專利名稱:微納結(jié)構(gòu)3d輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種微/納測試技術(shù)。特別是涉及一種可以將非數(shù)據(jù)區(qū)域及非相容區(qū)域有效剔除出來的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法。
背景技術(shù)：
微/納機電系統(tǒng)(Micro/Nano ElectroMechanical System，MEMS/NEMS)是在微電子技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的集傳感、信息處理和執(zhí)行于一體的集成微系統(tǒng)技術(shù)。它體積小、低功耗、低成本和高可靠性等優(yōu)點使其得到科學界的普遍歡迎，其應用已經(jīng)滲透到了汽車、生化、醫(yī)學、航空航天、科學儀器等諸多行業(yè)。然而，由于對其可靠性問題進行分析研究的相應技術(shù)的匱乏，微/納機電系統(tǒng)的開發(fā)和商業(yè)化應用受到了很大的制約。所以，對MEMS/NEMS的可靠性進行分析測試的研究在此領域越來越受到重視。
在對MEMS/NEMS器件的可靠性進行測試和對微/納結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)進行測量時，常要求獲取結(jié)構(gòu)的表面信息，如三維輪廓、粗糙度、微小的位移和變形等。目前，相移顯微干涉法憑借其高精度、高垂直分辨率、測量簡單快捷、無損等優(yōu)點，成為這類精密測量中最常用的手段之一。在使用相移顯微干涉法對MEMS/NEMS結(jié)構(gòu)表面進行測量時，先通過驅(qū)動電路驅(qū)動參考鏡產(chǎn)生次波長量級的光程變化，即可由電荷耦合器件攝像機(CCD)和圖像采集卡獲得一組時間序列上的相關(guān)干涉圖像，然后由干涉圖的光強信息解算出被測表面的相位值，提取包裹的相位信息，最后通過一定的相位解包裹算法得到被測表面真實的相位信息和相應的表面高度，從而得到被測結(jié)構(gòu)表面的3D輪廓。
由此可見，相位解包裹，也就是相位展開是微結(jié)構(gòu)表面3D輪廓測量中至關(guān)重要的一步。隨著相位展開技術(shù)的深入發(fā)展，相位解包裹算法層出不窮，但通常都具有很強的針對性和局限性。普通的相位解包裹方法應用于簡單區(qū)域(未展開相位圖中不存在非理想數(shù)據(jù)點)時能得到較好結(jié)果，然而，MEMS/NEMS結(jié)構(gòu)經(jīng)常具有比較復雜的輪廓，含有孔洞、溝槽、突起等特征形狀，被測表面也可能存在缺陷，例如表面鍍膜脫落或者粘附上灰塵等，再加上陰影和噪聲等的影響，用普通的相位展開方法就可能引入誤差，并且誤差會傳播到在當前像素點之后展開的所有點。為了能對具有復雜表面輪廓的MEMS/NEMS器件表面進行測量并得到準確的表面輪廓信息，必須找到一種能在解包裹過程中繞過非理想數(shù)據(jù)區(qū)域的相位展開方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種可以將非數(shù)據(jù)區(qū)域及非相容區(qū)域有效剔除出來的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，包括有如下步驟1.對被測表面進行相移顯微干涉測量，將干涉圖保存下來；2.在相位解包裹之前將非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點標記于模板中；3.在基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算過程中繞過非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點的區(qū)域進行計算，得到被測表面準確可靠的3D輪廓信息。
所述的在相位展開之前將非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點標記于模板中，是由如下三種方法之中的一種實現(xiàn)的基于子區(qū)域相容性判斷的模板標記方法；基于邊緣檢測的模板標記方法；基于干涉圖灰度差值提取的模板標記方法。
所述的基于子區(qū)域相容性判斷的模板標記方法是，根據(jù)圖像中任意四個像素點組成的2×2子區(qū)域兩兩之間的灰度值之差來判斷像素點是否穿過了相位條紋跳變的界線，如果確定為穿過了相位跳變邊緣，則進行相應的相位補償，補償之后再次判斷這些差值之和是否為0，從而判斷其是否為相容點，逐點判斷并將結(jié)果存于模板圖中。
所述的邊緣檢測的模板標記方法是，先將被測表面的五幅干涉圖合成為亮場圖像，然后在亮場圖像上運用Canny邊緣檢測算子得到非相容區(qū)域的邊緣，得到模板圖。
所述的干涉圖灰度差值提取的模板標記方法是，通過將各幅干涉圖對應像素點灰度值兩兩相減，比較差值與設定閾值的大小來提取非相容區(qū)域，從而得到模板圖。
所述的基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算是，將得到的模板圖代入基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹算法中，繞過模板中標記的非相容區(qū)域進行相位解包裹。并根據(jù)相位與高度之間的關(guān)系得到被測表面的3D輪廓圖。
