基于偏振成像的MEMS面内振动特性的测量方法技术

本发明专利技术涉及MEMS面内动态特性测量领域，为实现MEMS器件高精度的面内动态位移特性的测量，突破现有技术的限制，得到更为清晰的图像以及精确地测量出MEMS的面内振动情况，并且能够探测MEMS器件的光学特性。为此，本发明专利技术采取的技术方案是，基于偏振成像的MEMS面内振动特性的测量方法,通过频闪补光提高图像的亮度，获得更为清晰的视频图像，将采集到的视频图像进行偏振降噪处理,增强图像的对比度，通过频闪成像的面内位移算法，计算得到MEMS器件的面内振动位移，最后通过偏振成像技术分析MEMS器件的偏振特性。本发明专利技术主要应用于面内动态特性测量场合。测量场合。测量场合。

【技术实现步骤摘要】
基于偏振成像的MEMS面内振动特性的测量方法


[0001]本专利技术涉及MEMS面内动态特性测量领域。具体来说，主要涉及包括偏振降噪、偏振成像以及以此为基础进行的MEMS频闪面内振动特性的测量。

技术介绍

[0002]随着MEMS芯片在航空航天、国防、无人驾驶、VR/AR等领域的应用，对MEMS芯片开发生产高度重视并日益加大产业投入，其中芯片品质、研发效率和生产成本是提高国际竞争力的重要因素。对MEMS动态特性及偏振特性的测试不仅能提高器件设计精准性，缩短研发周期，而且对改进MEMS工艺流程，确保MEMS产品性能可靠、品质优良、互换性高、生产成本低具有十分重要的意义。但由于MEMS微结构本身的极微小尺寸和超高频振动响应以及复杂的工作环境，决定了其动态特性测试的困难性和复杂性。
[0003]MEMS从设计到封装的各个环节都贯穿着测量的需求，高效的测量方法不但为加工质量、重复性及加工水平提供了定性或定量的评价，同时也为封装过程提供了有效的测量手段，能够及时发现封装问题，提高了产品的良品率。另外，测量结果也是评价器件结构或系统性能好坏的基础。而在MEMS的动态特性测试研究中，MEMS面内位移测量是一项重要内容，相应的测量需求也变得越来越迫切。因此MEMS动态测试理论和方法的研究对微机电系统MEMS设计、制造和可靠性具有非常重要的意义。
[0004]在MEMS的测试中，运动测试技术又具有相当重要的研究意义。首先，MEMS的运动特性决定了许多MEMS器件的基本性能，结构的固有频率、振动模态、品质因数Q、响应时间和阻尼系数等是许多MEMS器件特别是微型传感器和微型执行器设计时必须了解的重要参数；其次，材料属性和机械力学参数以及MEMS器件可靠性等关键问题均可通过MEMS运动测试技术加以解决；同时，通过运动测试技术，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部件运动性能的影响机制等。
[0005]近年来，国内外对微尺度下MEMS器件运动特性的测试方法已经进行了很多有益的探索，并取得了一些有实用价值的研究成果，如利用数字图像处理技术分析其运动特性；通过激光相移干涉技术和计算机视觉中的亚像元分析技术等来提高测量精度；利用激光多普勒技术实现MEMS器件瞬态运动的实时测量等。但是，对于MEMS器件本身的光学特性的探索还是比较少的。
[0006]因此，有必要提供一种新型的MEMS面内振动特性测量装置，在实现面内动态特性测量的同时，可以研究MEMS器件本身的光学特性。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术的不足，实现MEMS器件高精度的面内动态位移特性的测量，本专利技术旨在提出一种将偏振成像与频闪视频相结合的方法，能突破现有技术的限制，得到更为清晰的图像以及精确地测量出MEMS的面内振动情况，并且能够探测MEMS器件的光学特性。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于偏振成像的MEMS面内振动特性的测量方法,通过频闪
补光提高图像的亮度，获得更为清晰的视频图像，将采集到的视频图像进行偏振降噪处理,增强图像的对比度，通过频闪成像的面内位移算法，计算得到MEMS器件的面内振动位移，最后通过偏振成像技术分析MEMS器件的偏振特性。
[0008]通过频闪补光提高采集到的图片的亮度具体步骤是，使用VCSEL发光器件提高发光器件的响应速度；利用FPGA和高速MOS管控制VCSEL发光器件，实现高频闪光和高精度脉冲宽度控制，同时增加图像清晰度反馈机制进行频率补偿和矫正，取得单帧图像的高清晰度成像；采用频闪信号和曝光信号同步机制，配合固定相位补偿方法，提升相位延迟精度。
