基于显微条纹投影术的全视场MEMS三维形貌和运动参数表征

本项目提出一种基于显微条纹投影术的MEMS大范围高精度静态、动态参数全视场测试的新方法,研究内容包括：显微条纹投影系统的数学模型、标定策略和方法以及误差补偿技术；相移调制技术在显微条纹投影术中的应用，采用具有自适应噪声免疫功能的特定相位提取算法，提高系统测量精度；条纹变频技术在系统中的应用，提高相移调制方法的测量范围；深度扫描条纹投影技术，采用小波变换条纹包络峰探测算法，实现欠采样条件下的测量，提高系统测量速度；基于模板的相位解包裹算法和基于时间轴、空间轴的双向展开方法，实现微结构动态轮廓特征的测量；在频闪光照明条件下，将计算机微视觉技术和显微条纹投影技术相结合，实现器件全三维耦合运动的测量。该系统适用于具有较大尺寸MEMS器件的静态和动态表征，可以测量多个微结构间的相互位置和运动关系，大大提高测量效率，为微系统的设计、加工过程评价和质量控制提供可靠的数据反馈。

正确测量MEMS微结构的表面形貌、几何形状和运动特性对于器件实现设计的性能是必需的。针对具有较大尺寸MEMS器件（例如：阵列型器件）的静态和动态表征需求，本项目提出了一种基于显微条纹投影术的全视场光学测试新方法，它可以测量多个微结构间的相互位置和运动关系，大大提高测量效率，为MEMS设计、加工过程评价和质量控制提供可靠的数据反馈，也为微尺度下材料的机械力学特性分析和可靠性研究提供了新的技术手段。. 项目基于模块化设计思想，构建了显微条纹投影光学测量系统，采用DLP投影装置和长工作距离显微物镜将计算机生成的特定类型条纹结构缩小后投影到被测物体表面，提高了系统的分辨力。通过使用不同倍率物镜可实现不同视场大小，从1 mm2 到几个cm2变化，通过变频（复合频率）投影技术改变系统垂直方向的测量范围，利用激光干涉仪对测量系统进行参数标定，提高了系统的测量精度。基于三角法测量原理，项目建立了正弦条纹投影测量系统的数学模型，分投影均匀条纹和投影非均匀条件两种情况进行分析。投影均匀条纹时，分析了系统产生条纹变形的原因，给出了系统的标定方法，获取了系统的标定矩阵；投影非均匀条纹时，通过模型推导，给出了一种简便的获取非均匀条纹投影公式的方法，实现了变形条纹的校正。项目研究了利用单帧图像获取相位信息的三种方法，包括傅里叶变换轮廓术、窗口傅里叶变换轮廓术和小波变换轮廓术，通过对表面有大梯度或非连续物体的仿真测量实验，说明了各方法的适用性。项目研究了高精度的相移调制技术实现表面相位信息获取，分别采用三步、四步和五步定步长算法对投影条纹进行调制，通过仿真和测量实验分析了不同算法对测量精度的影响及其原因，最后系统选用具有自适应噪声免疫的五步相移算法来提取被测物体表面的相位信息，提高系统测量精度和抗干扰能力。项目研究了测量视场LED光照明、图像采集和MEMS器件激励信号之间的同步控制策略，采用FPGA实现高精度的多信号同步控制，提高了测量精度。项目提出了基于模板和留数去除的相位解包裹算法和基于时间轴、空间轴的双向展开方法，将微结构运动的空间和时间信息联系起来，配合频闪光同步照明技术“冻结”器件的瞬态运动。利用计算机完成条纹信息自动分析，实现微结构动态轮廓提取，可以获得运动幅值、品质因数、谐振频率等多参数信息。项目已发表学术论文10篇，获得发明专利1项，培养1名博士研究生和4名硕士研究生。