[发明专利]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

说明书

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。

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；