图像拼接在相移显微干涉测量微结构表面形貌的应用研究

摘要

随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的发展，为了进行微小结构的机械力学特性分析，或者MEMS器件的可靠性测试研究等，通常需要获取微结构的表面轮廓信息。一般来说，MEMS器件具有毫米级的整体尺寸和微米级的局部尺寸，因此，测试技术要求尽可能同时具有大视场、空间分辨率高的性能。 本文在充分调研的基础上，结合图像拼接和相移显微干涉测量技术，建立了相移显微干涉测量的图像拼接实验系统，满足了微表面形貌测量中同时具有大视场和高分辨率的要求，具体完成的工作主要有： 1.本文分别从时域和频域中寻求合适的微表面形貌图像匹配的方法，如块匹配准则法，改进的块匹配准则法，数字相关算法以及相位相关算法，并对其进行了分析比较。 2.分析了单次测量和拼接过程中产生的误差。本文对其中的离面偏差提出了一种先通过坐标系的统一初步修正，再使用穷举搜索法逐个修正两相邻图像灰度值的方法。 3.在原有的显微相移干涉系统的基础上加入扫描拼接系统，建立了微表面形貌大视场测试系统。用于子区域扫描定位的扫描定位系统主要包括作为放置被测件工作台的电控平移台，以及控制平移台移动定位的驱动器、单片机等。 4.用建立的系统进行测量实验。使用标准三角形台阶进行单次实验，以及不同视场范围下对曲面进行对比实验，验证了拼接测量系统的可靠性和可行性；通过三角形台阶面及其底面平面度的评定，对重叠度大小造成的影响进行了对比和分析；采用不同的匹配法对若干不同的MEMS器件进行拼接测量。

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第一章 绪论

1.1 MEMS的发展概况及其测试技

1.1.1 MEMS的发展概况

1.1.2 MEMS的测试技术

1.2图像拼接技术的国内外发展

1.2.1图像拼接模式

1.2.2图像拼接方法

1.3课题研究的主要目的和内容

第二章 微表面形貌的图像拼接方法

2.1微表面形貌图像的拼接策略

2.1.1平面相对位置的确定

2.1.2拼接中的误差分析

2.1.3微表面形貌图像拼接流程

2.2平面位置的匹配

2.2.1块匹配准则法

2.2.2改进的块匹配准则法

2.2.3数字相关法

2.2.4相位相关法

2.3离面偏差的修正

2.3.1基准坐标的确定

2.3.2坐标系的统一

2.3.3穷举搜索法对准

第三章 相移显微干涉测量的图像拼接实验系统

3.1相移显微干涉测试原理

3.1.1干涉显微镜

3.1.2相移干涉技术

3.1.3相位展开技术

3.2相移显微干涉测试系统

3.3扫描定位系统

3.3.1扫描定位工作平台

3.3.2脉冲源的输出控制

3.3.3MSP430F149单片机的外围电路

3.3.4MSP430F149单片机的串口通讯

3.3.5MSP430F149单片机的软件设置

第四章 实验及其分析

4.1系统的测试实验

4.1.1子区域的单次测量

4.1.2扫描拼接测试

4.2曲面的对比实验

4.3重叠度的影响分析

4.4MEMS器件的拼接测量实验

4.4.1悬臂梁的拼接测量

4.4.2梳齿谐振器的拼接测量

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