基于自動調焦顯微視覺的MEMS運動測量技術

　　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。先用步進電機進行快速、粗略的焦平面位置搜索，并在搜索到的最佳點附近使用精密工作臺的小步距z向移動進行高精度的定位，實現自動調焦的目的。

　　3 系統驗證實驗

　　3．1 平面運動測量驗證

　　本實驗通過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來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CCD上每個像素對應于視場中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個像素。圖4為為驗結果。

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

　　3．2 離面運動測量驗證

　　對被測MEMS器件進行自動調焦實驗，以驗證調焦算法和方案的可行性和性能。自動調焦采用粗精結合的方案；粗調裝置選用步進電機，其步距角為1．8，驅動器采用20細分，顯微鏡的粗調每周36 mm，所以每個步距為細調使用上述PI公司P517．3CL壓電工作臺的z向移動，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，先使用步進電機以9 μm的步距進行快速搜索，在搜索所得的最佳點附近通過壓電工作臺z向運動，以0．1 μm的步距進行精確的焦平面定位。圖5為一次實驗結果。多次實驗結果表明，本系統的自動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調焦顯微視覺的MEMS動態測試系統的系統組成和關鍵測量技術。通過結合頻閃成像、計算機視覺和自動調焦等技術，可以實現對MEMS器件的運動測量。并且使用了平面亞像素位移算法和粗精結合的自動調焦方法，加快測試過程，提高測量精度。驗證性實驗結果表明，平面亞像素位移算法的匹配精度可達1／50個像素，平面運動測量分辨率達到7．2 nmx 8．3 nm；自動調焦過程迅速，焦平面定位精確，離面運動測量分辨率達到O．1μm。