基于相位相关与块匹配的纳米精度微器件平面动态测量

　　1　引　言

　　微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科,它以微电子及机械加工技术为依托,其范围涉及到了微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科[1]。目前国内外对MEMS的研究取得了一定的进展,随着MEMS从研究阶段逐渐步入产业化阶段,它对测试系统的需求越来越迫切,特别是对动态特性的测试技术更为迫切,这是因为MEMS的动态特性决定了MEMS的基本性能,并且能够给MEMS的设计提供重要的反馈参考的缘故。以微谐振器(Micro_resonator)为例,它的谐振频率及品质因数是决定其性能的重要参数,这就需要研究和提出一定的方法来测试这些重要参数,以便更好地推动微机电系统的发展。因此, MEMS动态测试技术近年来得到了国内外许多MEMS研究机构的高度重视。DennisM Freeman等人建立的干涉计算机微视觉系统(ICMV)采用的就量频闪成像和光流梯度的方法来实现MEMS的平面微运动的测量的[2]。ChristianRembe等人建立的测量MEMS动态属性的频闪显微干涉系统(SMIS)[3,4]采用的是频闪图像以及基于最小二乘法的图像相关技术来实现MEMS平面运动的测量的。Bernd Tibken等人基于高速摄影成像技术对MEMS动态特性测试技术进行了研究[5]系统主要测量了频闪成像技术无法实现的非周期或非可重复性的平面微运动[6]。

　　本文基于光学检测技术和机器微视觉技术构建了MEMS动态测试系统,提出了基于相位相关与块匹配相结合的运动检测技术,对MEMS器件的运动图像序列进行了分析与处理,具有快速和纳米精度的特点。

　　2　系统构成

　　MEMS动态测试系统是一个典型的光、机、电、算集成系统,基于机器微视觉技术,充分利用现有的计算机软硬件资源,完成了对不同的MEMS器件的测试。图1为基于机器微视觉的MEMS动态测试系统的总体框图。

　　基于机器微视觉的MEMS动态测试系统主要分为两个部分:一个是硬件平台;另一个是软件平台。硬件平台由计算机、高精度CCD摄像机、显微镜、图像采集卡、高压运放驱动器、频闪照明控制器、多功能数据采集卡和数字测试仪器等组成。

　　整个系统的软件测试平台是基于Windows2000操作系统的,以虚拟仪器LabVIEW为开发平台,大大提高了系统的开发速度。

　　3　基于相位相关与块匹配的微器件平面动态测量

　　3.1　基于相位相关的运动估计

　　基于相位相关的运动估计算法是一种非线性的、基于傅里叶功率谱分析的频域相关技术[7,8]。它是以傅里叶变换为基础的。

　　在相位相关的实施过程中,主要是依赖于功率谱分析来进行相位相关方法计算的。设r(x,y)为参考图像,s(x,y)为仅存位移变化的实测图像,其位移量为(x0,y0),R(u,v)和S(u,v)分别为r(x,y)和s(x,y)的傅里叶变换：