专利名称:微纳结构3d轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法
技术领域：
本发明涉及一种微/纳测试技术。特别是涉及一种可以将非数据区域及非相容区域有效剔除出来的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法。
背景技术：
微/纳机电系统(Micro/Nano ElectroMechanical System，MEMS/NEMS)是在微电子技术的基础上发展起来的集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统技术。它体积小、低功耗、低成本和高可靠性等优点使其得到科学界的普遍欢迎，其应用已经渗透到了汽车、生化、医学、航空航天、科学仪器等诸多行业。然而，由于对其可靠性问题进行分析研究的相应技术的匮乏，微/纳机电系统的开发和商业化应用受到了很大的制约。所以，对MEMS/NEMS的可靠性进行分析测试的研究在此领域越来越受到重视。
在对MEMS/NEMS器件的可靠性进行测试和对微/纳结构的特性参数进行测量时，常要求获取结构的表面信息，如三维轮廓、粗糙度、微小的位移和变形等。目前，相移显微干涉法凭借其高精度、高垂直分辨率、测量简单快捷、无损等优点，成为这类精密测量中最常用的手段之一。在使用相移显微干涉法对MEMS/NEMS结构表面进行测量时，先通过驱动电路驱动参考镜产生次波长量级的光程变化，即可由电荷耦合器件摄像机(CCD)和图像采集卡获得一组时间序列上的相关干涉图像，然后由干涉图的光强信息解算出被测表面的相位值，提取包裹的相位信息，最后通过一定的相位解包裹算法得到被测表面真实的相位信息和相应的表面高度，从而得到被测结构表面的3D轮廓。
由此可见，相位解包裹，也就是相位展开是微结构表面3D轮廓测量中至关重要的一步。随着相位展开技术的深入发展，相位解包裹算法层出不穷，但通常都具有很强的针对性和局限性。普通的相位解包裹方法应用于简单区域(未展开相位图中不存在非理想数据点)时能得到较好结果，然而，MEMS/NEMS结构经常具有比较复杂的轮廓，含有孔洞、沟槽、突起等特征形状，被测表面也可能存在缺陷，例如表面镀膜脱落或者粘附上灰尘等，再加上阴影和噪声等的影响，用普通的相位展开方法就可能引入误差，并且误差会传播到在当前像素点之后展开的所有点。为了能对具有复杂表面轮廓的MEMS/NEMS器件表面进行测量并得到准确的表面轮廓信息，必须找到一种能在解包裹过程中绕过非理想数据区域的相位展开方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以将非数据区域及非相容区域有效剔除出来的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法。
本发明所采用的技术方案是一种微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，包括有如下步骤1.对被测表面进行相移显微干涉测量，将干涉图保存下来；2.在相位解包裹之前将非数据区域和非相容点标记于模板中；3.在基于广度优先搜索的相位解包裹运算过程中绕过非数据区域和非相容点的区域进行计算，得到被测表面准确可靠的3D轮廓信息。
所述的在相位展开之前将非数据区域和非相容点标记于模板中，是由如下三种方法之中的一种实现的基于子区域相容性判断的模板标记方法；基于边缘检测的模板标记方法；基于干涉图灰度差值提取的模板标记方法。
所述的基于子区域相容性判断的模板标记方法是，根据图像中任意四个像素点组成的2×2子区域两两之间的灰度值之差来判断像素点是否穿过了相位条纹跳变的界线，如果确定为穿过了相位跳变边缘，则进行相应的相位补偿，补偿之后再次判断这些差值之和是否为0，从而判断其是否为相容点，逐点判断并将结果存于模板图中。
所述的边缘检测的模板标记方法是，先将被测表面的五幅干涉图合成为亮场图像，然后在亮场图像上运用Canny边缘检测算子得到非相容区域的边缘，得到模板图。
所述的干涉图灰度差值提取的模板标记方法是，通过将各幅干涉图对应像素点灰度值两两相减，比较差值与设定阈值的大小来提取非相容区域，从而得到模板图。
所述的基于广度优先搜索的相位解包裹运算是，将得到的模板图代入基于广度优先搜索的相位解包裹算法中，绕过模板中标记的非相容区域进行相位解包裹。并根据相位与高度之间的关系得到被测表面的3D轮廓图。
