CN1654923A - 用图像匹配和相移干涉测试微结构三维运动的系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用图像匹配和相移干涉测试微结构三维运动的系统与方法。系统包括光学显微镜、Mirau干涉物镜、物镜垂直位置控制器、频闪照明驱动装置、CCD摄像机、图像采集卡、数制计算机、运动激励驱动装置，频闪照明装置驱动白光LED和单色光LED分别照射微结构，白光LED照射时基于图像匹配技术测试微结构平面运动参数，单色光LED照射时基于相移干涉技术测试微结构离面运动参数。所述的方法，过程包括频闪与驱动信号的同步控制、白光照明下微结构平面运动参数的提取，相对坐标系的建立，利用相移干涉技术获得表面形貌及基于相对坐标系的离面运动参数提取。本发明的优点在于：利用平面运动参数高精度测试中的测量点定位特点，实现离面运动参数的精确提取。
Description
技术领域
本发明涉及一种综合运用图像匹配和相移干涉技术的微机电系统(MEMS)中微结构的三维运动参数的测试方法与系统。属于面向微机电系统的光电非接触法的机械量测量技术。
背景技术
微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上发展起来的，是由电子和机械元件组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之间，将计算、传感与执行融为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式。微机电系统(MEMS)的大部分制造工艺与微电子技术领域的加工工艺相兼容，但是相当数量的MEMS器件包含可运动的结构，这是与微电子器件的最大区别。
从测试角度来看，MEMS中可运动的结构必然带来对运动参数测试的要求，依据运动的坐标分布，微结构的三维运动可分为平面运动参数测试和离面运动参数测试。
光学测试方法由于其非接触、快速、精度高等优点，在MEMS测试领域中得到广泛应用。由于尺寸的缩小，绝大多数微结构的运动频率都比较高，一般在50K～500KHz左右，甚至更高。利用光学方法进行微结构测试，最有效的方法是获得其运动瞬间的位置变化，直接的方法是采用高速摄像机进行瞬态运动状态的图像采集。然而，高速摄像机价格昂贵，难以进行大范围的应用推广，另外一种解决方法是采用频闪成像技术，该技术可采用每秒采集图像为十几帧的普通摄像机。由于单次频闪不能得到足够的光强进行成像，因此需要对相同运动瞬间进行若干次频闪成像，摄像机得到的图像来自于若干次频闪照明下光强的总和，这也就要求被测的微结构进行重复性很高的周期运动。
通过高速摄像或频闪成像的方法可得到包含微结构平面运动各个瞬间的运动信息的图像序列，运用图像匹配技术可提取出微结构平面运动参数；通过相移干涉技术可获得微结构表面的三维形貌，同样结合频闪成像技术可得到微结构因运动引起的三维形貌变化，其中包含了微结构平面和离面运动参数信息。
从理论上讲，如上所述的利用相移干涉和频闪成像相结合的方法可得到微结构三维运动信息。通过对现有技术的综合分析和比较，目前所报道的技术方案在实际应用中主要存在以下几方面的问题：(1)MEMS器件中微结构在离面的尺寸范围可达到几十甚至几百微米，相移干涉方法在离面的测量范围一般只有几微米，因此在整个视场下只能在一定的区域才能形成干涉条纹，即不能得到整个视场下微结构的三维形貌；(2)虽然其中绝大部分运动的微结构的离面几何尺寸和运动幅度的范围在几微米，可调整工作距离使得运动的微结构表面形成干涉条纹，干涉条纹消失的边缘一般包含平面运动信息，但是在运用相移干涉方法时需要先后进行相位提取和相位展开步骤，边缘干涉数据容易导致三维形貌提取的失败，一般都需要人为地去选择边缘内部的区域来进行干涉条纹处理，图像边缘信息的丢失将使得平面运动参数不能提取，从而导致运动测量坐标系难以建立，离面运动信息的提取也将随之发生错误；(3)利用三维形貌来提取平面运动信息的精度较低，这主要是所得到的三维形貌难以运用亚像元技术，平面运动参数的测量精度只能达到像素级。