本發(fā)明的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法具有以下特點1、根據(jù)具體應用的不同要求，靈活運用不同的標記模板的方法，可以將非數(shù)據(jù)區(qū)域及非相容區(qū)域有效剔除出來。
2、基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹方法可以根據(jù)模板圖中標記的信息將非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容區(qū)域繞過不做處理，只對相容數(shù)據(jù)點進行相位解包裹運算，從而可以有效抑制誤差的產(chǎn)生和傳播。
3、不僅可以運用于五步相移顯微干涉測量中，也可用于其他測量MEMS/NEMS表面3D輪廓的干涉技術(shù)的相位解包裹，嵌入簡單。
4、可以根據(jù)應用的需要，通過調(diào)節(jié)閾值的大小來調(diào)節(jié)各種標記模板的方法對噪聲等非理想數(shù)據(jù)的靈敏度。
5、得到的相位解包裹結(jié)果準確可靠，并可用于具有復雜輪廓及特征形狀的MEMS/NEMS表面3D輪廓測量中，具有很大的實用價值。



圖1是基于子區(qū)域相容性判斷的模板標記方法示意圖；圖2是基于邊緣檢測的模板標記方法示意圖；圖3是基于干涉圖灰度差值提取的模板標記方法示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法做出詳細說明。
本發(fā)明的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，包括有如下步驟1.對被測表面進行相移顯微干涉測量，將干涉圖保存下來；2.在相位解包裹之前將非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點標記于模板中。該步驟是根據(jù)不同的應用需要通過選擇以下三種方法中的其中一種實現(xiàn)的基于子區(qū)域相容性判斷的模板標記方法；基于邊緣檢測的模板標記方法；干涉圖灰度差值提取的模板標記方法。下面分別講述三種方法(1)基于子區(qū)域相容性判斷的模板標記方法如圖1所示，此方法在包裹相位圖的基礎上進行判斷并得到模板。首先由干涉圖通過相位提取運算得到包裹相位圖，再根據(jù)圖像中任意四個像素點組成的2×2子區(qū)域兩兩之間的灰度值之差來判斷像素點是否穿過了相位條紋跳變的界線，如果確定為穿過了相位跳變邊緣，則進行相應的相位補償，補償之后再次判斷這些差值之和是否為0，從而判斷其是否為相容點。如果為零則標記為相容點，否則為非相容點。逐點判斷并將結(jié)果存于模板圖中。
(2)基于邊緣檢測的模板標記方法如圖2所示，首先將被測表面的五幅干涉圖合成為亮場圖像，然后在亮場圖像上運用Canny邊緣檢測算子得到非相容區(qū)域的邊緣，得到模板圖。
此方法在由干涉圖合成的亮場圖像上運用邊緣檢測算法來提取非相容區(qū)域的邊緣。在五步相移干涉測量中，根據(jù)得到的五幅干涉圖像，可以根據(jù)下式合成為被測表面的亮場圖像Ibf=(I1-I3)×(I5-I3)+(I4-I2)22---(1)]]>式中的Ii為第i幅干涉圖中一個像素點的灰度值(i＝1、2、3、4、5)，Ibf為對應像素點亮場圖像的灰度值。逐點計算得到整個被測區(qū)域的亮場圖像，然后運用邊緣檢測算法將特征輪廓或缺陷區(qū)域的邊緣提取出來，存于模板圖中。實驗證明Canny算法得到的邊緣信息最準確。
(3)干涉圖灰度差值提取的模板標記方法如圖3所示，將各幅干涉圖對應像素點灰度值兩兩相減，得到它們之間的灰度差值，通過比較灰度差值與設定閾值的大小來提取非相容區(qū)域，當所有的灰度差值都小于設定閾值時，此像素點即被判定為沒有發(fā)生干涉條紋相對變化的非相容點，從而得到模板圖。
此方法在原始干涉圖的基礎上直接得到相位解包裹的模板。在五步相移干涉測量中，驅(qū)動電路驅(qū)動壓電陶瓷使得參考鏡步進移動從而產(chǎn)生步進相移，由此得到時間序列上的五幅干涉圖像。參考光路的微小變化使得光程差發(fā)生相應變化，致使各幅干涉圖上被測表面的條紋產(chǎn)生相對位移。而由于非數(shù)據(jù)區(qū)沒有條紋，或者非相容區(qū)域的條紋信息不夠理想，將各幅干涉圖對應像素點灰度值兩兩相減，比較差值與設定閾值的大小來便可以提取非相容點，從而獲得模板圖。
3.在得用上述三種方法之一得到模板圖后，在基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算過程中繞過非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點的區(qū)域進行計算，得到被測表面準確可靠的3D輪廓信息。
本發(fā)明所述的基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算是將得到的模板圖代入基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹算法中，繞過模板中標記的非相容 區(qū)域進行相位解包裹。并根據(jù)相位與高度之間的關(guān)系得到被測表面的3D輪廓圖。具體是在獲得了標記有非數(shù)據(jù)區(qū)和非相容點的模板圖之后，在基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算中，根據(jù)公式對模板中標記為相容的點進行逐點相位展開運算，標記為非相容的點則繞過不進行處理。式中Δ為差值運算，W1和W2是包裹運算，(n)是第n個像素點對應其包裹相位W1[(n)]的真實相位，(0)和(m)分別為第0個和第m個像素點的真實相位。