本发明的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法具有以下特点1、根据具体应用的不同要求，灵活运用不同的标记模板的方法，可以将非数据区域及非相容区域有效剔除出来。
2、基于广度优先搜索的相位解包裹方法可以根据模板图中标记的信息将非数据区域和非相容区域绕过不做处理，只对相容数据点进行相位解包裹运算，从而可以有效抑制误差的产生和传播。
3、不仅可以运用于五步相移显微干涉测量中，也可用于其他测量MEMS/NEMS表面3D轮廓的干涉技术的相位解包裹，嵌入简单。
4、可以根据应用的需要，通过调节阈值的大小来调节各种标记模板的方法对噪声等非理想数据的灵敏度。
5、得到的相位解包裹结果准确可靠，并可用于具有复杂轮廓及特征形状的MEMS/NEMS表面3D轮廓测量中，具有很大的实用价值。
图1是基于子区域相容性判断的模板标记方法示意图；图2是基于边缘检测的模板标记方法示意图；图3是基于干涉图灰度差值提取的模板标记方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法做出详细说明。
本发明的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，包括有如下步骤1.对被测表面进行相移显微干涉测量，将干涉图保存下来；2.在相位解包裹之前将非数据区域和非相容点标记于模板中。该步骤是根据不同的应用需要通过选择以下三种方法中的其中一种实现的基于子区域相容性判断的模板标记方法；基于边缘检测的模板标记方法；干涉图灰度差值提取的模板标记方法。下面分别讲述三种方法(1)基于子区域相容性判断的模板标记方法如图1所示，此方法在包裹相位图的基础上进行判断并得到模板。首先由干涉图通过相位提取运算得到包裹相位图，再根据图像中任意四个像素点组成的2×2子区域两两之间的灰度值之差来判断像素点是否穿过了相位条纹跳变的界线，如果确定为穿过了相位跳变边缘，则进行相应的相位补偿，补偿之后再次判断这些差值之和是否为0，从而判断其是否为相容点。如果为零则标记为相容点，否则为非相容点。逐点判断并将结果存于模板图中。
(2)基于边缘检测的模板标记方法如图2所示，首先将被测表面的五幅干涉图合成为亮场图像，然后在亮场图像上运用Canny边缘检测算子得到非相容区域的边缘，得到模板图。
此方法在由干涉图合成的亮场图像上运用边缘检测算法来提取非相容区域的边缘。在五步相移干涉测量中，根据得到的五幅干涉图像，可以根据下式合成为被测表面的亮场图像Ibf=(I1-I3)×(I5-I3)+(I4-I2)22---(1)]]>式中的Ii为第i幅干涉图中一个像素点的灰度值(i＝1、2、3、4、5)，Ibf为对应像素点亮场图像的灰度值。逐点计算得到整个被测区域的亮场图像，然后运用边缘检测算法将特征轮廓或缺陷区域的边缘提取出来，存于模板图中。实验证明Canny算法得到的边缘信息最准确。
(3)干涉图灰度差值提取的模板标记方法如图3所示，将各幅干涉图对应像素点灰度值两两相减，得到它们之间的灰度差值，通过比较灰度差值与设定阈值的大小来提取非相容区域，当所有的灰度差值都小于设定阈值时，此像素点即被判定为没有发生干涉条纹相对变化的非相容点，从而得到模板图。
此方法在原始干涉图的基础上直接得到相位解包裹的模板。在五步相移干涉测量中，驱动电路驱动压电陶瓷使得参考镜步进移动从而产生步进相移，由此得到时间序列上的五幅干涉图像。参考光路的微小变化使得光程差发生相应变化，致使各幅干涉图上被测表面的条纹产生相对位移。而由于非数据区没有条纹，或者非相容区域的条纹信息不够理想，将各幅干涉图对应像素点灰度值两两相减，比较差值与设定阈值的大小来便可以提取非相容点，从而获得模板图。
3.在得用上述三种方法之一得到模板图后，在基于广度优先搜索的相位解包裹运算过程中绕过非数据区域和非相容点的区域进行计算，得到被测表面准确可靠的3D轮廓信息。
本发明所述的基于广度优先搜索的相位解包裹运算是将得到的模板图代入基于广度优先搜索的相位解包裹算法中，绕过模板中标记的非相容 区域进行相位解包裹。并根据相位与高度之间的关系得到被测表面的3D轮廓图。具体是在获得了标记有非数据区和非相容点的模板图之后，在基于广度优先搜索的相位解包裹运算中，根据公式对模板中标记为相容的点进行逐点相位展开运算，标记为非相容的点则绕过不进行处理。式中Δ为差值运算，W1和W2是包裹运算，(n)是第n个像素点对应其包裹相位W1[(n)]的真实相位，(0)和(m)分别为第0个和第m个像素点的真实相位。
