微结构运动特性表征中的全场三维重建方法

　　引 言

　　MEMS设计和加工需要强大的测量工具来保证它们性能和设计者初衷相一致，并且在工程开发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，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。目前有许多研究小组正致力于开发 MEMS 器件的自动表征工具，用于它的动态特性分析。英国Newcastle 大学的 J S Burdess 等人设计了一种全自动测量系统[1]，利用激光多普勒效应测量 MEMS 结构的动态特性;美国加州大学 Berkeley 分校的 M R Hart 等人提出了一种计算机控制的频闪干涉系统[2]，用来测量 MEMS 结构的离面运动和变形，达到纳米级精度;美国Sandia 国家实验室的G F LaVigne 等人将图像分析技术和频闪光源结合起来研究可动 MEMS 器件的可靠性[3];美国 MIT 的 D M Freeman 等人开发了一种计算机微视觉系统用于 MEMS 的表征[4];美国空军实验室的 D J Burns 等人提出了一种用于MEMS 器件自动光电表征的系统[5]。

　　我们利用频闪相移干涉技术构建了MEMS动态测试系统，它是相移干涉术和频闪照明的有机结合，系统采用了虚拟仪器的先进结构，实现了更大的灵活性。文中提出了一种时间轴和空间轴双向解包裹的干涉条纹分析方法，实现MEMS器件离面运动参数的精确测量，并与微结构平面结构图像模板相结合，实现MEMS器件全视场运动的分析。

　　1 原理描述

　　1.1 双向解包裹方法

　　为了表征器件的运动过程，需要采集器件一个运动周期内多幅准静态图像，对于每一幅利用频闪成像技术采集的准静态图像，可以像静态微观形貌测量那样，采用相移显微干涉法，用空间轴上的二维解包裹算法获得该准静态位置处物体表面各点相对解包裹起始点的相对高度信息。然而，要想获得物体表面各点离面运动的绝对运动幅度、运动相位和物体表面在运动中的变形，就必须将整个运动周期的所有采样图像联系起来，使得各点在各个时刻的高度信息以同一个参考点为基准。为此，需要研究如何选取各图像间的关联信息。

　　对于选取基准点，首先便会想到在物体表面寻找运动中的静止点，每帧准静态图像均以此点为解包裹起始点进行空间轴的二维解包裹，这样，每帧图像解包裹的高度信息都是以同一个点的相同高度值为参考，再根据各点的高度信息做运动曲线拟合，便可获得该点的运动参数。若将各点间运动幅度进行比较，物体表面的各项运动参数也就可以得到了。基于双向解包裹思想，本文采用以下步骤实现多帧图像的解包裹(先时间轴解包裹，后空间轴解包裹)：