利用光切方法测量微结构的三维微运动

　　1　引　言

　　微机电系统(MEMS)的设计和加工需要强大的测量工具,以便保证它们的性能与设计者的初衷相一致,并在研发过程中给设计和加工过程提供反馈信息。这个反馈信息包括了器件的材料属性、三维结构、动态特性、表面形貌、可靠性估计等。对于微谐振器、微陀螺、微加速度计、光开关等一些具有可动部件的MEMS器件来说,其动态特性决定了MEMS器件的基本性能。因此MEMS动态特性的测量在MEMS研发过程中具有极为重要的地位。目前已有很多方法可以用来测量表面的动态特性。表面动态特性的测量以前人们采用的是激光测振仪、频闪全息技术和模糊包络的亮场测量法。激光测振仪可提供表面上的单点信息,一般水平分辨力约为1μm,但必须在表面上进行扫描来构建一个器件运动的完整图像,且只能对与激光束垂直方向的运动敏感;全息方法通常是全场的,但需要对每一种类型的测量器件进行构建和全息图像对准,时间长、成本高,在垂直方向上的测量范围一般只有几个微米;显微镜的亮场模糊跟踪方法一般是用来对其进行定性分析,只能提供器件水平方向上的运动信息。

　　本文利用光切的方法,结合频闪成像技术,可测量器件的三维微运动,该系统的分辨力达到了纳米量级。

　　2　工作原理

　　2.1　光切技术

　　光切的过程就是对不同焦平面的图像数据进行采集和比较的过程。这个过程是通过显微物镜的光学特性来实现的。每一个物镜都具有一个特定的平面,即焦平面,当它和目标表面相一致时,目标物体可以被清晰的成像。焦平面(图1)位于物镜前透镜的一个特定距离处。这里存在一个区域,在焦平面上下延伸,被称为景深(dof),它与物镜的数值孔径(NA)和焦距有关。如果目标物体被定位在这个区域,系统的性能对图像没有显著的影响。但在dof之外,随着与焦平面距离的增加,目标图像的模糊程度也随之增加。

　　一般来说,放大倍数越大,NA值越高,景深越小。光切方法的目的是采集目标物体的离面信息。通过移动目标物体与物镜的相对位置(沿着光轴方向),就会改变焦平面相对于目标物体的位置,这样就可以得到一系列逐渐模糊的图像,如图2所示。这个模糊图像的采集特性对每一个目标物体与物镜的组合来说是唯一的,是完全可以重复的。

　　2.2　利用光切方法进行三维运动的测量

　　通过获取一系列在已知位置上的图像(物镜相对于目标物体的距离),可得到目标物体三维模糊图像的采样。当目标物体移动时,模糊图像也发生移动。

　　利用该系统进行面内或是二维运动测量可精确分析同步获取的运动物体图像。机器视觉算法所提供的运动测量依赖于图像内的跟踪梯度(空间梯度)和一系列图像(时间梯度)。如图3所示,一个平面处的一系列图像提供了机器视觉算法所需的时间和空间采样。通过在不同焦平面处获取同一序列的图像,可得到在离面方向上的空间采样。因此在给定正确的数据集后,面内测量的机器视觉算法(光流算法)同样也适用于离面测量。