[发明专利]基于显微视觉的微动平台位移测量方法及系统

说明书

本发明公开基于显微视觉的微动平台位移测量方法及系统，步骤：图像序列采集：通过微视觉系统采集一组图片序列；粗匹配位置获取：利用改进的粒子群优化算法在整个搜索域内快速搜索，获得图像块的粗匹配位置；最佳匹配位置获取：在以粗匹配位置为中心，利用全搜索块匹配算法在小邻域内搜索，获得最佳匹配位置；微动平台位移计算：根据微视觉系统成像模型建立图像雅各比矩阵，将图像空间中最佳匹配位置对应的位移转换为微动平台实际位移。本发明利用改进的粒子群算法和全区域搜索算法相结合，减少了计算资源消耗，实现了快速匹配与位移测量；该方法相对于已有微位移测量技术，测量设备成本低、精度高、可用于测量面内双自由度的微动系统。

技术领域

本发明涉及基于显微视觉的微动平台位移测量方法及系统。

背景技术

现代科学技术正迅速向微小、超精密领域快速发展。微米、纳米技术的兴起，已经引发了制造、信息、材料、生物、医疗和国防等领域的重大变革。同时，微纳技术的发展也对超精密测量技术提出了更高的要求。由于非接触光学测量方法具有测量精度高、响应速度快、测量自由度多等优点从而在微纳领域得到了广泛的应用。目前，国内外的研究主要集中在计算机微视觉测量、频闪显微测量、激光多勒普测量、显微干涉测量等。其中，计算机微视觉测量是利用微视觉系统，通过对微视觉图像中运动矢量的分析，从而判断微动系统中运动部分位移情况，该系统成本较低，可测量自由度较多。但是，显微视觉中图像处理往往采用普通的图像块匹配法或者图像特征匹配估计微动平台位移，因而效率较低，难以满足测量系统的快速响应要求。

发明内容

针对上述现有技术及存在的问题，本发明的目的是提供基于显微视觉的微动平台位移测量方法及系统，可直接应用于微动平台测量，解决当前微纳操控平台测量中的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于显微视觉的微动平台位移测量方法，步骤如下：

步骤(1)：图像序列采集：通过微视觉系统采集一组图像序列；

步骤(2)：粗匹配位置获取：利用改进的粒子群优化算法在整个搜索域内快速搜索，获得图像块的粗匹配位置；

步骤(3)：最佳匹配位置获取：在以粗匹配位置为中心，利用全区域搜索匹配算法在小邻域内搜索，获得最佳匹配位置；

步骤(4)：微动平台位移计算：根据微视觉系统成像模型建立图像雅各比矩阵，将图像空间中最佳匹配位置对应的位移转换为微动平台实际位移。

所述步骤(1)中，微视觉系统，包括：显微镜，所述显微镜顶部安装CCD相机，所述CCD相机与计算机终端连接，所述XY二自由度微动平台固定在显微镜载物台上，所述XY二自由度微动平台通过PZT控制驱动，所述XY二自由度微动平台上表面贴有标记物，标记物表面光滑；同轴光入射至标记物后反射经过显微镜光路在CCD相机靶平面成像，显微镜光轴垂直于标记物上表面，同时，显微镜光轴也垂直于CCD相机靶平面，CCD靶平面平行于标记物上表面。

所述步骤(2)中，粗匹配位置获取包括：

步骤(2-1)：确定图像ROI区域，将ROI区域作为图像块匹配的解空间，ROI区域确定根据XY二自由度微动平台的位行程x_R、显微镜放大倍数k、相机像元尺寸p以及图像块尺寸大小[X,Y]决定，选取的ROI区域尺寸最小为：

步骤(2-2)：选择累计绝对误差(summed absolute difference,SAD)作为匹配准则，累计绝对误差也是粒子群优化算法的目标函数，对每个图像中每个像素点[x+u,y+v]^T，对应的适应值fit为：

其中，x为图像像素点横坐标，y为图像像素点纵坐标，u为图像块横轴方向运动量，v为纵轴方向运动量。