多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统与方法
阅读说明：本技术 多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统与方法 (Microstructure mechanical behavior polarization parameter imaging system and method under multi-physical-field load ) 是由 曹云 陆海宁 席占稳 聂伟荣 熊吉川 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统与方法,该系统包括激光光源、扩束镜、起偏器、1/4波片、待测微结构、第一透镜、第二透镜、偏振相机、计算机、温度加载装置和静力加载装置,方法为：将待测样品放置于静力加载装置的三维移动载物平台上,对该待测样品同时施加温度载荷与静力载荷,使其应力状态发生变化,同时打开激光光源,该激光经过扩束镜、起偏器、1/4波片,受载待测微结构、第一透镜、第二透镜后由偏振相机采集图像,计算机处理图像,从而获得物理场耦合载荷下微结构力学行为偏振参数图像。本发明具有稳定性高、成像高效、非接触无损测量、分辨率高以及能够进行全场测量的优点。(The invention discloses a system and a method for imaging the polarization parameters of the mechanical behavior of a microstructure under the load of multiple physical fields, wherein the system comprises a laser light source, a beam expander, a polarizer, an 1/4 wave plate, a microstructure to be tested, a first lens, a second lens, a polarization camera, a computer, a temperature loading device and a static loading device, and the method comprises the following steps: the method comprises the steps of placing a sample to be tested on a three-dimensional moving carrying platform of a static loading device, applying temperature load and static load to the sample to be tested simultaneously to change the stress state of the sample to be tested, turning on a laser light source, enabling the laser to pass through a beam expander, a polarizer and an 1/4 wave plate, collecting images by a polarization camera after loading the microstructure to be tested, a first lens and a second lens, and processing the images by a computer, so that a microstructure mechanical behavior polarization parameter image under a physical field coupling load is obtained. The invention has the advantages of high stability, high imaging efficiency, non-contact nondestructive measurement, high resolution and capability of carrying out full-field measurement.)
技术领域
本发明属于微结构力学参量测量与光学成像领域，特别是一种多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统与方法。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)器件和柔性电子器件应用领域的不断拓展，准确测量和评价这些器件在实际使用环境下的材料特性、力学行为、结构稳定性和可靠性是目前理论和工程技术领域普遍关注的问题之一。在实际测量中，一方面湿、热、电、磁、力等不同环境及复合环境下MEMS微结构的力学行为错综复杂，另一方面这些恶劣复杂环境因素对测量的影响很大，给测量方法带来很大困难，传统常态环境下的力学参量测量方法很难适用于复杂非常态环境中，因此，亟需开展复杂非常态环境下微结构力学行为的动态测试和表征方法研究，对研究微结构的失效机制、可靠性、制备工艺和工程应用均具有重要意义。
