专利名称：微纳器件离面运动测量中面内误差检测装置及补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种运动误差的补偿方法。特别是涉及一种微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置及补偿方法。
背景技术：
微/ 纳机电系统(Micro/Nano ElectroMechanical System，MEMS/NEMS)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统。近年来已经成为重要的高新技术领域和研究工作的热点，其研究和开发热点囊括了传感、致动、射频(RF)、光学、生化、军事、航空航天和医学等器件。这些器件的特征尺寸为微米、纳米级别，其强大的生命力在于小体积、大批量、低成本和高可靠性，这使得MEMS/NEMS具有广泛的应用前景。MEMS成为了 21世纪最具发展前途的科研领域之一，它的迅速发展对现有的精密测试技术提出了更高的要求，即更大的视场、更高的横向和纵向分辨率，更大的动态测试频谱宽度等。
MEMS的动态特性决定了许多MEMS器件的基本性能，如结构的固有频率、振动模态、品质因数、响应时间和阻尼系数等；其次，材料的属性和机械力学参数以及器件的可靠性等关键问题均可以通过MEMS动态测试技术加以解决；同时，通过动态测试技术，还可以研究一系列相关的基础理论问题，如微尺度下空气流动粘滞阻尼效应对微结构活动构件运动性能的影响机制等。因此，MEMS的动态测试技术在MEMS的发展中具有极其重要的地位。 目前广泛应用于MEMS动态测试的技术主要有激光多普勒振动测试技术，计算机微视觉测试技术和光学干涉测试技术等，其中基于计算机微视觉的相移显微干涉测量凭借其简单快捷、无损、高精度和高垂直分辨率等特点而被广泛使用。这种方法通过获取被测表面的干涉图像并对其进行相位提取和展开从而获得器件的离面运动信息，垂直分辨率可以达到纳米级。
然而，传统的相移显微干涉法得到的是被测器件的干涉图像，多采用三步或五步相移算法，并且仅适用于只有离面方向运动的器件的测量。然而，微纳器件在实际运动过程中都是三维运动，在离面运动的同时也伴随着面内运动。如果器件在三维方向上运动，器件在不同运动位置时其每一点在视场中成像位置都会有偏移，只有确定了面内运动偏移量才能得到准确的离面运动测试结果。然而面内运动测试需要器件的亮场图像，即非干涉图像， 如果再进行非干涉条件下的二次测量会因为器件本身、系统和环境因素的影响带来多种不确定性，影响测量结果的可信度。这时就需要新的算法能够在一次相移干涉显微测试中同时完成面内和离面这两种运动测试，并用面内测量结果对离面运动进行补偿。发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于具有周期运动或可重复的瞬态运动特征微/纳器件的测试中的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置及补偿方法。
本发明所采用的技术方案是一种微纳器件离面运动测量中面内误差检测装置及补偿方法。微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，有控制及图像处理单元，以及与所述的控制及图像处理单元相连接的相移显微干涉系统，其中，所述的相移显微干涉系统包括有
依次设置的用于得到被测微纳器件的图像的振动隔离台、三维微动探针台、被测微纳器件、显微干涉仪、纳米定位仪以及显微镜；
频闪照明控制器，为系统提供照明；
高压运放驱动器，连接被测微纳器件，用于驱动被测微纳器件运动；
任意波形发生器，输入端连接控制及图像处理单元，输出端分别连接频闪照明控制器和高压运放驱动器，在控制及图像处理单元的控制下分别向频闪照明控制器和高压运放驱动器发出驱动信号；
CXD摄像机，与显微镜相连，用于通过显微镜摄取被测微纳器件的图像；
图像采集卡，分别连接控制及图像处理单元和CCD摄像机，用于采集CCD摄像机所摄取的被测微纳器件的图像，并将该图像存储在控制及图像处理单元中。
所述的控制及图像处理单元还分别连接图像采集卡、C⑶摄像机和纳米定位仪，用于协调图像采集卡、CCD摄像机和纳米定位仪的动作。
所述的控制及图像处理单元是由计算机构成。
一种用于微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，包括如下步骤