发明内容
本发明的目的在于提供综合运用图像匹配和相移干涉技术的微机电系统(MEMS)中微结构的三维运动参数的测试方法与系统，它有效地解决微结构三维运动精确解耦合问题，从而提高测试精度。
本发明是通过下述技术方案加以实现的。一种运用图像匹配和相移干涉测试微结构三维运动的系统，该系统包括由光学显微镜、Mirau干涉物镜、物镜垂直位置控制器、CCD摄像机、图像采集卡、数据处理和控制计算机、微结构运动激励驱动装置组成，其特征在于，还包括频闪照明驱动装置、白光LED和单色光LED，所述的频闪照明驱动装置包括周期电压脉冲发生器与恒定电流转换驱动器构成，频闪照明装置驱动白光LED和单色光LED分别照射微结构，白光LED照射微结构时基于图像匹配技术测试微结构的平面运动参数，单色光LED照射微结构时基于相移干涉技术测试微结构的离面运动参数。
采用上述系统，实现微结构三维运动测试方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将照明装置设置为单色光连续照明方式，对放置在光学显微镜载物台的被测微结构进行照明，调整载物台的垂直方向的位置，使得被测的局部区域出现干涉条纹；
(2)将照明装置转换为白光连续照明方式，由于白光的光谱特性，步骤(1)所出现的干涉条纹将消失，显微镜视场内仅能观察到被测微结构的平面图像；
(3)被测微结构与运动激励周期正弦信号相连，将照明装置转换为白光频闪照明方式，频闪信号的周期与运动激励信号的周期相同，且相互的延迟时间可调整，因此微结构的周期运动在频闪照明下基本属于“冻结”状态；
(4)利用CCD摄像机，获得频闪信号和周期激励信号无延迟下的被测微结构的平面图像，增加延迟时间后进行图像采集，延迟时间增加的大小是任意的，每次调整延迟时间都能得到一幅图像，同时也记录下每次延迟时间调整的数值，直到延迟时间等于激励信号的一个周期，即得到包含周期平面运动信息的图像序列；
(5)在图像中选取具有具有明显边缘特征的区域，对步骤(4)得到的图像序列行光流图像分析，提取出微结构平面运动参数，包括不同运动相位下平面位移和旋转角度；
(6)同样依据平面图像内的边缘特征区域，针对每一幅平面图像建立光学显微镜视场内的相对坐标系，为后续离面运动的分析提供参考；
(7)将照明装置转换为单色光频闪照明方式，被测微结构表面的局部区域将出现干涉条纹，与步骤(1)所观察到的干涉条纹相同；
(8)按照步骤(4)所记录下延迟时间调整的数值进行频闪信号与运动激励信号间延迟时间的调整，即与包含平面运动信息图像序列采集的条件相同，在每一次调整延迟时间，CCD摄像机采集微结构的干涉图像，而且还通过调整物镜垂直位置控制器，产生等间距的5个呈台阶变化的相移，在每一相移台阶采集当时的干涉图像，共5幅干涉图像，选取干涉条纹质量好的区域进行5步相移算法和最小二乘相位展开算法的计算，得到被测微结构在该运动相位下的表面形貌；
(9)重复步骤(8)，获得包含离面运动信息的一系列被测微结构的表面形貌图，每一幅表面形貌图都与特定的延迟时间相对应；
(10)依据步骤(5)所建立的不同延迟时间下的显微镜视场内的相对坐标系，对步骤(9)得到的不同延迟时间下的表面形貌进行关联，确定微结构上指定点在显微镜视场内的相对位置，即提取出该指定点的离面运动参数。
本发明的优点在于：在白光照明方式下，采用图像匹配的方法得到微结构平面运动参数，具有亚像元的测试精度，而且可确定指定点在显微镜视场的相对位置变化情况，再与相移干涉技术相结合，能够精确解析出指定点的离面运动参数，最终实现微结构三维运动参数的精确测试。
附图说明
图1为频闪照明实现高频运动参数测量的信号时序图；
图2为综合运用图像匹配和相移干涉技术的微机电系统(MEMS)中微结构的三维运动参数的测试系统框图；
图3为微谐振器在白光频闪照明下0°运动相位的平面图像；
图4为微谐振器在白光频闪照明下90°运动相位的平面图像；
图5为微谐振器在单色光频闪照明下0°运动相位的干涉图像。