基于压电、应变等效应的传统接触式测量方法已无法满足小尺寸、高集成度MEMS结构动态检测需求，而且易受环境影响，测量误差较大。光学测量方法具有非接触、响应快、精度高且全场测量等优点已成为MEMS中一种主要的动态测试手段。以激光多普勒测振技术、频闪干涉测振技术和计算机微视觉技术为代表的光学测振方法已经较为成熟，能够实现对大多数微结构离面和面内运动参数的精确测量，但无法对微结构的力学行为如应力场进行测量，且在一定程度上存在测量效率低、环境适应性差等问题。全息干涉法、散斑干涉法、云纹法、几何相位法及光弹法等非接触式测量方法，需要良好的隔震环境，且光学元件数量多，光学仪器精度要求高，光路布置比较复杂，易受高温等恶劣复杂环境影响，导致测量精度下降，稳定性较差。拉曼光谱法、数字图像相关方法等同样受环影响大，无法保证测量精度，难以适用复杂非常态环境中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统与方法，以获得受载微结构的力学行为信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统，包括成像光路、温度加载装置和静力加载装置；
所述成像光路置于隔振台上，用于采集不同偏振角度的光强图像以及对这些图像进行后续图像处理，包括依次设置的激光光源、扩束镜、起偏器、1/4波片、待测微结构、第一透镜、第二透镜、偏振相机；所述偏振相机可以同时并多次采集带有0°、45°、90°、135°偏振信息的图像，并传输至图像处理系统；
所述温度加载装置用于对待测微结构的表面进行加热和恒温控制；
所述静力加载装置用于对待测微结构施加静力载荷；
所述图像处理系统用于对采集到的不同偏振角度的光强图像进行图像处理后，得到的相位差图像、相位角图像、Stokes参数图像。
一种多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统，包括以下步骤：
步骤1、调试光路：调整各光学器件之间的距离，直到偏振相机采集到的图像能够在计算机上清晰地显示；
步骤2、布置温度加载装置与静力加载装置，待测微结构可以被经扩束镜扩束后的光线完全覆盖；
步骤3、施加载荷与图像采集：通过温度加载装置对待测微结构下表面进行加热操作，同时通过静力加载装置对待测微结构上表面进行压力加载操作，得到由偏振相机采集的受载状态下的待测微结构多幅不同方向偏振的光强图像；
步骤4、图像处理：对采集到的不同偏振角度的光强图像进行Stokes参数图像处理，得到的相位差图像、相位角图像、Stokes参数图像。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)稳定性高：采用偏振参数成像，只需要将光线直接照射在受载待测微结构上获得光强图，而不需要进行干涉处理以获得干涉条纹图，因此光路不易受外界振动与温度影响，不需要特殊的隔振和恒温环境；(2)成像高效：采用光学成像的方法，搭建好光路后可以瞬间得到光强图，并且本发明采用了可以一次曝光而获得多种偏振角度的偏振相机，在偏振态调制上所耗费的时间也几乎为0；(3)非接触无损测量：本发明采用光学的成像方法不需要对待测微结构进行表面处理，不会对待测样品造成损害，不会影响待测样品的应力状态；(4)分辨率高：本发明利用偏振参数成像，通过计算多幅不同偏振状态的图像，对点扩散函数进行瘦身，从而绕开了衍射极限，可以获得高分辨率的假彩色图像；(5)全场测量：本发明在光线照射待测样品前先经过了扩束镜扩束，可以保证光线覆盖满足测量尺寸的待测微结构，并且负责图像采集的偏振相机最小像素尺寸可达3.45微米，可以使得全场测量下还能够获得高精度的结果。
附图说明
图1为本发明多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统光路示意图。
图2为本发明多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统中的温度加载装置示意图。
图3为本发明多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统中的静力加载装置示意图。
图4为本发明多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统的整体示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种多物理场载荷下微结构力学行为偏振参数成像系统，由成像光路、温度加载装置和静力加载装置组成。
所述成像光路置于隔振台上，用于采集不同偏振角度的光强图像以及对这些图像进行后续图像处理，包括依次设置的激光光源1、扩束镜2、起偏器3、1/4波片4、待测微结构5、第一透镜6、第二透镜7、偏振相机8，以及计算机9组成，其中待测微结构5放置在1/4波片4与第一透镜6之间。
所述激光光源1采用连续激光器，适用于对待测微结构所施加的载荷为准静态载荷的情况，其中激光光源的波长为532nm。
本实施例中待测微结构5的材料为石英玻璃，形状为长方体，具有暂时双折射效应，受载前石英玻璃微结构内部不存在应力，因此石英玻璃内部各处的折射率均匀一致，表现出光学各向同性，而在温度载荷与静力载荷的共同作用下，石英玻璃内部出现机械应力与热应力，因此石英玻璃内部各处的折射率发生变化，表现出光学各向异性，利用这种双折射效应，对透过受载石英玻璃微结构的光线进行成像，所得到的图像就会包含结构内部的应力信息。
所述偏振相机8可以同时并多次采集带有0°、45°、90°、135°偏振信息的图像。
