基于自動(dòng)調(diào)焦顯微視覺的MEMS運(yùn)動(dòng)測量技術(shù)

　　其中：S(i，j)為選取區(qū)域的光強(qiáng)值矩陣，M、N為矩陣的行和列。求解G(ROI)是對(duì)選取區(qū)域計(jì)算x和y向梯度，并對(duì)其平方相加，這相當(dāng)于增加了高頻分量的權(quán)重。

　　為兼顧調(diào)焦范圍、調(diào)焦準(zhǔn)確性和調(diào)焦速度的要求，本系統(tǒng)采用粗精結(jié)合的調(diào)焦策略。先用步進(jìn)電機(jī)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(tái)的小步距z向移動(dòng)進(jìn)行高精度的定位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的目的。

　　3 系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

　　3．1 平面運(yùn)動(dòng)測量驗(yàn)證

　　本實(shí)驗(yàn)通過測量裝夾在高精度壓電工作臺(tái)上的微加速度計(jì)的微小移動(dòng)來驗(yàn)證平面內(nèi)位移算法的精度。CCD攝像機(jī)選用Sony公司的XC-ST50，像素?cái)?shù)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(shù)為25倍;此時(shí)CCD上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)于視場中336 nm392 nm大小的區(qū)域。三維壓電工作臺(tái)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(fù)定位精度為5 nm，行程為100 μm100μm；由工作臺(tái)定位引起的誤差小于0．015個(gè)像素。圖4為為驗(yàn)結(jié)果。

　　進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)中以10 nm的間隔測試50個(gè)點(diǎn)。通過比較，壓電工作臺(tái)的位移值和亞像素運(yùn)動(dòng)檢測算法計(jì)算得到的位移值在數(shù)值上非常接近，10次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差的均值為0．0213，即測量精度達(dá)到l/50個(gè)像素。根據(jù)本系統(tǒng)中放大后的像素單元尺寸，采用數(shù)字圖像相關(guān)和相關(guān)系數(shù)曲面擬合的方法可以實(shí)現(xiàn)7．2 nm8.3 nm的平面運(yùn)動(dòng)位移測量精度。

　　3．2 離面運(yùn)動(dòng)測量驗(yàn)證

　　對(duì)被測MEMS器件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證調(diào)焦算法和方案的可行性和性能。自動(dòng)調(diào)焦采用粗精結(jié)合的方案；粗調(diào)裝置選用步進(jìn)電機(jī)，其步距角為1．8，驅(qū)動(dòng)器采用20細(xì)分，顯微鏡的粗調(diào)每周36 mm，所以每個(gè)步距為細(xì)調(diào)使用上述PI公司P517．3CL壓電工作臺(tái)的z向移動(dòng)，z向位移分辨率為O．1 nm，全程重復(fù)定位精度為l nm，行程為20μm。同樣使用上述的微加速度計(jì)作為測試器件，先使用步進(jìn)電機(jī)以9 μm的步距進(jìn)行快速搜索，在搜索所得的最佳點(diǎn)附近通過壓電工作臺(tái)z向運(yùn)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(yàn)結(jié)果。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)有較高的重復(fù)精度，調(diào)焦精度可達(dá)0．1 μm。

　　4 結(jié) 論

　　本文介紹了基于自動(dòng)調(diào)焦顯微視覺的MEMS動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵測量技術(shù)。通過結(jié)合頻閃成像、計(jì)算機(jī)視覺和自動(dòng)調(diào)焦等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS器件的運(yùn)動(dòng)測量。并且使用了平面亞像素位移算法和粗精結(jié)合的自動(dòng)調(diào)焦方法，加快測試過程，提高測量精度。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平面亞像素位移算法的匹配精度可達(dá)1／50個(gè)像素，平面運(yùn)動(dòng)測量分辨率達(dá)到7．2 nmx 8．3 nm；自動(dòng)調(diào)焦過程迅速，焦平面定位精確，離面運(yùn)動(dòng)測量分辨率達(dá)到O．1μm。