專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于頻閃干涉視覺的微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System-MEMS)動(dòng)態(tài)特性三維測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)微機(jī)械器件的靜態(tài)動(dòng)態(tài)特性的全三維可視化測(cè)量。
背景技術(shù)：
MEMS是指可以批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器和微執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，直至接口、通訊和電源等于一體的微型系統(tǒng)。廣義上包含毫米和微米尺度的機(jī)械，但并非單純的宏觀機(jī)械微小化。MEMS研究需要解決其批量生產(chǎn)過程中面臨的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等方面的各種基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問題。對(duì)于測(cè)試而言，由于MEMS除電子部件外還包含機(jī)械部件，這使得MEMS測(cè)試必須包含電子性能測(cè)試和機(jī)械特性測(cè)試。相對(duì)于MEMS電子性能的測(cè)試，其機(jī)械特性的測(cè)試尤其是動(dòng)態(tài)機(jī)械特性測(cè)試要復(fù)雜的多，但動(dòng)態(tài)測(cè)試對(duì)其設(shè)計(jì)、制造和可靠性卻具有重要意義。與宏觀機(jī)械結(jié)構(gòu)類似，MEMS動(dòng)態(tài)特性測(cè)試包括振動(dòng)激勵(lì)、振動(dòng)測(cè)量和模態(tài)分析等三個(gè)基本環(huán)節(jié)。通過某種激勵(lì)力作用在被測(cè)MEMS器件上，使其產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，通過測(cè)量激勵(lì)和響應(yīng)，進(jìn)而確定MEMS器件的自然頻率、模態(tài)向量等參數(shù)，從而建立或驗(yàn)證MEMS器件的理論模型，并結(jié)合有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)和CAD技術(shù)，最終指導(dǎo)MEMS器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、提高性能。
MEMS動(dòng)態(tài)特性測(cè)試存在以下問題1、MEMS器件共振響應(yīng)的最大振幅從微米級(jí)到納米級(jí)不等，其運(yùn)動(dòng)速度往往很大，因而要求MEMS動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)及設(shè)備達(dá)到納米級(jí)的位置測(cè)量精度；2、MEMS器件的共振響應(yīng)頻率非常高，可達(dá)數(shù)萬、數(shù)十萬、甚至上兆赫茲，因而要求MEMS動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)備也具有這樣高的頻率響應(yīng)特性，應(yīng)具備捕獲MEMS超高頻超高速運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的能力；3、MEMS器件本身的尺寸非常小，常規(guī)接觸測(cè)量方法無法勝任，因而要求采用基于光學(xué)的非接觸無損測(cè)量。且能進(jìn)行靜態(tài)動(dòng)態(tài)的面內(nèi)與離面全場(chǎng)測(cè)量；4、MEMS器件本身的尺寸非常微小，要求測(cè)量分辨率高，應(yīng)達(dá)到納米級(jí)。
目前可達(dá)納米級(jí)精度的測(cè)量方法有掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)[1]和原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)[2]、機(jī)械和光探針法[3]、電子散斑干涉(Electronic SpecklePattern Interferometery-ESPI)、數(shù)字全息干涉(Digital Holographic Interferometry-DHI)、白光掃描干涉(White Light Scanning Interferomtry-WLSI)[4]、莫爾干涉(Moirre Interferometry)、激光多普勒測(cè)振儀(LaserDoppler Vibrometer，LDV)和掃描多普勒振動(dòng)儀[5](Scanning Laser Doppler Vibrometer，SLDV)以及微視覺[7](Micro Vison)[6]方法等。
掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的發(fā)明解決了原子級(jí)尺度的測(cè)量問題，但由于這些測(cè)量只能在靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行，因而只能獲取MEMS和其它微結(jié)構(gòu)的靜態(tài)幾何尺寸和表面形貌等參數(shù)，而無法勝任MEMS在高頻高速運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試，且存在夾持困難和測(cè)試環(huán)境條件不易控制的問題。機(jī)械探針和光探針法也可實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，但是機(jī)械探針容易對(duì)MEMS器件表面造成破壞，且二者也只能進(jìn)行靜態(tài)單點(diǎn)測(cè)量。
電子散斑干涉、數(shù)字全息干涉、白光掃描干涉、莫爾干涉可以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量，但是存在不同程度的缺陷。如電子散斑干涉和數(shù)字全息干涉可以進(jìn)行全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量，但其對(duì)被測(cè)器件的表面反射率有一定的要求。白光掃描干涉的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)行全場(chǎng)、寬離面測(cè)量范圍，但是需要被測(cè)器件進(jìn)行垂向離面運(yùn)動(dòng)，故不適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。而莫爾干涉則需要制作光柵，或者將光柵投影到被測(cè)器件，或者是將其投影到被測(cè)器件上。
激光多普勒振動(dòng)儀(LDV)是一類應(yīng)用最廣的非接觸式無損測(cè)量設(shè)備，目前已具備納米級(jí)的測(cè)量精度，在宏觀結(jié)構(gòu)和微型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)量方面都獲得了廣泛應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，LDV一次只能測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)表面單個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，通過實(shí)時(shí)測(cè)量該點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化曲線，可以很容易獲得被測(cè)結(jié)構(gòu)在該點(diǎn)處的動(dòng)力學(xué)特性(如頻率響應(yīng)函數(shù))。為了獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性(如被測(cè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)向量)，需要對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)表面各點(diǎn)依次進(jìn)行激振測(cè)量，從而需要一套掃描系統(tǒng)與之相配合。在掃描工作臺(tái)方式中，工作臺(tái)本身的振動(dòng)也是一個(gè)問題，而且盡管步進(jìn)電機(jī)本身的速度很快，達(dá)100mm/s以上，但點(diǎn)到點(diǎn)的定位時(shí)間卻需數(shù)百毫秒，從而限制了測(cè)量的掃描速度。掃描激光多普勒測(cè)振儀(SLDV)通過使用鏡面掃描方式提高了掃描性能，它包括激光光學(xué)單元、掃描控制單元和數(shù)據(jù)獲取單元等部分。其中，掃描控制單元使激光束從一點(diǎn)定位到另一點(diǎn)，然后在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)停留數(shù)微秒或數(shù)毫秒(這由測(cè)量所需精度和信號(hào)處理器的捕獲速度等因素所決定)。目前SLDV的掃描速度和測(cè)量精度主要受掃描鏡性能的限制。事實(shí)上，掃描速度受掃描器共振頻率的限制(電流計(jì)掃描低于10kHz，多棱旋轉(zhuǎn)鏡掃描低于50kHz)。采用多棱鏡掃描時(shí)，掃描速度還受穩(wěn)定時(shí)間(即從多棱鏡運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻到激光束穩(wěn)定到容許的聚焦終點(diǎn)所消耗的時(shí)間)的限制；在高速掃描時(shí)，離心力過大還有可能扭曲光學(xué)表面，甚至可能支解多棱鏡。此外，SLDV中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)也將導(dǎo)致測(cè)量精度的惡化，在恒定的掃描速度下所作的實(shí)驗(yàn)研究表明，SLDV的重復(fù)測(cè)量精度最高只達(dá)到1％。
微視覺是另一類應(yīng)用很廣的非接觸式無損測(cè)量技術(shù)。隨著現(xiàn)代圖像處理和視覺伺服等技術(shù)的不斷發(fā)展，微視覺已在很多領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，如微機(jī)器人、微操作、微加工、微裝配和微檢測(cè)等。微視覺系統(tǒng)由顯微光學(xué)成像系統(tǒng)、光學(xué)照明系統(tǒng)、CCD傳感器、圖像捕捉卡、計(jì)算機(jī)及圖像處理軟件等組成。通過高倍率光學(xué)放大和高分辨率CCD傳感器，微視覺可以實(shí)現(xiàn)很高精度的平面乃至三維幾何尺寸測(cè)量，達(dá)亞微米甚至納米級(jí)精度；通過分析不同時(shí)刻多幅圖像之間的關(guān)系，如光流分析、歸一化灰度相關(guān)分析，可以實(shí)現(xiàn)高精度的幾何位置變化測(cè)量，即平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)或三維運(yùn)動(dòng)測(cè)量。而且隨著亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展該方法的測(cè)量精度也得到了很大提高，一般可以達(dá)到1/10像素以上的精度。常規(guī)微視覺系統(tǒng)的一個(gè)重大缺陷是其視頻采樣速率不高，普通的CCD相機(jī)為每秒25幀(PAL制)或每秒30幀(NTSC制)，顯然無法勝任MEMS高達(dá)數(shù)萬、數(shù)十萬、甚至上兆赫茲的高頻振動(dòng)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)測(cè)量。另外，微視覺系統(tǒng)主要擅長(zhǎng)于測(cè)量被測(cè)物體(一般為剛體)在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，盡管它也可以用于垂直于成像平面的垂向運(yùn)動(dòng)測(cè)量，但需要采用多視覺和景深處理等復(fù)雜技術(shù)，而且其測(cè)量精度比平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)測(cè)量精度低很多。
為了利用微視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MEMS或其它微結(jié)構(gòu)的超高頻超高速運(yùn)動(dòng)測(cè)量，一種可行而有效的方法是將頻閃觀測(cè)法與之相配合，構(gòu)成頻閃微視覺測(cè)量系統(tǒng)。頻閃觀測(cè)是一種基于頻閃效應(yīng)原理的高速運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)對(duì)高速且具周期性運(yùn)動(dòng)的物體，如果用一持續(xù)時(shí)間極短的脈沖頻閃光去照射它，并使頻閃光的閃光頻率等于物體運(yùn)動(dòng)的變化頻率，則當(dāng)每次閃光時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)總是到達(dá)同一位置，人眼觀察或微視覺系統(tǒng)拍攝的就仿佛是一幅“凍結(jié)”不變的靜止圖像。利用這一原理，頻閃微視覺系統(tǒng)不但可以測(cè)出高速周期性運(yùn)動(dòng)的頻率；而且可以記錄下該運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)任一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，其方法是保證頻閃光的閃光頻率與物體運(yùn)動(dòng)頻率相等，并逐漸調(diào)整頻閃光脈沖相對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)延時(shí)，則可以獲得一系列“凍結(jié)”不變的靜止圖像，每一圖像對(duì)應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的某一相對(duì)時(shí)刻。因此，頻閃微視覺系統(tǒng)獲取運(yùn)動(dòng)圖像的時(shí)間分辨率不再由CCD相機(jī)的幀采樣率所決定，而是取決于頻閃光進(jìn)行同步閃光時(shí)所能調(diào)整的最小延時(shí)增量。頻閃微視覺系統(tǒng)的一個(gè)局限性是它不能測(cè)量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，而只能測(cè)量周期性平穩(wěn)過程或周期性瞬態(tài)過程，但在MEMS動(dòng)力學(xué)測(cè)試分析中，可以通過設(shè)計(jì)將激勵(lì)信號(hào)選為周期性信號(hào)(如諧波信號(hào)或周期性方波信號(hào))，則被測(cè)物體也做周期性運(yùn)動(dòng)，頻閃微視覺系統(tǒng)就可以測(cè)量該激勵(lì)周期內(nèi)每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，從而不受上述局限性的限制。但頻閃微視覺系統(tǒng)與常規(guī)微視覺系統(tǒng)一樣，只能獲得高精度的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)測(cè)量，仍然難以獲得同樣精度的平面垂向運(yùn)動(dòng)測(cè)量。