参考图2，温度加载装置采用高温陶瓷加热片10作为温控元件，直流稳压电压源11作为激励源，数显式微型温度传感器12作为温度信号采集装置，可以实现对待测微结构的表面进行加热和恒温控制，控温最高温度为130℃，可直接设置、监测温度，其中高温陶瓷加热片10的上表面与待测微结构的下表面相接触，而高温陶瓷加热片10的下表面与数显式微型温度传感器12的热电耦电极相接触，在数显面板上可以实时看到高温陶瓷表面的温度数值，从而确定对待测微结构5下表面所施加的温度载荷的数值大小。
参考图3，静力加载装置由三维载物平台13与数显式推拉力计14组成，两者共同被固定在隔振平台上，待测微结构5则置于三维载物平台13上，三维载物平台13可以通过X、Y、Z三个方向的旋钮来手动调节载物平台的位置从而使光线照射待测微结构5后能够更好地成像，数显式推拉力计14设置三维载物平台13上，在数显式推拉力计14的探测头与待测微结构5上表面相接触，对待测微结构5向下施加静力载荷操作，其中数显式推拉力计14的分辨率为0.01N。
参考图4，一种多物理场载荷作用下的微结构力学行为成像系统整体示意图如图所示。所述偏振相机8将采集到的不同方向偏振的光强图像传输至计算机9，计算机9对图像进行处理，得到S0、S1、S2、S3、δ、六个偏振参数的图像，具体过程如下：
将采集到的不同方向偏振的光强图像进行Stokes参数图像处理：
式中I(0°)、I(90°)、I(45°)、I(135°)为偏振相机采集到的不同偏振角度的光强图像，IRCP为右旋圆偏振光的强度图像，ILCP为左旋圆偏振光的强度图像；S0、S1、S2和S3为输出偏振场的观测值，其中S0为光束的总强度，S1为线水平偏振光与线垂直偏振光的强度差，S2为线垂直偏振+45°偏振光分量与线垂直偏振-45°偏振光分量的强度差，S3为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的强度差；δ是水平方向偏振光和垂直方向偏振光的相位差；Eox和Eoy分别是沿X轴和Y轴输出光的振幅。
基于以上定义，相位差δ可以通过Stokes参量给出，公式为：
椭圆偏振光的方位角可以通过椭圆角公式给出，公式为：
经过上述公式对图像进行处理后，能够得到S0、S1、S2、S3、δ、六个偏振参数的图像，六幅图像能从六种不同的角度反映出受载微结构的力学行为信息，综合分析后便能得到较为全面的受载微结构力学行为信息。
基于上述多物理场载荷作用下的微结构力学行为成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、调试光路：打开激光光源与偏振相机，调整各光学器件之间的距离，直到偏振相机采集到的图像能够在计算机上清晰地显示，其中要保证调整后第一透镜与待测微结构的距离为1倍的透镜焦距，第一透镜与第二透镜的距离为2倍的透镜焦距，第二透镜与偏振相机的距离为1倍的透镜焦距，调试成功后关闭激光光源与偏振相机。
步骤2、布置温度加载装置与静力加载装置：将待测微结构置于静力加载装置的三维移动平台上，并将它们置于1/4波片与第一透镜之间，通过三维载物平台X、Y、Z三个方向的旋钮来手动调节载物平台上待测微结构的位置，确保待测微结构可以被经扩束镜扩束后的光线完全覆盖。将温度加载装置的高温陶瓷加热片上表面与待测微结构下表面相接触，而高温陶瓷加热片下表面与数显式微型温度传感器的热电耦电极相接触。最后将静力加载装置的数显式推拉力计的探测头与待测微结构上表面相接触。
步骤3、施加载荷与图像采集：通过温度加载装置对待测微结构下表面进行加热操作，同时通过静力加载装置对待测微结构上表面进行压力加载操作，同时打开激光光源与偏振相机，计算机得到由偏振相机采集的受载状态下的待测微结构多幅不同方向偏振的光强图像，其中所采集的光强图像包含待测微结构受载后的应力分布信息，不同载荷下得到的同一个偏振角度的光强图像不同，同一载荷下得到的不同偏振角度的光强图像也不同。
步骤4、图像处理：将步骤3中采集到的不同方向偏振的光强图像进行Stokes参数图像处理，得到S0、S1、S2、S3、δ、六个偏振参数的图像，所采用的公式为：
式中I(0°)、I(90°)、I(45°)、I(135°)为偏振相机采集到的不同偏振角度的光强图像，IRCP为右旋圆偏振光的强度图像，ILCP为左旋圆偏振光的强度图像；S0、S1、S2和S3为输出偏振场的观测值，其中S0为光束的总强度，S1为线水平偏振光与线垂直偏振光的强度差，S2为线垂直偏振+45°偏振光分量与线垂直偏振-45°偏振光分量的强度差，S3为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的强度差；δ是水平方向偏振光和垂直方向偏振光的相位差；Eox和Eoy分别是沿X轴和Y轴输出光的振幅。
基于以上定义，相位差δ可以通过Stokes参量给出，公式为：
椭圆偏振光的方位角可以通过椭圆角公式给出，公式为：
经过上述公式对图像进行处理后，能够得到S0、S1、S2、S3、δ、六个偏振参数的图像，六幅图像能从六种不同的角度反映出受载微结构的力学行为信息，综合分析后便能得到较为全面的受载微结构力学行为信息。
本发明利用光波的偏振参数图像对受载状态下的微结构进行力学行为分析，其中光波偏振参数图像是指通过对采集到的不同偏振角度的光强图像进行图像处理后，得到的相位差图像、相位角图像、Stokes参数图像，不同的偏振参数图像能从不同角度反映出结构的力学行为信息。多物理场载荷作用下的微结构力学行为成像系统的优势在于光路搭建和调试十分简单便捷，且不易受外界环境干扰，成像效率和分辨率高，能够做到全场非接触无损测量。