具体实施方式
实施例1：
本实施例主要关注在白光频闪照明条件下，利用图像匹配技术进行微谐振器平面运动参数的测试和用于离面运动参数精确提取的相对坐标系建立。
频闪照明实现高频运动参数测量的信号时序如图1所示，两信号的延迟时间由测量与控制计算机控制，图中仅列举了0°和30°运动相位平面运动图像采集时两信号的延迟。运动激励信号为周期的正弦信号，频闪驱动信号为正脉冲，其宽度约为1微秒，出现在每个周期的特定相位处，并重复1000次，CCD摄像机采集光学显微镜视场下的图像，曝光时间为频闪1000次的总时间。
图2为综合运用图像匹配和相移干涉技术的微机电系统(MEMS)中微结构的三维运动参数的测试系统。在本实施例中，白光LED工作，单色光LED不工作，物镜垂直位置控制器不工作。
在本实施例中，微谐振器作为测试器件，正弦波运动激励信号的频率为20kHz，偏置电压为20V，峰值电压为160V，在Y方向上产生周期往复运动。通过调整频闪和运动激励信号的延迟时间，可将此正弦波的一个运动激励周期以10°相位进行划分，一个周期共36个相位。延迟时间越小，对运动激励周期细分的数目越多。图3为处于正弦波运动激励信号的0°相位下微谐振器的平面图像，图4为处于正弦波运动激励信号的90°相位下微谐振器的平面图像。通过对一个周期36幅图像进行图像匹配分析，可得到不同相位下微谐振器的运动位置。在图像匹配处理中，为了实现旋转角度的测试，采用了基于标号场的光流场计算方法进行处理。图像匹配分析的过程如下：(1)使用者在获取的初始位置图像上选择一定的区域，该区域应该在运动部件上，并具有相对较为明显的特征，如图3所示的中央运动部件的黑点或结构的边缘；(2)将所选区域的图像与后续图像中对应位置的图像进行基于标号场的光流场分析，可得到选定区域内各点的运动场；(3)将选定区域看作为刚体，通过对各像素点的运动场进行分析即可得到微谐振器的平面位移和旋转角度。由于运动的微谐振器可看作为刚体，而从图中可看出微谐振器具有特征非常明显的边缘特征，因此可将这些边缘特征作为建立显微镜视场下相对坐标建立的参考，这样在每一幅图像中被测微谐振器上每个点的相对位置就能够确定。
实施例2：
本实施例主要关注在单色光频闪照明条件下，在实施例1中被测微谐振器中相应点在光学显微镜视场内的相对位置确定后，利用相移干涉技术进行微谐振器离面运动参数的精确提取。
本实施例中频闪照明实现高频运动参数测量的信号时序仍如图1所示。图2为综合运用图像匹配和相移干涉技术的微机电系统(MEMS)中微结构的三维运动参数的测试系统。在本实施例中，白光LED不工作，单色光LED工作，物镜垂直位置控制器工作。
在本实施例中，测试器件、运动激励信号、频闪信号与实施例1中相同。由于微谐振器实际制造与设计的偏差，在产生平面运动的同时，在离面上产生一定的耦合运动。
在频闪信号与运动激励信号之间延迟时间保持不变的条件下，利用物镜垂直位置控制器控制Mirau干涉物镜处于初始物距状态，频闪照明结束后计算机采集这一阶段的干涉图像，如图5所示；然后调整物镜垂直位置控制器，使得干涉物镜的物距以λ/8的步距变化一步，即产生π/2固定的相移，继续进行频闪和图像采集，次数为4次，每次得到一幅干涉图像，包括第1步的干涉图像，共得到5幅干涉图像。由于干涉条纹的边缘数据容易导致后续相位提取和展开的错误，因此需要人为选择被测结构作为数据处理区域，如图5所示的中央“工”形区域。对5幅干涉图像中选定的区域进行5步相移算法的相位提取和最小二乘相位展开，可得到微谐振器中“工”形区域的表面形貌。
与实施例1相同的方式调整频闪信号与运动激励信号延迟时间，重复以上干涉图像的采集、相位提取和展开步骤，可得到微谐振器不同运动瞬间下“工”字形区域的表面形貌。
虽然以上步骤可获得一系列“工”字形区域的表面形貌，其表面形貌的变化也包含有离面运动信息，但是由于微谐振器存在平面运动，针对每幅干涉图人为选择的“工”字形区域在微谐振器上的相对位置必然存在较大的误差，因此不能直接从“工”字形区域的表面形貌的变化中提取出离面运动参数。
