摘 要：為了對徽機電系統(tǒng)(MEMS)的機械動態(tài)性能進(jìn)行測試，結(jié)臺自動調(diào)焦、機器顯徽視覺和頻閃照明成像等多項技術(shù)，設(shè)計了基于自動調(diào)焦顯微視覺的MEMS動態(tài)測試系統(tǒng)，可進(jìn)行MEMS平面運動和離面運動的測量。該文介紹了系統(tǒng)的設(shè)計組成和關(guān)鍵技術(shù)，并針對系統(tǒng)做了驗證性實驗。實驗結(jié)果表明，平面亞像素位移算法的匹配精度可達(dá)l／50個像素，在系統(tǒng)25倍的放大倍率下，平面剛體運動測量分辨率達(dá)到7．2 nm8．3 nm；自動調(diào)焦過程迅速，焦平面定位精確，離面運動測量分辨率達(dá)到0．1μm。
關(guān)鍵詞：微機電系統(tǒng)(MEMS);顯微視覺;自動調(diào)焦;頻閃成像;亞像素算法

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

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

本文基于自動調(diào)焦顯微視覺的MEMS動態(tài)測試系統(tǒng)，通過采集MEMS器件顯微視覺圖像，利用平面亞像素運動位移算法和焦平面的定位，實現(xiàn)對被測MEMS器件平面和離面運動的測試。本文將介紹基于自動調(diào)焦顯微視覺的MEMS動態(tài)測試系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵的測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，并對系統(tǒng)驗證實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計與組成

系統(tǒng)由光學(xué)顯微鏡、自動調(diào)焦系統(tǒng)、三維精密工作臺、MEMS器件激勵、頻閃照明成像系統(tǒng)和計算機控制及集成測試軟件組成，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

整個系統(tǒng)放置在氣浮隔振臺上，以隔絕外界振動對測試的干擾。在平面運動測量時，MEMS器件置于三維精密工作臺上，通過計算機控制步進(jìn)電機進(jìn)行自動調(diào)焦，使得被測MEMS器件成像于焦平面附近，此時CCD攝像機就獲取了MEMS器件經(jīng)顯微鏡放大后清晰的視覺圖像。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。同時模擬輸出卡輸出同頻的脈沖信號驅(qū)動頻閃光源，利用頻閃成像技術(shù)拍攝MEMS器件在高頻運動下“凍結(jié)”的圖像。通過調(diào)整頻閃驅(qū)動信號和MEMS器件激勵信號之間的相差，可拍攝運動周期內(nèi)不同時刻不同位置的圖像。對采集的圖．像使用亞像素運動位移算法計算不同時刻的相對位移，即可獲得被測MEMS器件在運動周期內(nèi)不同時刻的平面位移。在離面運動測量中，利用三維精密工作臺的z向移動實現(xiàn)自動調(diào)焦，對MEMS器件運動周期內(nèi)每一時刻的焦平面位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，焦平面之間的位置差即為不同時刻MEMS器件離面運動相對位移。通過對平面運動和離面運動的描述,最終可獲取被測MEMS器件三維的機械動態(tài)特性參數(shù)。

MEMS動態(tài)測試系統(tǒng)是一個典型的光機電集成系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)的靈活性和擴充性，滿足自動化測試的要求，總體上采用虛擬儀器結(jié)構(gòu)，采用LABVIEW來架構(gòu)軟件平臺。軟件平臺的主要功能為：設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)(激勵頻率、輸出相移、同步參數(shù)等)、實現(xiàn)自動調(diào)焦、采集MEMS器件圖像、對圖像進(jìn)行預(yù)處理(去噪，校正)、圖像分析處理獲取三維運動特性、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(shù)據(jù)處理算法

2．1 頻閃成像原理

在MEMS動態(tài)測試過程中，由于MEMS器件的運動頻率都比較高，一般在1 kHz到l MHz之間。在本系統(tǒng)中引入頻閃成像技術(shù)以實現(xiàn)測試目的。

頻閃成像技術(shù)是在一定頻率快速閃動的光源照明下觀測高速旋轉(zhuǎn)或運動的物體，當(dāng)頻閃光源的閃動頻率嚴(yán)格與被測物體的轉(zhuǎn)動或運動速度相等或者是其整數(shù)倍時，所看到物體是相對靜止的。這種視覺暫留現(xiàn)象，稱為“頻閃效應(yīng)”。頻閃效應(yīng)能夠直接觀測高速運動物體的運行狀況，使一些不可見的現(xiàn)象“可見”。

圖2所示為頻閃成像原理在本系統(tǒng)中的應(yīng)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(qū)動頻閃光源，這樣在CCD攝像機的曝光時間里，器件被照明的時間非常短，剩下的絕大部分時間器件沒有光源照明，處于暗場狀態(tài)，攝像機的感光面只在光照的那段時間內(nèi)產(chǎn)生光積分。當(dāng)照明時間足夠短時，可以認(rèn)為拍攝到的是MEMS器件在這段時間內(nèi)被“凍結(jié)”的圖像，運動位移限制在很小的范圍內(nèi)，甚至認(rèn)為基本沒有運動，得到器件高速運動中某個相位上的圖像。通過調(diào)整頻閃光源驅(qū)動信號和MEMS器件激勵信號之間的相差，即可獲得被測MEMS器件在每個運動位置上的圖像。根據(jù)其原理，頻閃成像需要MEMS器件作周期運動或可重復(fù)的瞬時運動；并且為了準(zhǔn)確描述器件的運動，需要精密控制MEMS激勵信號和頻閃驅(qū)動信號之間的同步和相移。

2.2 平面運動位移算法

為了從MEMS器件視覺圖像中估計平面剛體運動，需要利用一定的數(shù)字圖像處理技術(shù)來提取其運動位移。在實際應(yīng)用中，整像素的位移是很容易獲得的。但是實際的位移值一般不恰好為整像素，為提高數(shù)字圖像相關(guān)方法的測量精度，在本系統(tǒng)中，使用數(shù)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(shù)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。

數(shù)字圖像相關(guān)是對運動序列圖像做相關(guān)求運動位移的方法。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)周圍設(shè)定的計算窗口中移動，并按一定的相關(guān)函數(shù)與模板所覆蓋的區(qū)域計算相關(guān)系數(shù)，尋找與模板匹配后相關(guān)系數(shù)值最大的位置。在這里選用效果較好的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差相關(guān)函數(shù)，