基于自動(dòng)調焦顯微視覺(jué)的MEMS運動(dòng)測量技術(shù)

　　摘 要：為了對徽機電系統(MEMS)的機械動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試，結臺自動(dòng)調焦、機器顯徽視覺(jué)和頻閃照明成像等多項技術(shù)，設計了基于自動(dòng)調焦顯微視覺(jué)的MEMS動(dòng)態(tài)測試系統，可進(jìn)行MEMS平面運動(dòng)和離面運動(dòng)的測量。該文介紹了系統的設計組成和關(guān)鍵技術(shù)，并針對系統做了驗證性實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，平面亞像素位移算法的匹配精度可達l／50個(gè)像素，在系統25倍的放大倍率下，平面剛體運動(dòng)測量分辨率達到7．2 nm8．3 nm；自動(dòng)調焦過(guò)程迅速，焦平面定位精確，離面運動(dòng)測量分辨率達到0．1μm。

　　關(guān)鍵詞：微機電系統(MEMS);顯微視覺(jué);自動(dòng)調焦;頻閃成像;亞像素算法

　　隨著(zhù)微電機系統(MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，對MEMS器件性能的研究，特別是對其機械動(dòng)態(tài)特性的測試，正成為一個(gè)越來(lái)越引人注目的課題。

　　MEMS器件本身的微小尺寸和高頻特性，決定了傳統的壓電、應變等接觸式測量方法無(wú)法勝任測量。而掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等昂貴的微觀(guān)測試設備也無(wú)法實(shí)現動(dòng)態(tài)測試的要求。鑒于MEMS動(dòng)態(tài)特性測試的復雜性和特殊性，開(kāi)發(fā)新型的基于光學(xué)非接觸式測量的儀器也越來(lái)越重要。其中頻閃視覺(jué)測量和頻閃干涉測量代表了目前最先進(jìn)的MEMS動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。美國加州大學(xué)伯克利分校的傳感器和執行器中心開(kāi)發(fā)了頻閃顯微干涉系統，使用頻閃成像和干涉相移的技術(shù)，可實(shí)現納米精度的平面和離面運動(dòng)測量。美國麻省理工學(xué)院同樣開(kāi)發(fā)了基于機器視覺(jué)和干涉測量的測試系統，還研制了計算機微視覺(jué)系統，并對兩者進(jìn)行了比較，其系統能夠測量周期重復運動(dòng)過(guò)程，平面運動(dòng)測量精度優(yōu)于5 nm。國內，天津大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于計算機視覺(jué)的MEMS測試系統，通過(guò)模糊圖像合成等技術(shù)，和引入Mirau干涉儀來(lái)實(shí)現MEMS器件的測量。華中科技大學(xué)機械學(xué)院微系統研究中心開(kāi)發(fā)了MEMS三維靜動(dòng)態(tài)測試系統，集成了頻閃成像和顯微干涉技術(shù)，可進(jìn)行MEMS三維靜動(dòng)態(tài)特性的測量。

　　本文基于自動(dòng)調焦顯微視覺(jué)的MEMS動(dòng)態(tài)測試系統，通過(guò)采集MEMS器件顯微視覺(jué)圖像，利用平面亞像素運動(dòng)位移算法和焦平面的定位，實(shí)現對被測MEMS器件平面和離面運動(dòng)的測試。本文將介紹基于自動(dòng)調焦顯微視覺(jué)的MEMS動(dòng)態(tài)測試系統的系統組成及其關(guān)鍵的測量技術(shù)和數據處理算法，并對系統驗證實(shí)驗的數據進(jìn)行了分析。

　　1 系統設計與組成

　　系統由光學(xué)顯微鏡、自動(dòng)調焦系統、三維精密工作臺、MEMS器件激勵、頻閃照明成像系統和計算機控制及集成測試軟件組成，圖1為系統結構圖。

　　整個(gè)系統放置在氣浮隔振臺上，以隔絕外界振動(dòng)對測試的干擾。在平面運動(dòng)測量時(shí)，MEMS器件置于三維精密工作臺上，通過(guò)計算機控制步進(jìn)電機進(jìn)行自動(dòng)調焦，使得被測MEMS器件成像于焦平面附近，此時(shí)CCD攝像機就獲取了MEMS器件經(jīng)顯微鏡放大后清晰的視覺(jué)圖像。模擬輸出卡輸出的周期信號經(jīng)功率放大后激勵MEMS器件，使其作周期性運動(dòng)。同時(shí)模擬輸出卡輸出同頻的脈沖信號驅動(dòng)頻閃光源，利用頻閃成像技術(shù)拍攝MEMS器件在高頻運動(dòng)下“凍結”的圖像。通過(guò)調整頻閃驅動(dòng)信號和MEMS器件激勵信號之間的相差，可拍攝運動(dòng)周期內不同時(shí)刻不同位置的圖像。對采集的圖．像使用亞像素運動(dòng)位移算法計算不同時(shí)刻的相對位移，即可獲得被測MEMS器件在運動(dòng)周期內不同時(shí)刻的平面位移。在離面運動(dòng)測量中，利用三維精密工作臺的z向移動(dòng)實(shí)現自動(dòng)調焦，對MEMS器件運動(dòng)周期內每一時(shí)刻的焦平面位置進(jìn)行準確定位，焦平面之間的位置差即為不同時(shí)刻MEMS器件離面運動(dòng)相對位移。通過(guò)對平面運動(dòng)和離面運動(dòng)的描述,最終可獲取被測MEMS器件三維的機械動(dòng)態(tài)特性參數。