由于本实施例中单色光频闪照明和运动激励信号的形式与延迟时间控制与实施例1完全相同，干涉图像可看作为同等频闪照明和运动激励条件下平面图像上叠加干涉条纹，因此对于被测微谐振器上的指定点可先从实施例1中所得到的平面图像序列中提取出在整个显微镜视场内平面相对位置的变化，然后从以上“工”字形区域表面形貌序列中确定指定点的平面位置变化，通过比较指定点在表面形貌序列中相对高度的变化就可得到离面运动参数。通过对“工”字形区域内所有的像素点进行坐标变化和离面运动参数分析，就可得到微谐振器的整体离面运动情况。
综上所述，通过实施例1中基于图像匹配的方法确定微谐振器的平面运动参数，并以此来指导实施例2中基于相移干涉技术的离面运动分析，就可得到微谐振器三维运动参数。
Claims (2)
1、一种用图像匹配和相移干涉测试微结构三维运动的系统，该系统包括由光学显微镜、Mirau干涉物镜、物镜垂直位置控制器、CCD摄像机、图像采集卡、数据处理和控制计算机、微结构运动激励驱动装置组成，其特征在于，还包括频闪照明驱动装置、白光LED和单色光LED，所述的频闪照明驱动装置包括周期电压脉冲发生器与恒定电流转换驱动器构成，频闪照明装置驱动白光LED和单色光LED分别照射微结构，白光LED照射微结构时基于图像匹配技术测试微结构的平面运动参数，单色光LED照射微结构时基于相移干涉技术测试微结构的离面运动参数。
2、一种采用权利要求1所述的图像匹配和相移干涉测试微结构三维运动的系统，实现微结构三维运动测试的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将照明装置设置为单色光连续照明方式，对放置在光学显微镜载物台的被测微结构进行照明，调整载物台的垂直方向的位置，使得被测的局部区域出现干涉条纹；
(2)将照明装置转换为白光连续照明方式，由于白光的光谱特性，步骤(1)所出现的干涉条纹将消失，显微镜视场内仅能观察到被测微结构的平面图像；
(3)被测微结构与运动激励周期正弦信号相连，将照明装置转换为白光频闪照明方式，频闪信号的周期与运动激励信号的周期相同，且相互的延迟时间可调整，因此微结构的周期运动在频闪照明下基本属于“冻结”状态；
(4)利用CCD摄像机，获得频闪信号和周期激励信号无延迟下的被测微结构的平面图像，增加延迟时间后进行图像采集，延迟时间增加的大小是任意的，每次调整延迟时间都能得到一幅图像，同时也记录下每次延迟时间调整的数值，直到延迟时间等于激励信号的一个周期，即得到包含周期平面运动信息的图像序列；
(5)在图像中选取具有具有明显边缘特征的区域，对步骤(4)得到的图像序列行光流图像分析，提取出微结构平面运动参数，包括不同运动相位下平面位移和旋转角度；
(6) 同样依据平面图像内的边缘特征区域，针对每一幅平面图像建立光学显微镜视场内的相对坐标系，为后续离面运动的分析提供参考；
(7)将照明装置转换为单色光频闪照明方式，被测微结构表面的局部区域将出现干涉条纹，与步骤(1)所观察到的干涉条纹相同；
(8)按照步骤(4)所记录下延迟时间调整的数值进行频闪信号与运动激励信号间延迟时间的调整，即与包含平面运动信息图像序列采集的条件相同，在每一次调整延迟时间，CCD摄像机采集微结构的干涉图像，而且还通过调整物镜垂直位置控制器，产生等间距的5个呈台阶变化的相移，在每一相移台阶采集当时的干涉图像，共5幅干涉图像，选取干涉条纹质量好的区域进行5步相移算法和最小二乘相位展开算法的计算，得到被测微结构在该运动相位下的表面形貌；
(9)重复步骤(8)，获得包含离面运动信息的一系列被测微结构的表面形貌图，每一幅表面形貌图都与特定的延迟时间相对应；
(10)依据步骤(5)所建立的不同延迟时间下的显微镜视场内的相对坐标系，对步骤(9)得到的不同延迟时间下的表面形貌进行关联，确定微结构上指定点在显微镜视场内的相对位置，即提取出该指定点的离面运动参数。
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