1)通过微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，采集被测微纳器件的动作图像；
2)进行面内位移测试，对步骤1在各个准静态位置处采集的干涉图像，利用图像配准算法获取被测微纳器件亮场图像，再采用块匹配算法计算得到被测器件的面内位移情况；
3)进行离面运动测试，利用面内位移值进行对图像进行补偿，确定被测微纳器件上每一点在不同准静态位置时在视场中的准确位置，从而确定图像上被测微纳器件待分析区域的位置，对每个准静态位置时的待分析区域采用五步相移算法进行计算，得到相位包裹图像。
4)对步骤3中得到的各个准静态时刻的包裹图像进行时间轴和空间轴的双相位展开。
5.根据权利要求4所述的用于微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，其特征在于，步骤1是采用相移显微技术和频闪成像技术，共采集 10 15个准静态位置，每个准静态位置进行12 18步相移测试。
步骤4所述的进行时间轴和空间轴的双相位展开，是先进行时间轴上的相位展开，获得一基准点的绝对离面高度数据，从而将所有准静态图像联系起来，然后进行空间轴上的相位展开，即以该基准点为起始点进行相位的解包裹运算，先获得每个准静态时刻器件表面各点的相对高度信息，带入基准点的绝对离面高度数据，从而得到器件在每个准静态时刻表面各点运动的绝度高度信息。
本发明的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置及补偿方法，具有如下特点5
1、所基于的理论成熟，计算量小，使用简单，可靠性高；
2、使用同一实验中得到的相移干涉图像进行面内和离面位移测试，最大限度地避免了误差的引入，克服了传统离面测试方法的缺陷；
3、适用于具有周期运动或可重复的瞬态运动特征微/纳器件的测试中，简单灵活，精度高。
图1是本发明装置的整体结构示意图2是本发明图像配准为被测微纳器件0°相位的干涉图像的效果图3是本发明图像配准为被测微纳器件180°相位的干涉图像的效果图4是图2、图3两图像经配准而得的亮场图像效果图。
其中
1 控制及图像处理单元
12 控制器
21:图像采集卡
23 高压运放驱动器
25:频闪照明控制器
27 纳米定位仪
29 被测微纳器件
211 振动隔离台具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置及补偿方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，有控制及图像处理单元1，以及与所述的控制及图像处理单元1相连接的相移显微干涉系统2，其中，所述的控制及图像处理单元1是由计算机构成，所述的相移显微干涉系统2包括有
依次设置的用于得到被测微纳器件四的图像的振动隔离台211、三维微动探针台210、被测微纳器件四、显微干涉仪观、纳米定位仪27以及显微镜沈；
频闪照明控制器25，为系统提供照明；
高压运放驱动器23，连接被测微纳器件四，用于驱动被测微纳器件四运动；
任意波形发生器对，输入端连接控制及图像处理单元1，输出端分别连接频闪照明控制器25和高压运放驱动器23，在控制及图像处理单元1的控制下分别向频闪照明控制器25和高压运放驱动器23发出驱动信号；
CXD摄像机22，与显微镜沈相连，用于通过显微镜沈摄取被测微纳器件四的图像；
图像采集卡21，分别连接控制及图像处理单元1和CXD摄像机22，用于采集CXD 摄像机22所摄取的被测微纳器件四的图像，并将该图像存储在控制及图像处理单元1中。
所述的控制及图像处理单元1还分别连接图像采集卡21、(XD摄像机22和纳米定11 测控软件系统 2 相移显微干涉系统 22 :CCD摄像机 24 任意波形发生器 26 显微镜 28 显微干涉仪 210 三维微动探针台位仪27，用于协调图像采集卡21、CCD摄像机22和纳米定位仪27的动作。
本发明的用于微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，是采用先确定器件的面内运动位移情况然后利用其实现离面运动测试的补偿。