　　MEMS動(dòng)態(tài)測試系統是一個(gè)典型的光機電集成系統，為保證系統的靈活性和擴充性，滿(mǎn)足自動(dòng)化測試的要求，總體上采用虛擬儀器結構，采用LABVIEW來(lái)架構軟件平臺。軟件平臺的主要功能為：設置系統參數(激勵頻率、輸出相移、同步參數等)、實(shí)現自動(dòng)調焦、采集MEMS器件圖像、對圖像進(jìn)行預處理(去噪，校正)、圖像分析處理獲取三維運動(dòng)特性、誤差分析、生成測試報告和圖形界面顯示。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)與數據處理算法

　　2．1 頻閃成像原理

　　在MEMS動(dòng)態(tài)測試過(guò)程中，由于MEMS器件的運動(dòng)頻率都比較高，一般在1 kHz到l MHz之間。在本系統中引入頻閃成像技術(shù)以實(shí)現測試目的。

　　頻閃成像技術(shù)是在一定頻率快速閃動(dòng)的光源照明下觀(guān)測高速旋轉或運動(dòng)的物體，當頻閃光源的閃動(dòng)頻率嚴格與被測物體的轉動(dòng)或運動(dòng)速度相等或者是其整數倍時(shí)，所看到物體是相對靜止的。這種視覺(jué)暫留現象，稱(chēng)為“頻閃效應”。頻閃效應能夠直接觀(guān)測高速運動(dòng)物體的運行狀況，使一些不可見(jiàn)的現象“可見(jiàn)”。

　　圖2所示為頻閃成像原理在本系統中的應用，即以一定頻率的信號激勵MEMS器件，并使用同頻小占空比脈沖驅動(dòng)頻閃光源，這樣在CCD攝像機的曝光時(shí)間里，器件被照明的時(shí)間非常短，剩下的絕大部分時(shí)間器件沒(méi)有光源照明，處于暗場(chǎng)狀態(tài)，攝像機的感光面只在光照的那段時(shí)間內產(chǎn)生光積分。當照明時(shí)間足夠短時(shí)，可以認為拍攝到的是MEMS器件在這段時(shí)間內被“凍結”的圖像，運動(dòng)位移限制在很小的范圍內，甚至認為基本沒(méi)有運動(dòng)，得到器件高速運動(dòng)中某個(gè)相位上的圖像。通過(guò)調整頻閃光源驅動(dòng)信號和MEMS器件激勵信號之間的相差，即可獲得被測MEMS器件在每個(gè)運動(dòng)位置上的圖像。根據其原理，頻閃成像需要MEMS器件作周期運動(dòng)或可重復的瞬時(shí)運動(dòng)；并且為了準確描述器件的運動(dòng)，需要精密控制MEMS激勵信號和頻閃驅動(dòng)信號之間的同步和相移。

　　2.2 平面運動(dòng)位移算法

　　為了從MEMS器件視覺(jué)圖像中估計平面剛體運動(dòng)，需要利用一定的數字圖像處理技術(shù)來(lái)提取其運動(dòng)位移。在實(shí)際應用中，整像素的位移是很容易獲得的。但是實(shí)際的位移值一般不恰好為整像素，為提高數字圖像相關(guān)方法的測量精度，在本系統中，使用數字圖像相關(guān)求出像素級的位移再對其所得的相關(guān)系數進(jìn)行二次曲面擬合的方法求取亞像素位移，具有抗噪能力強、計算量小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

　　數字圖像相關(guān)是對運動(dòng)序列圖像做相關(guān)求運動(dòng)位移的方法。如圖3所示,在圖像1中選取(MN)大小的模板A，在圖像2上模板位置(x，y)周?chē)O定的計算窗口中移動(dòng)，并按一定的相關(guān)函數與模板所覆蓋的區域計算相關(guān)系數，尋找與模板匹配后相關(guān)系數值最大的位置。在這里選用效果較好的標準化協(xié)方差相關(guān)函數，

　　其取值范圍為[-1，1]。其中：A(m，n)、B(m+i,n+j)分別為圖像1中選取的模板的灰度分布和圖像2上被移動(dòng)的模板所覆蓋到的區域的灰度分布，A、B為其平均灰度值。計算后在圖像2上找到相關(guān)系數R最大的位置(x+dx，y+dy)，所得的dx、dy即為像素級的運動(dòng)位移。

　　對數字圖像相關(guān)獲取的像素級位移再通過(guò)相關(guān)系數曲面擬合的方法來(lái)求取亞像素位移。本文采用如下的二元二次多項式來(lái)擬合相關(guān)函數曲面。對像素級位移搜索到的位置(x+dx，y+dy)及其周?chē)噜彽?個(gè)點(diǎn)用下面的二元二次函數來(lái)表示：

　　這里共有ao，…，a5 6個(gè)待定系數，而33的擬合窗口有9個(gè)方程，因此可以使用最小二乘法來(lái)求解。函數f(x，y)在擬合曲面的極值點(diǎn)應滿(mǎn)足以下方程組：

　　2．3 自動(dòng)調焦

　　對MEMS器件進(jìn)行離面運動(dòng)測試時(shí)，需要在每個(gè)“凍結”的運動(dòng)位置上采用自動(dòng)調焦技術(shù)來(lái)獲取準確的焦平面位置以確定其相對運動(dòng)位移。系統采用基于數字圖像處理的方法進(jìn)行自動(dòng)調焦，對采集到的圖像做去噪濾波的預處理，確定一個(gè)合理可靠的評價(jià)函數，根據該評價(jià)函數判斷試樣是否對焦，并判斷離焦方向，向機電驅動(dòng)系統發(fā)送調焦信號，帶動(dòng)被測MEMS器件運動(dòng)，達到自動(dòng)調焦的目的。

　　基于數