為了利用微視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平面垂向運(yùn)動(dòng)的高精度測(cè)量，一種有效的方法是將頻閃觀測(cè)與干涉測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成頻閃干涉視覺測(cè)量系統(tǒng)。利用相移干涉(Phase-Shifting Interferometry-PSI)技術(shù)獲得納米級(jí)的垂向測(cè)量分辨率。雙光路相移法原理是通過控制參考鏡的位移使參考光路和測(cè)量光路之間產(chǎn)生固定間隔的相位差，進(jìn)而改變光程差，從而獲得多幅干涉條紋圖。對(duì)所獲得的多幅條紋圖進(jìn)行相位去包裹，可以恢復(fù)器件表面面的離面形貌圖。干涉儀采用連續(xù)照明光源，則如前所述，由于CCD視頻采樣速率不高而無法勝任MEMS的超高頻運(yùn)動(dòng)測(cè)量。改進(jìn)方法是采用脈沖光進(jìn)行頻閃照明，即保證頻閃光的閃光頻率與物體運(yùn)動(dòng)頻率相等，則即使物體在其運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)做超高頻高速運(yùn)動(dòng)，但視覺系統(tǒng)拍攝的總是一“凍結(jié)”不變的干涉圖案，每一圖案對(duì)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的某一相對(duì)時(shí)刻。采用上述移相技術(shù)，在物體運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)某一時(shí)刻可獲得不同移相的一組干涉圖案集，對(duì)應(yīng)該時(shí)刻的一幅平面高度形貌圖。通過調(diào)整頻閃光脈沖與物體運(yùn)動(dòng)周期的相對(duì)延時(shí)，將獲得該物體運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻的多組干涉圖案集。對(duì)這些干涉圖案進(jìn)行組間和組內(nèi)的動(dòng)態(tài)相位去包裹，即可估計(jì)出被測(cè)MEMS表面隨時(shí)間變化的垂向運(yùn)動(dòng)變化圖，即可實(shí)現(xiàn)MEMS器件的全三維可視化動(dòng)態(tài)測(cè)量。
以上構(gòu)成的頻閃干涉視覺測(cè)量系統(tǒng)只能進(jìn)行常溫常壓下的MEMS動(dòng)態(tài)特性測(cè)量，而MEMS的工作環(huán)境條件不單在常溫常壓下工作，還包括低溫高溫、低壓高壓、低濕高濕環(huán)境。因而研究MEMS在不同環(huán)境條件下的特性與可靠性成為必須。將環(huán)境控制箱與頻閃干涉視覺測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合可以、并利用常工作距離物鏡可以對(duì)MEMS的可靠性進(jìn)行可視化測(cè)量。
主要參考文獻(xiàn)[1]Binnig G，Rohrer H，Gerber Ch，et a1.Surface studies by scanning tunneling microscopy.Physics ReviewLetter，1982，49(1)57-61 Binnig G，Quate C F，Geber Ch.Atomic force microscope.Physics Review Letter，1986，56(9)930-933[3]周明寶，林大鍵.微結(jié)構(gòu)表面形貌的測(cè)量.光學(xué)精密工程.1999.6.7-13[4]Alain B，Sylvain P.Characterization of the static and dynamic behavior of M(O)EMS byoptical techniquesstatus and trends.Journal of Micromechanics and Microengineering.2003，1323-32[5]Ngoi B K A，Venkatakrishnan K.Noncontact acoustic optic scanning laser vibrometer for determiningthe difference between an object and a reference surface.US Patent 6,271,924,2001[6]Abbott A L.A survey of selective fixation control for machine vision.IEEEControl Systems Magazine，1992，12(4)25-
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上狀況，本發(fā)明將頻閃照明、相移干涉測(cè)量、視覺測(cè)量以及環(huán)境控制等技術(shù)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成基于頻閃干涉視覺的微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如說明書附圖2。采用偏振型干涉儀可以連續(xù)調(diào)整參考光路和測(cè)量光路的分光比，這樣可以適應(yīng)不同反射率的MEMS器件。頻閃顯微視覺測(cè)量(遮光閘關(guān)閉)可以完成MEMS微幾何量、面內(nèi)運(yùn)動(dòng)等測(cè)量；頻閃干涉視覺測(cè)量(遮光閘開啟)，結(jié)合顯微視覺測(cè)量的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)結(jié)果可以進(jìn)行MEMS表面垂向變形與運(yùn)動(dòng)測(cè)量進(jìn)而確定其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如動(dòng)態(tài)表面形貌、共振頻率等。環(huán)境控制箱可以精確控制微機(jī)電系統(tǒng)的工作環(huán)境(包括溫度、濕度、壓力)。從而解決了不同條件下微機(jī)電系統(tǒng)高頻高速運(yùn)動(dòng)的全三維可視化測(cè)量與可靠性測(cè)量問題，可以獲取準(zhǔn)確的MEMS靜動(dòng)態(tài)特性。