上述的三种标记模板的方法各自具有不同的特点，适用于不同的应用(1)子区域相容性判断法运算速度非常快，而且对噪声、断点等灵敏度很高，适用于图像区域小，噪声点远离相位跳变边缘并且需要严格控制噪声的研究性应用，不适合用于噪声多，结构复杂的实际测试应用。
(2)使用边缘检测来获取相位解包裹模板的方法使用方便，并且可以根据具体应用选择合适的阈值对相位解包裹进行灵活控制，比较适合应用于具有孔洞等封闭轮廓的被测表面的相位解包裹运算中。但是由于干涉测量中噪声的影响，合成的亮场图像本身已含有误差，应用于大范围的比较复杂的表面时这种方法则较难在控制噪声和精确定位边缘之间找到平衡。
(3)干涉图灰度差值提取法的计算相对较为复杂，但是由于它在最原始的干涉图像信息上进行判断，所以成功率高，也可以通过改变阈值灵活地控制模板的灵敏度，并且使用范围很广，对于复杂轮廓、沟槽和噪声等进行相位解包裹都适用。
本发明公开和揭示的所有组合和方法可借鉴本文公开内容，尽管本发明的组合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
1.一种微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，包括有如下步骤1.对被测表面进行相移显微干涉测量，将干涉图保存下来；2.在相位解包裹之前将非数据区域和非相容点标记于模板中；3.在基于广度优先搜索的相位解包裹运算过程中绕过非数据区域和非相容点的区域进行计算，得到被测表面准确可靠的3D轮廓信息。
2.根据权利要求
1所述的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的在相位展开之前将非数据区域和非相容点标记于模板中，是由如下三种方法之中的一种实现的基于子区域相容性判断的模板标记方法；基于边缘检测的模板标记方法；基于干涉图灰度差值提取的模板标记方法。
3.根据权利要求
2所述的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的基于子区域相容性判断的模板标记方法是，根据图像中任意四个像素点组成的2×2子区域两两之间的灰度值之差来判断像素点是否穿过了相位条纹跳变的界线，如果确定为穿过了相位跳变边缘，则进行相应的相位补偿，补偿之后再次判断这些差值之和是否为0，从而判断其是否为相容点，逐点判断并将结果存于模板图中。
4.根据权利要求
2所述的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的边缘检测的模板标记方法是，先将被测表面的五幅干涉图合成为亮场图像，然后在亮场图像上运用Canny边缘检测算子得到非相容区域的边缘，得到模板图。
5.根据权利要求
2所述的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的干涉图灰度差值提取的模板标记方法是，通过将各幅干涉图对应像素点灰度值两两相减，比较差值与设定阈值的大小来提取非相容区域，从而得到模板图。
6.根据权利要求
1所述的微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的基于广度优先搜索的相位解包裹运算是，将得到的模板图代入基于广度优先搜索的相位解包裹算法中，绕过模板中标记的非相容区域进行相位解包裹。并根据相位与高度之间的关系得到被测表面的3D轮廓图。
专利摘要
一种微纳结构3D轮廓测量中基于模板的相位解包裹方法，包括有如下步骤对被测表面进行相移显微干涉测量，将干涉图保存下来；在相位解包裹之前将非数据区域和非相容点标记于模板中；在基于广度优先搜索的相位解包裹运算过程中绕过非数据区域和非相容点的区域进行计算，得到被测表面准确可靠的3D轮廓信息。根据应用的需要，可以通过调节阈值的大小来调节各种标记模板的方法对噪声等非理想数据的灵敏度。本发明只对相容数据点进行相位解包裹运算，从而抑制测量误差的产生和传播，可以运用于五步相移显微干涉测量，也可用于其他测量MEMS/NEMS表面3D轮廓的干涉技术的相位解包裹，得到的相位解包裹结果准确可靠，适用于具有复杂轮廓及特征形状的MEMS/NEMS表面3D轮廓测量。
文档编号G01Q80/00GKCN1912541SQ200610015497
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月30日
发明者栗大超, 黄玉波, 傅星, 胡小唐 申请人:天津大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan