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

　　其中：S(i，j)為選取區域的光強值矩陣，M、N為矩陣的行和列。求解G(ROI)是對選取區域計算x和y向梯度，并對其平方相加，這相當于增加了高頻分量的權重。

　　為兼顧調焦范圍、調焦準確性和調焦速度的要求，本系統采用粗精結合的調焦策略。先用步進(jìn)電機進(jìn)行快速、粗略的焦平面位置搜索，并在搜索到的最佳點(diǎn)附近使用精密工作臺的小步距z向移動(dòng)進(jìn)行高精度的定位，實(shí)現自動(dòng)調焦的目的。

　　3 系統驗證實(shí)驗

　　3．1 平面運動(dòng)測量驗證

　　本實(shí)驗通過(guò)測量裝夾在高精度壓電工作臺上的微加速度計的微小移動(dòng)來(lái)驗證平面內位移算法的精度。CCD攝像機選用Sony公司的XC-ST50，像素數為768x 494，每個(gè)像素的大小8．4 μm9．8 μm，信噪比60 dB；圖像采集卡選用NI公司的PCI-1409，10位灰度量化；顯微鏡物鏡的放大倍數為25倍;此時(shí)CCD上每個(gè)像素對應于視場(chǎng)中336 nm392 nm大小的區域。三維壓電工作臺選用德國PI公司的P517．3CL，其x、y向的位移分辨率為1 nm，全程重復定位精度為5 nm，行程為100 μm100μm；由工作臺定位引起的誤差小于0．015個(gè)像素。圖4為為驗結果。

　　進(jìn)行10次實(shí)驗，每次實(shí)驗中以10 nm的間隔測試50個(gè)點(diǎn)。通過(guò)比較，壓電工作臺的位移值和亞像素運動(dòng)檢測算法計算得到的位移值在數值上非常接近，10次實(shí)驗的標準差的均值為0．0213，即測量精度達到l/50個(gè)像素。根據本系統中放大后的像素單元尺寸，采用數字圖像相關(guān)和相關(guān)系數曲面擬合的方法可以實(shí)現7．2 nm8.3 nm的平面運動(dòng)位移測量精度。

　　3．2 離面運動(dòng)測量驗證

　　對被測MEMS器件進(jìn)行自動(dòng)調焦實(shí)驗，以驗證調焦算法和方案的可行性和性能。自動(dòng)調焦采用粗精結合的方案；粗調裝置選用步進(jìn)電機，其步距角為1．8，驅動(dòng)器采用20細分，顯微鏡的粗調每周36 mm，所以每個(gè)步距為細調使用上述PI公司P517．3CL壓電工作臺的z向移動(dòng)，z向位移分辨率為O．1 nm，全程重復定位精度為l nm，行程為20μm。同樣使用上述的微加速度計作為測試器件，先使用步進(jìn)電機以9 μm的步距進(jìn)行快速搜索，在搜索所得的最佳點(diǎn)附近通過(guò)壓電工作臺z向運動(dòng)，以0．1 μm的步距進(jìn)行精確的焦平面定位。圖5為一次實(shí)驗結果。多次實(shí)驗結果表明，本系統的自動(dòng)調焦系統有較高的重復精度，調焦精度可達0．1 μm。

　　4 結 論

　　本文介紹了基于自動(dòng)調焦顯微視覺(jué)的MEMS動(dòng)態(tài)測試系統的系統組成和關(guān)鍵測量技術(shù)。通過(guò)結合頻閃成像、計算機視覺(jué)和自動(dòng)調焦等技術(shù)，可以實(shí)現對MEMS器件的運動(dòng)測量。并且使用了平面亞像素位移算法和粗精結合的自動(dòng)調焦方法，加快測試過(guò)程，提高測量精度。驗證性實(shí)驗結果表明，平面亞像素位移算法的匹配精度可達1／50個(gè)像素，平面運動(dòng)測量分辨率達到7．2 nmx 8．3 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O．1μm。