圖1微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置2數(shù)據(jù)處理流程3系統(tǒng)精確同步控制時(shí)序圖具體實(shí)施方式
本裝置結(jié)構(gòu)如附圖1所示，由偏振型泰曼格林(Twyman-Green)干涉儀、信號(hào)發(fā)生器、半導(dǎo)體激光器頻閃脈沖光源及其驅(qū)動(dòng)器、CCD相機(jī)、移相用微位移工作臺(tái)、以及控制計(jì)算機(jī)等子系統(tǒng)組成。其中泰曼格林干涉儀由一個(gè)頻閃光源準(zhǔn)直透鏡、一個(gè)1/2波片、一個(gè)偏振片、空間濾波器(由顯微物鏡和小孔組成)、一個(gè)擴(kuò)束透鏡、一個(gè)聚焦透鏡、一個(gè)偏振分光棱鏡、兩個(gè)1/4波片、一個(gè)遮光閘、兩個(gè)相同的顯微物鏡、一個(gè)成像透鏡和一個(gè)檢偏器組成。激光通過準(zhǔn)直透鏡后分別經(jīng)過偏振片、1/2波片、空間濾波器(由顯微物鏡1和小孔組成)、擴(kuò)束透鏡鏡、聚集透鏡后進(jìn)入偏振分光棱鏡，分光棱鏡將線偏振光分成兩束互相垂直的線偏振光后分別經(jīng)過1/4波片、顯微物鏡2和3，入射到MEMS器件和參考鏡。然后MEMS器件和參考鏡的反射光又經(jīng)過顯微物鏡、1/4波片、偏振分光棱鏡、透鏡2、檢偏器后在CCD攝像機(jī)上形成干涉條紋。偏振片的作用是將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光變成線偏振光，而1/2波片則是調(diào)整入射到MEMS器件和參考鏡的分束比，從而使在CCD上獲得的干涉圖的對(duì)比度最好。兩個(gè)1/4波片的作用是使兩次通過其的光線旋轉(zhuǎn)90°，再通過偏振分光棱鏡后射向CCD而不是沿原入射光路返回。檢偏器的作用是使互相垂直的線偏振光發(fā)生干涉。這樣可以減小對(duì)光源的影響。PZT帶動(dòng)參考鏡移動(dòng)完成相移，獲得多幅條紋圖。如圖附圖2所示，系統(tǒng)采用柯勒(Khler)照明，使得對(duì)MEMS器件和參考鏡能被均勻照明。MEMS器件和參考鏡均應(yīng)位于顯微物鏡的焦平面上。同樣CCD攝像機(jī)也位于透鏡2的焦平面。系統(tǒng)工作在兩種模式下頻閃干涉視覺測(cè)量模式(遮光閘開啟)；頻閃顯微視覺測(cè)量模式(遮光閘關(guān)閉)。在頻閃干涉視覺測(cè)量模式下，通過分析干涉圖可以實(shí)現(xiàn)物體表面垂向變形和運(yùn)動(dòng)的可視化測(cè)量。在頻閃顯微視覺測(cè)量模式下，通過分析視覺圖像可以實(shí)現(xiàn)物體平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的可視化測(cè)量。兩種模式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了MEMS高頻高速運(yùn)動(dòng)的全三維可視化超精密測(cè)量，結(jié)合測(cè)試軟件可完成動(dòng)態(tài)特性自動(dòng)測(cè)試與分析。
頻閃顯微視覺測(cè)量系統(tǒng)中基于視覺圖像的物體平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)估計(jì)。利用遮光閘遮住射入?yún)⒖计矫骁R的光線，本系統(tǒng)變?yōu)轭l閃顯微視覺系統(tǒng)，在CCD成像平面上不產(chǎn)生干涉圖案，而是形成被測(cè)MEMS器件的視覺圖像。采用周期性激勵(lì)信號(hào)和頻閃觀測(cè)技術(shù)，則即使MEMS在該激勵(lì)周期內(nèi)做超高頻高速運(yùn)動(dòng)，但視覺系統(tǒng)拍攝的總是“凍結(jié)”不變的圖像，每一圖像對(duì)應(yīng)該激勵(lì)周期內(nèi)的某一相對(duì)時(shí)刻。通過調(diào)整頻閃光脈沖與該周期性激勵(lì)信號(hào)的相對(duì)延時(shí)，將獲得該激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻的多幅圖像。由于不同時(shí)刻的多幅視覺圖像中都有共同的剛體標(biāo)志，若從第一時(shí)刻的視覺圖像中將此剛體標(biāo)志提取出來做成一個(gè)模板，則可以采用模板匹配的方法計(jì)算該模板在后續(xù)各個(gè)時(shí)刻的視覺圖像中的位置，并與該模板在第一時(shí)刻視覺圖像中的位置進(jìn)行比較即可得出各時(shí)刻運(yùn)動(dòng)位移。采用亞象素步長(zhǎng)相關(guān)法可提高模板匹配的精度。在確定了像素級(jí)匹配位置后，由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移不一定像素寬度的整數(shù)倍，為提高測(cè)量精度，本裝置以像素級(jí)匹配位置為中心的一個(gè)小區(qū)域采用亞像素步長(zhǎng)進(jìn)行精確定位。從而獲得微機(jī)電系統(tǒng)中微機(jī)械器件的亞象素級(jí)的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