如果要得到被测器件在某一准静态时刻的亮场图像，需要先通过图像配准算法进行多图像的多次匹配以得到效果最佳的亮场图像，进而利用块匹配算法进行面内运动测试，根据面内测试结果进行离面运动测试的补偿，即确定器件上每一点在不同准静态位置时在视场中的准确位置，从而确定器件上如图中黑色边框内部的待分析区域，进而利用包裹和解包裹算法进行离面运动测试。
本发明的用于微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，包括如下步骤
1)通过微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，采集被测微纳器件的动作图像；
是采用相移显微技术和频闪成像技术，共采集10 15个准静态位置，每个准静态位置进行12 18步相移测试。
2)进行面内位移测试，对步骤1在各个准静态位置时采集的干涉图像，利用图像配准算法，对该准静态位置的多幅相移干涉图像进行多图像的相加相消，以消除干涉条纹的影响，选取数次叠加中效果最佳的图像作为被测微纳器件的亮场图像，再采用块匹配算法计算面内位移测试，基于最小平均绝对差准则(Mean Absolute Difference，简称MAD)，可得位移矢量r= ( Δ χ,Ay)的估计值为[夂4>^=呵(2^)71^0(夂4)；)，其中(x，y)为大小mXn的待匹配块W在第k帧图像中坐标位置，(x+Ax,y+Ay,k+l)为其在第k+Ι帧图像中坐标位置，采用全局搜索策略，得到被测器件的面内位移情况；
3)进行离面运动测试，利用面内位移值进行对图像进行补偿，确定被测微纳器件上每一点在不同准静态位置时在视场中的准确位置，从而确定图像上被测微纳器件如图4 中黑色边框内部的待分析区域的位置，对每个准静态位置时的待分析区域采用五步相移算法进行相位包裹计算，即包裹相位值树x,_y) = arctan ^2 ~/4\ ，其中每幅干涉图像之间的相移量δ = Ji /2，即五幅图像的相移量分别为-π，- π /2，0，π /2和π，对应的光强分别为I1, I2, I3, I4, 15，得到相位包裹图像。
4)对步骤3中得到的各个准静态时刻的包裹图像进行时间轴和空间轴的双相位展开。
所述的进行时间轴和空间轴的双相位展开，是先进行时间轴上的相位展开，获得某一基准点的绝对离面高度数据，从而将所有准静态图像联系起来，然后进行空间轴上的相位展开，即以该基准点为起始点采用局部相位展开算法进行相位的解包裹运算，即采用 “模糊阈值”进行相位阶跃的判断，设模糊阈值为Tl、Τ2(Τ1 < Τ2)，若相邻两像素的灰度差 Δ < Tl时，认为不是阶跃边界，不进行2 π的相位补偿；当Δ >Τ2时，认为是阶跃边界， 进行的相位补偿；而当Tl < Δ <Τ2时，认为是疑问点，利用这两个疑问点周围其他象素点的灰度值加以判断。然后进行相位-高度转换，即//(χ，>0=夂^)1，其中、是照明光4π源的波长，(χ，>0是图像中某像素点(X，Y)的展开后的相位数据，h(x, y)则是该点转换后离面高度数据。然后通过最小二乘法进行基准面调平，从而获得每个准静态时刻器件表面各点的相对高度信息，，带入基准点的绝对离面高度数据，从而得到器件在每个准静态时刻表面各点运动的绝度高度信息。
本发明的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置放置在振动隔离台上， 被测MEMS(微纳器件)器件放置于三维微动探针台上。
系统首先通过软件控制任意波形发生器产生激励信号、频闪照明信号和控制信号，激励信号经高压放大器后驱动被测MEMS器件运动，频闪照明控制器驱动LED实现系统的频闪照明，控制信号则负责命令和协调CCD摄像机、图像采集卡和纳米定位仪的工作。 CCD摄像机捕捉到的物体准静态位置的图像由图像采集卡采集并存储在计算机内，供后续数据处理。在获得所需的被测器件运动图像之后，系统转入数处理阶段，由后续图像数据处理软件完成，本补偿方法即为其中之一。
本发明公开和揭示的方法可借鉴本文公开内容，尽管本发明的装置和方法已通过较佳实施例进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法进行拼接或改动，或增减某些环节的，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
权利要求
