費(fèi)杰

綜合分析計(jì)算及控制的微運(yùn)動(dòng)分析儀，再研究微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的可動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)特性。微機(jī)電系統(tǒng)能夠測(cè)量微小頻率的運(yùn)動(dòng)特性，達(dá)到毫米級(jí)的分辨能力。本文將通過(guò)研究微加工的諧振器運(yùn)動(dòng)特性來(lái)說(shuō)明微運(yùn)動(dòng)分析儀器的相應(yīng)功能。

微機(jī)電系統(tǒng)是在半導(dǎo)體技術(shù)之上發(fā)展過(guò)來(lái)的，所涉及到的設(shè)計(jì)技術(shù)、加工技術(shù)和封裝技術(shù)等均比半導(dǎo)體技術(shù)更為復(fù)雜。美國(guó)實(shí)驗(yàn)室研究表明微機(jī)電系統(tǒng)的可靠性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)主要采用光學(xué)顯微鏡來(lái)詳細(xì)記錄微機(jī)電系統(tǒng)在 不同狀態(tài)之下的運(yùn)動(dòng)狀況，再清楚分析失效模式。除此之外，美國(guó)專(zhuān)家還分析了微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試儀器，將干涉測(cè)量和頻光計(jì)算機(jī)視覺(jué)的相關(guān)測(cè)量融合為一體，將測(cè)試微機(jī)電系統(tǒng)的三維實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加以分析。研究學(xué)者表明，微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力測(cè)試的頻閃微干涉測(cè)試儀最高測(cè)量頻率達(dá)到900KHz以及900KHz以上。

1 微機(jī)電系統(tǒng)的測(cè)量方法

微機(jī)電系統(tǒng)在光學(xué)計(jì)量和圖像計(jì)量基礎(chǔ)之上，提供三維方向的微結(jié)構(gòu)毫米運(yùn)動(dòng)測(cè)量。微機(jī)電系統(tǒng)使用兩種光學(xué)無(wú)損測(cè)量方法：其一，計(jì)算機(jī)微視覺(jué)方法能夠被用于面內(nèi)運(yùn)動(dòng)測(cè)量之中；其二，相移干涉方法被用于離面運(yùn)動(dòng)測(cè)量之中。早期階段中，微機(jī)電系統(tǒng)更為注重設(shè)計(jì)階段和開(kāi)發(fā)階段，現(xiàn)階段更注重降低成本、提高可靠度和準(zhǔn)確度?；诖?，測(cè)試微機(jī)電系統(tǒng)越來(lái)越重要，占成本的三分之一。微運(yùn)動(dòng)分析儀（MMA）則是在光學(xué)和圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行的計(jì)量工具，提供了三維層面的微結(jié)構(gòu)。諸多研究學(xué)者致力于研究微機(jī)電系統(tǒng)光學(xué)測(cè)試技術(shù)，相關(guān)資料研究結(jié)果顯示激光多普勒測(cè)振儀構(gòu)成了力學(xué)特性的測(cè)試系統(tǒng)。

2 微機(jī)電系統(tǒng)的測(cè)量原理

微機(jī)電系統(tǒng)中主要包括以下幾個(gè)系統(tǒng)軟件：其一，數(shù)據(jù)采集；其二，性能高的 成像系統(tǒng)；其三，驅(qū)動(dòng)電路；其四，分析軟件。

MMA是一種高度集中的顯微鏡，能夠充分利用好頻閃技術(shù)來(lái)捕捉快速運(yùn)動(dòng)的物體圖像。在微機(jī)電系統(tǒng)中，充分利用好亮場(chǎng)圖像和干涉場(chǎng)圖像在不同的照明方式基礎(chǔ)之上，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)算法來(lái)量化物體的整體運(yùn)動(dòng)方式。微機(jī)電系統(tǒng)的服務(wù)器是視頻顯微鏡和干涉技術(shù)的互為結(jié)合。但是，想要成功進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)測(cè)量時(shí)要注意好以下幾種條件：其一，照明時(shí)要將被測(cè)問(wèn)題的視頻圖像存在顯著的對(duì)比結(jié)構(gòu)特征；其二，被檢測(cè)物體能夠進(jìn)行周期性的運(yùn)動(dòng)。即使微機(jī)電系統(tǒng)原理上可以用來(lái)測(cè)量非周期運(yùn)動(dòng)，但是由于受到攝像機(jī)幀速率的限制，所以只有10Hz左右。