[0009]将采集到的图像进行偏振降噪处理具体步骤是，利用偏振成像技术区分目标物体和自然背景，为目标检测与识别提供便利，同时，抑制偏振成像针对成像过程中的高亮部分。
[0010]得到MEMS器件的面内振动位移具体步骤是，将偏振成像与面内振动特性算法相结合，对于面内刚体平动，选定MEMS微结构上一个不变形的区域作为刚体标志，通过模板匹配、特征提取及匹配器算法检测该标志在不同时刻视觉图像中的位置，即可获得被测MEMS微结构运动周期内不同时刻相对于第一时刻的面内位移，利用亚像素定位技术获取MEMS器件的面内振动位移。
[0011]通过偏振成像技术获得物体表面的偏振特性具体步骤是，偏振光打到MEMS器件上时，由于MEMS器件本身的偏振特性，使得反射偏振光的偏振态发生变化，利用CCD相机采集图片，通过分析计算，得到物体的偏振信息。
[0012]与已有技术相比，本专利技术的技术特点与效果:
[0013]相比于现有的技术，本研究将从两个方面提高并突破现有的测量技术。
[0014](1)提出了频闪补光的概念。由于频闪成像技术每次照明时间十分短暂，仅一次频闪，摄像机无法获得足够的光强，从而影响成像质量，且当MEMS运动的频率较高时，采用传统的图像采集的方式会使得采集到的图像发生模糊现象，所以需要通过控制频闪补光频率，使频闪光的频率和MEMS器件的运动频率一致，对MEMS器件的图像采集在不同周期的同一位置进行周期性补光，使图像达到成像的水平。
[0015](2)将偏振成像与MEMS器件的动态特性联系起来，不仅能够提高成像的质量，获得更高精度的面内位移量，同时根据面阵CCD捕捉到的带有偏振特性的图像，可以分析MEMS器件的相关偏振特性。目前常用于微机电系统的材料，主要有硅、砷化镓、金刚石薄膜、石英以及高分子材料等，这些材料通过不同的加工手段，会表现出各向同性或者各向异性的特性，当偏振光正入射到MEMS器件的表面上时，如果该器件是各向同性的，则反射光的偏振态没有变化；若该器件是各向异性的，可以得到反射光的本征穆勒矩阵，从而得到MEMS器件表面各向异性的相关特性。
附图说明：
[0016]为了更清楚地说明本专利技术的技术方法，下面将对实施方法中所需使用的附图作简单介绍：
[0017]图1为本专利技术的结构图。
[0018]图中：
[0019]1-1：计算器；
[0020]1-2：信号发生器；
[0021]1-3：驱动控制器，由FPGA和MOS两部分组成；
[0022]1-4：VCSEL；
[0023]1-5：起偏器；
[0024]1-6：分光板；
[0025]1-7：显微镜；
[0026]1-8：MEMS样品；
[0027]1-9：位移台；
[0028]1-10：相机；
[0029]1-11：检偏器。
具体实施方式
[0030]为实现MEMS器件高精度的面内动态位移特性的测量，本专利技术采用一种将偏振成像与频闪视频相结合的方法，能突破现有技术的限制，得到更为清晰的图像以及精确地测量出MEMS的面内振动情况，并且能够探测MEMS器件的光学特性。
[0031]本专利技术采用的技术方案是，设计一种基于偏振成像的MEMS动态特性测量的方法，该方案主要包括三个内容：通过频闪补光提高图像的亮度，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振成像的MEMS面内振动特性的测量方法，其特征是，通过频闪补光提高图像的亮度，获得更为清晰的视频图像，将采集到的视频图像进行偏振降噪处理,增强图像的对比度，通过频闪成像的面内位移算法，计算得到MEMS器件的面内振动位移，最后通过偏振成像技术分析MEMS器件的偏振特性。2.如权利要求1所述的基于偏振成像的MEMS面内振动特性的测量方法，其特征是，通过频闪补光提高采集到的图片的亮度具体步骤是，使用VCSEL发光器件提高发光器件的响应速度；利用FPGA和高速MOS管控制VCSEL发光器件，实现高频闪光和高精度脉冲宽度控制，同时增加图像清晰度反馈机制进行频率补偿和矫正，取得单帧图像的高清晰度成像；采用频闪信号和曝光信号同步机制，配合固定相位补偿方法，提升相位延迟精度。3.如权利要求1所述的基于偏振成像的MEMS面内振动特性的测量方法，其特征是，将采集到的图像进行偏振降噪处理具体步骤是，利用偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑梅，董洁，王双，韩群，胡浩丰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：