3-D轮廓测量中相位解包裹应用.docx

"3-D轮廓测量中相位解包裹应用" 相位解包裹是在对微/纳机电系统(MEMS/NEMS)结构的特性参数进行测量和可靠性测试的过程中，常要求对结构表面的三维轮廓、粗糙度、微小的位移和变形等物理量做精密测量的重要步骤。目前，显微干涉法凭借其高精度、高垂直分辨率、测量简单快捷、无损等优点，成为这类测量中最常用的手段之一。在使用相移显微干涉法对MEMS/NEMS结构表面进行测量时，先通过驱动电路驱动参考镜产生次波长量级的光程变化，即可由电荷耦合器件摄像机(CCD)和图像采集卡获得一组时间序列上的相关干涉图像，然后由干涉图的光强信息解算出被测表面的相位值，提取包裹的相位信息，最后通过一定的相位解包裹算法得到被测表面真实的相位信息和相应的表面高度，从而得到被测结构表面的3-D轮廓。 相位解包裹方法很多，但通常都具有很强的针对性和局限性。微纳结构的表面轮廓复杂，并且经常含有孔洞、沟槽、突起等特征形状，传统的解包裹算法不能绕过这些非理想数据区域，并且导致的误差会在被测面内传播，以致影响整个相位展开的结果。因此，提出一种基于模板的广度优先搜索的相位解包裹方法，它通过模板的使用来剔除对相位展开有影响的非理想数据区域，使解包裹算法能够绕过这些区域进行，从而得到比较可靠的结果。 在基于模板的相位解包裹方法中，首先通过相位提取算法，包含在光强中的代表被测物表面高度信息的相位值被提取出来。但在实际测量中，由于物体表面高度的相位变化通常都远远超出一个波长周期。因此，各种相位提取算法计算出来的相位值均是以反正切函数的形式表示，即得到的相位分布被截断成为多个2π范围内变化的区域，形成包裹相位。为最终得到被测表面真实的高度信息，必须将多个截断相位的区域拼接展开成连续相位，这个过程称为相位解包裹。 在相位解包裹算法中，需要对包裹的反正切函数主值差进行求和运算，以实现相位展开。由于MEMS/NEMS表面3-D轮廓测量针对的通常都是连续变化的结构表面，符合相邻像素点相位差小于2π的要求，因此依据式(2)所示的原理即可逐点实现相位展开。 然而，MEMS/NEMS结构经常具有比较复杂的轮廓，含有孔洞、沟槽、突起等特征形状，被测表面也可能存在缺陷，例如表面镀膜脱落或者粘附上灰尘等，再加上阴影和噪声等的影响，用普通的相位展开方法就可能引入误差，并且误差会传播到在当前像素点之后展开的所有点。为了解决这个问题，引入基于模板的广度优先搜索算法，它是一种逐点展开的生长算法。在相位展开运算之前，先用模板将非相容点标记出来。相位展开过程是从任意的一个相容点开始，然后均匀地向其邻域弥散生长，得出其邻域的展开相位值，再一周一周扩大，直至整幅图像。在其遍历过程中，遇到由模板标记的非相容点时，就暂时绕过而不做处理。用此方法处理的像素点都是相容点，即好的数据点，因而能够大幅度地提高相位展开的质量。 标记模板的方法及实验结果用以标记非相容点的模板可以通过多种途径获得。根据不同情况，可以选择不同的标记方法，以确保相位展开的结果是可靠的。在实验中，我们使用基于模板的广度优先搜索算法对MEMS/NEMS结构表面进行相位展开，结果表明该方法能够有效地提高相位展开的质量和可靠性。