頻閃干涉視覺測(cè)量系統(tǒng)中基于干涉圖案的物體表面垂向變形與運(yùn)動(dòng)估計(jì)。通過調(diào)校頻閃干涉視覺測(cè)量系統(tǒng)，使被測(cè)物體表面和參考平面鏡都與入射光線方向相同，則被測(cè)MEMS表面和參考平面鏡的反射光將在CCD成像平面上產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，并形成明暗相間的干涉圖案。通過控制微位移使參考平面鏡產(chǎn)生不同的微小位移，即產(chǎn)生移相，則即使被測(cè)MEMS表面形貌保持不變，但形成的干涉圖案也將發(fā)生改變。利用靜態(tài)去包裹算法(如分割線算法、基于圖像的去包裹算法等)，從不同相移的多幅干涉圖中估計(jì)出被測(cè)MEMS表面的三維靜態(tài)形貌圖。通過使用激振信號(hào)激振MEMS器件，使被測(cè)MEMS表面產(chǎn)生周期性的運(yùn)動(dòng)。采用頻閃觀測(cè)技術(shù)，使得頻閃光源的閃光頻率與該周期性激勵(lì)信號(hào)的頻率相等，則即使MEMS在該激勵(lì)周期內(nèi)做高頻高速運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)拍攝的總是一幅“凍結(jié)”不變的干涉圖案，每一圖案對(duì)應(yīng)激勵(lì)周期內(nèi)的某一確定時(shí)刻。采用微位移工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)參考鏡產(chǎn)生相移，則可獲得一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)某一確定時(shí)刻對(duì)應(yīng)的一組干涉圖案。調(diào)整頻閃光源脈沖序列與正弦激勵(lì)信號(hào)的相對(duì)時(shí)延，可獲得一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻的多組干涉圖案集。對(duì)激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻的干涉圖案集分別采用上述三維靜態(tài)形貌圖測(cè)量算法，將得到MEMS表面在該激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻的形貌圖。為測(cè)量MEMS器件的離面運(yùn)動(dòng)，首先要得到被測(cè)MEMS表面隨時(shí)間變化的垂向運(yùn)動(dòng)變化圖，即需要對(duì)時(shí)間上相關(guān)的多組干涉圖案集進(jìn)行組間去包裹。組間去包裹關(guān)鍵是去包裹時(shí)種子點(diǎn)的選取。選取的原則為某點(diǎn)在相鄰兩個(gè)頻閃時(shí)刻間隔內(nèi)運(yùn)動(dòng)幅度不超過四分之一頻閃光波長(zhǎng)，在此基礎(chǔ)上該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)幅度越小越好。選擇種子點(diǎn)時(shí)應(yīng)保證其不是壞點(diǎn)(residue point)。種子點(diǎn)選取之后，按頻閃時(shí)刻先后順序從各組包裹相位圖中抽取種子點(diǎn)對(duì)應(yīng)的包裹相位值，構(gòu)成具有時(shí)間分辨率的一維包裹相位圖。對(duì)該一維包裹相位圖用傳統(tǒng)去包裹算法去包裹后即可得到種子點(diǎn)在激勵(lì)周期內(nèi)各時(shí)刻的真實(shí)相位。將種子點(diǎn)激勵(lì)周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的真實(shí)相位減去激勵(lì)周期內(nèi)第一時(shí)刻的相位，將得到種子點(diǎn)在各時(shí)刻相對(duì)于第一時(shí)刻的相位偏移。為了得到激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻MEMS表面相對(duì)于第一時(shí)刻的垂向位移，首先對(duì)各組包裹相位圖以種子點(diǎn)為起點(diǎn)進(jìn)行去包裹，得到各時(shí)刻的去包裹相位圖。其次，將種子點(diǎn)在各時(shí)刻相對(duì)于第一時(shí)刻的相位偏移量加到各對(duì)應(yīng)時(shí)刻去包裹相位圖所有點(diǎn)上。最后，利用式(1)計(jì)算得出具有時(shí)間分辨率的各時(shí)刻MEMS表面三維形貌圖。
h(x，y)為MEMS的不同位置(x，y)的高度，λ為頻閃光源的波長(zhǎng)，(x，y)為MEMS的不同位置的真實(shí)相位。
數(shù)據(jù)處理流程如附圖2。
