[发明专利]混合分形插值和频域数字散斑相关的MEMS面内位移测量方法

说明书

技术领域

本发明属于MEMS动态测量方法研究领域，MEMS面内位移的测量属于其中的一项内容。具体涉及到分形插值、频率域数字散斑相关的MEMS平面位移测量方法。

背景技术

微机电系统(MEMS：Micro-electro-MechanicalSystems)是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及微机械学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物以及材料学等多种工程技术和科学。MEMS的技术发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等有体积小、质量轻、功耗低、可靠性强、易于智能化、数字化等优点，所以在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景，这也使MEMS成为一项关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。美、日、欧、韩、新加坡等国也都认识到发展MEMS对国际竞争的重要意义，把MEMS与电子信息、航空航天等并列作为战略高科技来对待。

在MEMS的测试研究中，MEMS动态特性测试是一项重要内容。对微谐振器、微陀螺仪、微传感器、微执行器、微电子器件、微加速度计和光开关等具有可动部件的MEMS器件而言，其动态特性决定了MEMS器件的基本性能。通过测试，可确定MEMS器件三维运动情况、材料属性以及机械力学参数，可建立或验证其理论模型和失效机理，指导其结构优化设计，降低批量生产成本，推进MEMS产业化进程。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。

在MEMS图像分析理论与方法的研究中，为了提高测试精度和速度，充分利用图像之间的相关性特征成为研究中的重点。又分形的自相似性在充分利用图像相关性方面有很大优势，所以本发明结合分形插值理论和频率域数字散斑相关技术提出了一种MEMS微结构平面位移测量方法，然后将其运用在MEMS微结构面内位移测量中，获得具有良好测量精度的MEMS微结构面内位移测量方法。因此本发明具有现实的理论意义和应用价值。

在国内外，MEMS动态测试技术已得到了许多研究机构的高度重视，美国UCBerkeley大学BSAC研究中的ChristianRembe等研制的MEMS动态测试仪，集成了频闪微视觉和干涉技术，采用最小二乘法和相移算法等，可测试MEMS器件的三维实时运动和动态结构变形，实现高精度的面内测量。美国MIT微系统实验室Freeman教授领导的研究小组研制的基于计算视觉的MEMS动态测试系统。天津大学在MEMS动态特性测试的研究中取得了较大发展。华中科技大学谢勇君等采用集成频闪成像、计算机微视觉和显微干涉技术，研制了MEMS三维静动态测试系统，系统可进行MEMS面内刚体运动、表面形貌、垂向变形等测量，并达到纳米级精度。以上研究在图像相关性方面多用的是在空域中基于灰度和特征的匹配法，这些方法对图像的灰度变化或者旋转等方面极其敏感，而且传统的数字相关方法因重复搜索产生较大的计算量，因此会存在较低的计算效率和较大的测量误差。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种提高精度，降低噪声对测量的影响的混合分形插值和频域数字散斑相关的MEMS面内位移测量方法。本发明的技术方案如下：一种混合分形插值和频域数字散斑相关的MEMS面内位移测量方法，其包括以下步骤：

101、微机电系统MEMS微结构在基于微视觉频闪系统下，在MEMS器件与物镜之间放置毛玻璃可得到MEMS微结构的散斑图像，从而得到MEMS微结构零相位时刻的参考图像f(x,y)和发生平移的目标图像g(x,y)，x表示MEMS微结构运动平面的横坐标，y表示MEMS微结构运动平面的纵坐标；

102、选择合适大小的参考图像f(x,y)的子区图像和目标图像g(x,y)的子区图像。本专利结合最终测试精度和测试效率，基于多次实验，选择子区图像大小为41×41pixel，此时测量误差在0.08pixel的可接受范围；

103、对步骤102中得到的参考图像f(x,y)的子区图像和目标图像g(x,y)的子区图像采用随机中点分形插值法进行插值处理，得到f(x,y)的插值子区图像和g(x,y)的插值子区图像；

104、对步骤103得到的f(x,y)的插值子区图像和g(x,y)的插值子区图像分别做傅立叶变换，并将f(x,y)的插值子区图像做傅立叶变换的共轭作为匹配滤波器；

105、用步骤104得到的匹配滤波器对目标图像g(x,y)的插值子区图像的频谱进行滤波；