1.一种微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，其特征在于，有控制及图像处理单元(1)，以及与所述的控制及图像处理单元(1)相连接的相移显微干涉系统O)，其中，所述的相移显微干涉系统( 包括有依次设置的用于得到被测微纳器件09)的图像的振动隔离台011)、三维微动探针台(210)、被测微纳器件( )、显微干涉仪( )、纳米定位仪(27)以及显微镜(26)；频闪照明控制器(25)，为系统提供照明；高压运放驱动器(23)，连接被测微纳器件( )，用于驱动被测微纳器件09)运动；任意波形发生器(M)，输入端连接控制及图像处理单元(1)，输出端分别连接频闪照明控制器0 和高压运放驱动器(23)，在控制及图像处理单元(1)的控制下分别向频闪照明控制器0 和高压运放驱动器发出驱动信号；CCD摄像机(22)，与显微镜06)相连，用于通过显微镜06)摄取被测微纳器件09) 的图像；图像采集卡(21)，分别连接控制及图像处理单元(1)和CCD摄像机(22)，用于采集CCD 摄像机0 所摄取的被测微纳器件09)的图像，并将该图像存储在控制及图像处理单元 (1)中。
2.根据权利要求1所述的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，其特征在于，所述的控制及图像处理单元(1)还分别连接图像采集卡01)、CCD摄像机02)和纳米定位仪(27)，用于协调图像采集卡01)、CCD摄像机02)和纳米定位仪(XT)的动作。
3.根据权利要求1所述的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，其特征在于，所述的控制及图像处理单元(1)是由计算机构成。
4.一种用于权利要求1所述的微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，其特征在于，包括如下步骤1)通过微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置，采集被测微纳器件的动作图像；2)进行面内位移测试，对步骤1在各个准静态位置处采集的干涉图像，利用图像配准算法获取被测微纳器件亮场图像，再采用块匹配算法计算得到被测器件的面内位移情况；3)进行离面运动测试，利用面内位移值进行对图像进行补偿，确定被测微纳器件上每一点在不同准静态位置时在视场中的准确位置，从而确定图像上被测微纳器件待分析区域的位置，对每个准静态位置时的待分析区域采用五步相移算法进行计算，得到相位包裹图像。4)对步骤3中得到的各个准静态时刻的包裹图像进行时间轴和空间轴的双相位展开。
5.根据权利要求4所述的用于微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，其特征在于，步骤1是采用相移显微技术和频闪成像技术，共采集10 15个准静态位置，每个准静态位置进行12 18步相移测试。
6.根据权利要求4所述的用于微纳器件离面运动测量中面内运动误差检测装置的运动误差的补偿方法，其特征在于，步骤4所述的进行时间轴和空间轴的双相位展开，是先进行时间轴上的相位展开，获得一基准点的绝对离面高度数据，从而将所有准静态图像联系起来，然后进行空间轴上的相位展开，即以该基准点为起始点进行相位的解包裹运算，先获得每个准静态时刻器件表面各点的相对高度信息，带入基准点的绝对离面高度数据，从而得到器件在每个准静态时刻表面各点运动的绝度高度信息。
全文摘要
一种微纳器件离面运动测量中面内误差检测装置及补偿方法，装置有控制及图像处理单元，以及与所述的控制及图像处理单元相连接的相移显微干涉系统，相移显微干涉系统包括有依次设置的振动隔离台、三维微动探针台、被测微纳器件、显微干涉仪、纳米定位仪以及显微镜；频闪照明控制器；高压运放驱动器，连接被测微纳器件；任意波形发生器，输入端连接控制及图像处理单元，输出端分别连接频闪照明控制器和高压运放驱动器；CCD摄像机，与显微镜相连；图像采集卡，分别连接控制及图像处理单元和CCD摄像机。方法采集被测微纳器件的动作图像；进行面内位移测试；进行离面运动测试；进行时间轴和空间轴的双相位展开。本发明使用简单，可靠性高。
文档编号G01B11/00GK102506710SQ201110327688
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者丹特·多伦雷, 傅星, 李艳宁, 胡小唐, 陈治, 陈澄 申请人:天津大学