光斑亮度水平的情况下得到边缘对比度较高的平滑光斑。然后,采用K均值聚类方法分割光斑图像,将表现为噪声的光晕部分分割出去,只保留亮度有效的区域。最后,提取光斑序列图像的亮度变化曲线,用分形与多尺度软阈值滤波相结合的方法对曲线进行处理,得到含有丰富细节信息的高质量亮度变化曲线。用不同功率的光斑图像计算亮度与分形维数,结果表明,光斑亮度和光斑变换的复杂性均随激光加工功率的增大而增大。

对等离子体光斑的灰度特征进行分析。首先,在HSL彩色空间上对原光斑图像的L分量进行主成分提取并结合掩模处理,得到具有高信噪比的有效灰度图。对处理前后单个光斑图像的平均灰度曲线进行分析,发现原光斑图像的灰度曲线包含许多毛刺,而经处理后的曲线更为平滑。其次,对光斑序列样本图像的灰度特征进行提取,发现光斑序列图像的灰度随飞秒激光束往复烧蚀运动呈周期性变化。然后,采用分形插值与小波变换相结合的方法对光斑序列图像的平均灰度特征曲线进行处理,该方法不仅清晰地保留了平均灰度特征曲线的细节信息,而且使该曲线变得更为平滑。最后,对光斑灰度特征与烧蚀加工功率、加工平台运动之间的相关性进行分析,发现之间存在极强的相关性,这对利用光斑灰度指标调节激光功率和反馈微结构的加工深度提供了有意义的依据。

飞秒激光加工单晶硅材料过程中会伴随产生等离子体,通过CCD相机采集等离子体的光辐射信号得到等离子体光斑图像。针对光斑图像边缘与背景区域对比度不明显、信噪比低的特点,对光斑图像进行增强处理,并进一步对光斑图像亮度特征进行分析。首先,对原始光斑图像进行滤波,采用主成分分析方法将其增强,对得到的第一主成分图像进行伪彩色处理,以便于分析其能量分布,并依据其能量分布信息将光斑的核心区域分割出来。其次,分别计算原始光斑图像的质心、长轴以及核心烧蚀区的质心与长短轴,分析图像的几何特征,据此判断激光烧蚀加工的方向。再次,采用Niblack分割方法分割原始图像的灰度图,基于分割后的二值图像掩模亮度信息,得到光斑图像的亮度特征。最后,分析光斑亮度特征与激光烧蚀加工方向、激光功率的关系。亮度特征与加工方向的相关系数小于0.09,与激光功率的相关系数大于0.5。结果表明:光斑图像的亮度特征不受加工方向的影响,光斑亮度特征具有较强的稳定性,可用于激光烧蚀功率的识别。