2.1 充分利用好視頻圖像來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)量

微運(yùn)動(dòng)分析儀（MMA）利用機(jī)器視覺(jué)計(jì)算方法，測(cè)量計(jì)算一系列圖像中感興趣區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，MMA計(jì)算方法屬幾類(lèi)算法的混合，利用了不同圖像之間的亮度、灰度變化，能夠測(cè)量小于1pixel運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精度測(cè)量。由于快速運(yùn)動(dòng)的物體非常模糊，一種觀測(cè)方法是采用頻閃照明來(lái)凍結(jié)快速其外在運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，時(shí)間脈沖照明能夠積極采集好運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡。顯微鏡平面位置的位移，能夠闡釋用不同的圖像測(cè)量不同類(lèi)型的位移會(huì)更好。 MMA光學(xué)模塊能夠提供兩種類(lèi)型的圖像照明：其一是在亮場(chǎng)圖像中，通過(guò)單色非相干光透過(guò)物鏡測(cè)量物體，能夠得到相應(yīng)圖像，顯微鏡能夠清楚顯示到圖像類(lèi)型。光流技術(shù)是用來(lái)描繪圖像之間亮度圖形的被側(cè)運(yùn)動(dòng)，微機(jī)電系統(tǒng)使用的算法為光流算法。光流算法需要滿(mǎn)足以下兩個(gè)假設(shè)：其一，目標(biāo)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)為剛體運(yùn)動(dòng)；其二，恒定的目標(biāo)區(qū)域的亮度。給定目標(biāo)圖像之后，微機(jī)電系統(tǒng)所使用的計(jì)算方法依賴(lài)于相鄰兩個(gè)單幅圖像中像素的亮度變化，還依賴(lài)連續(xù)圖像之間既定的亮度變化，分別亦稱(chēng)為空間梯度和時(shí)間梯度。在亮度的假定條件前提之下，使用2幅圖像之間的空間梯度變化和時(shí)間梯度變化能夠推測(cè)被測(cè)物體之間的運(yùn)動(dòng)狀況。

微機(jī)電系統(tǒng)使用的光流計(jì)算方法，一方面能夠用于離面測(cè)量，又能夠用于面內(nèi)測(cè)量。在離面測(cè)量中，能夠?qū)⒉煌瑘D像序列沿著不同的焦平面以光切處理，基于此，亮度梯度則可以順著光軸的方向采樣，之后相同的方式處理和面內(nèi)序列。

2.2 干涉場(chǎng)圖像

在干涉場(chǎng)圖像中，通過(guò)被測(cè)物體的反射光以及光學(xué)模板內(nèi)參考鏡的反射光疊加形成。干涉場(chǎng)圖像不同于光流技術(shù)，被測(cè)的亮度發(fā)生的變化亦能夠用來(lái)計(jì)算干涉圖像，繼而計(jì)算離面位移。利用亮場(chǎng)圖像，能夠?qū)⒁幌盗械膱D像在物體運(yùn)動(dòng)的特定相位處采集數(shù)據(jù)。但是額外序列改變了參考光路的長(zhǎng)度時(shí)就進(jìn)行采集。完整的圖像數(shù)據(jù)能夠被用來(lái)計(jì)算ROI內(nèi)的每一個(gè)像素的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得出相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.3 量化位移

測(cè)量算法需要一個(gè)比例因子來(lái)能量化面內(nèi)、離面位移的信息。針對(duì)面內(nèi)的測(cè)量和光切，需要一個(gè)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，利用已知間距的刻度線(xiàn)來(lái)標(biāo)定顯微鏡下的像素間距，這樣算法就從pixel逐漸轉(zhuǎn)換成μm。在干涉圖像上，具有一個(gè)更為方便的刻度標(biāo)準(zhǔn)，從而將已知的光源波長(zhǎng)加以量化處理。

2.4 pixel我位移測(cè)量計(jì)算方法

微機(jī)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件是一個(gè)強(qiáng)大的工具，能夠清楚測(cè)量被放大物體之間的物體運(yùn)動(dòng)狀況。單幅度的圖像分辨力在原理上會(huì)受到生成圖像的光波長(zhǎng)限制，加上運(yùn)動(dòng)測(cè)量的分辨能力受到攝像機(jī)的限制，所以需要通過(guò)像素亮度的調(diào)制方法加以測(cè)量處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合分析計(jì)算及控制的微運(yùn)動(dòng)分析儀，再研究微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的可動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)特性。微機(jī)電系統(tǒng)能夠測(cè)量微小頻率的運(yùn)動(dòng)特性，達(dá)到毫米級(jí)的分辨能力。本文將通過(guò) 研究微加工的諧振器運(yùn)動(dòng)特性來(lái)說(shuō)明微運(yùn)動(dòng)分析儀器的相應(yīng)功能。在計(jì)算機(jī)視覺(jué)微機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)之下，通過(guò)圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)能夠獲得結(jié)構(gòu)平面信息。

（作者單位：南通師范高等專(zhuān)科學(xué)校）