周期性激振、頻閃脈沖光源、參考鏡相移驅(qū)動(dòng)器和視頻采集等子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)精確同步控制。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的周期，計(jì)算機(jī)預(yù)先算出不同的延時(shí)值并控制延時(shí)發(fā)生器，使脈沖光源相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)以精確的相對(duì)延時(shí)進(jìn)行同步頻閃照明；同時(shí)計(jì)算機(jī)通過指令控制CCD攝像機(jī)進(jìn)行同步視頻采集，可獲取激勵(lì)周期內(nèi)不同時(shí)刻的干涉圖案或視覺圖像。此外，計(jì)算機(jī)通過控制壓電步進(jìn)電機(jī)使參考平面鏡產(chǎn)生不同的微小位移，可獲取某一時(shí)刻的一組相移干涉圖案集。為了在測(cè)量動(dòng)態(tài)形貌時(shí)考慮面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響，在整個(gè)測(cè)量過程中MEMS的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和照明信號(hào)始終保持同步。同步時(shí)序圖如附圖3。
通過對(duì)環(huán)境控制箱進(jìn)行不同的溫度——壓力、溫度——濕度的精確控制，結(jié)合長(zhǎng)工作距離物鏡通過環(huán)境控制箱的透明窗口可以完成MEMS在不同環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)特性和可靠性測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置，由半導(dǎo)體激光器頻閃光源及其驅(qū)動(dòng)器、偏振型泰曼格林干涉儀、微位移工作臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)器、CCD攝像機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、環(huán)境控制箱等組成。其特征在于可進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性的三維可視化測(cè)量。
2.按照權(quán)利要求1所述微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置，其特征在于計(jì)算機(jī)對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、半導(dǎo)體激光器頻閃光源、CCD攝像機(jī)三者的精確同步控制與精確相對(duì)延時(shí)，可以精確捕捉微機(jī)電系統(tǒng)器件不同時(shí)刻的面內(nèi)與離面運(yùn)動(dòng)。
3.按照權(quán)利要求1所述微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置，其特征在于采用偏振型泰曼格林干涉儀，使測(cè)量光路和參考光路的分光比連續(xù)可調(diào)，適應(yīng)不同表面反射率的微機(jī)電系統(tǒng)測(cè)量。
4.按照權(quán)利要求1所述微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置，其特征在于將微視覺與相移干涉相結(jié)合進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)形貌納米級(jí)分辨率測(cè)量。
5.按照權(quán)利要求1所述微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性三維測(cè)量裝置，其特征在于將環(huán)境控制箱與光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)行不同條件下微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與可靠性的三維可視化測(cè)量。計(jì)算機(jī)可對(duì)環(huán)境控制箱進(jìn)行精確溫度——壓力、溫度——濕度控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于頻閃干涉視覺的微機(jī)械動(dòng)態(tài)特性與可靠性測(cè)量?jī)x器。該儀器融合了頻閃照明、相移干涉、微視覺、計(jì)算機(jī)同步控制技術(shù)以及精確環(huán)境控制技術(shù)，主要包括計(jì)算機(jī)、頻閃光源、偏振型泰曼格林(Twyman－Green)干涉儀、相移器及其驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)發(fā)生器、CCD攝像機(jī)、6自由度工作臺(tái)、環(huán)境控制箱等?？梢酝瓿晌C(jī)械器件微幾何量、面內(nèi)與離面運(yùn)動(dòng)、靜態(tài)動(dòng)態(tài)三維形貌、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)(如共振頻率等)、微機(jī)械器件力學(xué)性能的非接觸測(cè)量，結(jié)合環(huán)境控制箱可以完成微機(jī)械器件可靠性測(cè)試。系統(tǒng)可以達(dá)納米級(jí)分辨率。
文檔編號(hào)G01D21/02GK1710388SQ20041001331
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者史鐵林, 白金鵬, 謝勇君, 周明才 申請(qǐng)人:史鐵林, 白金鵬, 謝勇君