上述的三種標記模板的方法各自具有不同的特點，適用于不同的應用(1)子區(qū)域相容性判斷法運算速度非?？?，而且對噪聲、斷點等靈敏度很高，適用于圖像區(qū)域小，噪聲點遠離相位跳變邊緣并且需要嚴格控制噪聲的研究性應用，不適合用于噪聲多，結(jié)構(gòu)復雜的實際測試應用。
(2)使用邊緣檢測來獲取相位解包裹模板的方法使用方便，并且可以根據(jù)具體應用選擇合適的閾值對相位解包裹進行靈活控制，比較適合應用于具有孔洞等封閉輪廓的被測表面的相位解包裹運算中。但是由于干涉測量中噪聲的影響，合成的亮場圖像本身已含有誤差，應用于大范圍的比較復雜的表面時這種方法則較難在控制噪聲和精確定位邊緣之間找到平衡。
(3)干涉圖灰度差值提取法的計算相對較為復雜，但是由于它在最原始的干涉圖像信息上進行判斷，所以成功率高，也可以通過改變閾值靈活地控制模板的靈敏度，并且使用范圍很廣，對于復雜輪廓、溝槽和噪聲等進行相位解包裹都適用。
本發(fā)明公開和揭示的所有組合和方法可借鑒本文公開內(nèi)容，盡管本發(fā)明的組合和方法已通過較佳實施例進行了描述，但是本領域技術(shù)人員明顯能在不脫離本
發(fā)明內(nèi)容
、精神和范圍內(nèi)對本文所述的方法進行拼接或改動，或增減某些環(huán)節(jié)的，更具體地說，所有相類似的替換和改動對本領域技術(shù)人員來說是顯而易見的，它們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，包括有如下步驟1.對被測表面進行相移顯微干涉測量，將干涉圖保存下來；2.在相位解包裹之前將非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點標記于模板中；3.在基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算過程中繞過非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點的區(qū)域進行計算，得到被測表面準確可靠的3D輪廓信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的在相位展開之前將非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點標記于模板中，是由如下三種方法之中的一種實現(xiàn)的基于子區(qū)域相容性判斷的模板標記方法；基于邊緣檢測的模板標記方法；基于干涉圖灰度差值提取的模板標記方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的基于子區(qū)域相容性判斷的模板標記方法是，根據(jù)圖像中任意四個像素點組成的2×2子區(qū)域兩兩之間的灰度值之差來判斷像素點是否穿過了相位條紋跳變的界線，如果確定為穿過了相位跳變邊緣，則進行相應的相位補償，補償之后再次判斷這些差值之和是否為0，從而判斷其是否為相容點，逐點判斷并將結(jié)果存于模板圖中。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的邊緣檢測的模板標記方法是，先將被測表面的五幅干涉圖合成為亮場圖像，然后在亮場圖像上運用Canny邊緣檢測算子得到非相容區(qū)域的邊緣，得到模板圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的干涉圖灰度差值提取的模板標記方法是，通過將各幅干涉圖對應像素點灰度值兩兩相減，比較差值與設定閾值的大小來提取非相容區(qū)域，從而得到模板圖。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，其特征在于，所述的基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算是，將得到的模板圖代入基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹算法中，繞過模板中標記的非相容區(qū)域進行相位解包裹。并根據(jù)相位與高度之間的關(guān)系得到被測表面的3D輪廓圖。
專利摘要
一種微納結(jié)構(gòu)3D輪廓測量中基于模板的相位解包裹方法，包括有如下步驟對被測表面進行相移顯微干涉測量，將干涉圖保存下來；在相位解包裹之前將非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點標記于模板中；在基于廣度優(yōu)先搜索的相位解包裹運算過程中繞過非數(shù)據(jù)區(qū)域和非相容點的區(qū)域進行計算，得到被測表面準確可靠的3D輪廓信息。根據(jù)應用的需要，可以通過調(diào)節(jié)閾值的大小來調(diào)節(jié)各種標記模板的方法對噪聲等非理想數(shù)據(jù)的靈敏度。本發(fā)明只對相容數(shù)據(jù)點進行相位解包裹運算，從而抑制測量誤差的產(chǎn)生和傳播，可以運用于五步相移顯微干涉測量，也可用于其他測量MEMS/NEMS表面3D輪廓的干涉技術(shù)的相位解包裹，得到的相位解包裹結(jié)果準確可靠，適用于具有復雜輪廓及特征形狀的MEMS/NEMS表面3D輪廓測量。
文檔編號G01Q80/00GKCN1912541SQ200610015497
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月30日
發(fā)明者栗大超, 黃玉波, 傅星, 胡小唐 申請人:天津大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan