CN102721526B - 一种轴向运动电热式微镜的自动测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种轴向运动电热式微镜的自动测试系统，包括测试光学系统和自动测试控制电路系统。一种轴向运动电热式微镜的自动测试方法，包括电热式微镜轴向位移与所加电压关系的测试和电热式微镜系统参数的标定方法。本发明首次将干涉方法使用在一维轴向运动电热式微镜的性能测试上；方法简单容易重复实现，可用于其他种轴向位移的微镜测试上；成本低，容易实现；光路元件较少，实现简单，实用性强，一次标定参数后，可针对同一版微镜使用；外围控制电路简单，容易重复实现；通过电脑与电路系统的通信，将数据上传至电脑软件进行计算，可自动输出采集计算后的数据及相关特征曲线。

Description

一种轴向运动电热式微镜的自动测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种轴向运动电热式微镜的自动测试系统及测试方法，属于针对微机电系统的光学及电子电路设计领域。

背景技术

微机电系统（Micro-electro-mechanical systems,简称MEMS)是利用微加工技术制造出来的三维装置，至少包括一个可运动结构满足某种机械作用。MEMS器件由于借鉴了集成电路的工艺因此应用于很多不同的领域。本世纪越来越多的传感器和执行器都倾向于采用MEMS技术，其中微机电系统微镜就是其中一个绝佳的例证。微机电系统驱动结构产生的力很小，但足以驱动镜面使其发生偏转。在众多MEMS微镜中电热式微镜是一款依靠热形变使镜子偏转的微机电系统。电热式微镜系统主要包括镜面、支撑臂和驱动臂三个部分，其中驱动臂就是依靠电热效应产生形变驱动镜子偏转。如图1所示一维MEMS微镜具有两个完全相同的驱动臂2，同时加载相同的信号，微镜镜面1就会发生轴向的位移运动。

一维电热式微镜性能测试是一个十分重要的过程，需要利用外部光路及电路系统衡量系统本身的属性。其中微镜轴向位移与所加电压之间的关系，微镜晃动位移与加载电压的关系、微镜的延时特性及工作极限频率是一维电热式微镜的几个基本特性。电热式微镜轴向运动控制技术，应用于微型光谱检测技术中可以用于鉴定样品的成分构成，可应用于食品安全检测、医药，防恐，环境监测，工业检测等领域，与光学元件配合还可以作为变焦的透镜使用，应用范围十分广泛。

虽然在MEMS微镜领域已经有一些较为成熟的测试方案，但是尚未有针对一维轴向运动的电热式微镜的自动测试方案，尤其是低成本，实现简单，可靠性较高的测试方案。

发明内容

本发明目的在于提供一种低成本，实现简单，可靠性较高的轴向运动电热式微镜的自动测试系统及测试方法。文中PD为光电转换器，PSD为位置敏感传感器，下述均采用英文缩写。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种轴向运动电热式微镜的自动测试系统，其特征在于：其包括测试光学系统和自动测试控制电路系统；

所述测试光学系统包括激光光源、第一分光镜、第二分光镜、参考镜、轴向运动电热式微镜装置、PD和PSD；激光光源经过第一分光镜后分为两束激光，一束打到电热式微镜装置上，一束打到参考镜上；第一分光镜出射后到微镜的距离和到参考镜的距离大致相等；两束光分别再反射回第一分光镜并汇聚到第二分光镜上，第二分光镜将干涉光分成两束，一束打在PSD上，一束打在PD上；

所述自动测试控制电路系统包括中央处理器，输出数模转换模块，信号整形模块，信号采集模块和安全保护模块；中央处理器是程序运算的中心，数模转换模块是将中央处理器的数字信号转换成模拟电压信号，模拟电压信号经过信号整形模块得到设定的驱动微镜的信号加载到微镜上；微镜轴向位移导致干涉条纹的明暗变化，PD及PSD光电转换后输出相应的电压值，将信息通过信号采集模块采集到中央处理器内部，中央处理器通过将采集到的数据发送到上位机软件上进行下一步处理；安全保护模块主要避免系统上电瞬间及工作中瞬时大电压对微镜的冲击。

一种轴向运动电热式微镜的自动测试方法，包括下述步骤：

（1）在搭建好的测试光学系统中，调整微镜与参考镜的角度使参考镜反射的光和微镜反射的光在分光镜处汇聚后发生干涉，出现干涉条纹；

（2）首先调整参考镜和微镜的角度，使在PSD处观察到的干涉条纹密度最小化；然后利用电热式微镜的电热特性，在电热式微镜的驱动臂上加载不同的峰峰值电压的三角波信号，范围根据待测微镜的特性而定，等间隔取N个峰峰值；电热式微镜在不同电压的驱动下轴向运动到不同的位置，从而通过步骤（1）所述光学系统形成干涉条纹，这些干涉条纹打在PD上后，通过采集系统将信号采集到计算机中，记录光电转换后信号峰值的个数，存储微镜位移与加载电压的数据值，系统将记录的数据自动拟合出电压值与微镜轴向位移的关系曲线，同时标定出微镜工作的电压线性区，每个轴向位移对应的电压值；另外，PSD记录的干涉光斑中心在轴向运动过程中的变化量；微镜的晃动可通过计算每个二维干涉图的亮度中心的偏移来得到；根据PSD输出的坐标值的变化来标定此参数；存储并记录偏移量的数据，拟合出不同电压下干涉光斑的偏移量与驱动电压的关系；

（3）给微镜的一个驱动臂上加载固定幅值的三角波，改变三角波的频率，观察PSD输出的信号，采集并存储PSD输出的信号波形和加载电压波形，记录驱动信号与PSD输出信号之间的相位差，通过计算转换为微镜在不同频率下的响应延时时间；与此同时记录PD采集信号的幅值，当PD信号幅值衰减到0时，读取加载信号的频率，此频率即为微镜的极限工作频率。

本发明方法具有以下优点：

1.首次使用干涉的方法在一维轴向运动的电热式微镜的性能测试上。

2.方法简单容易重复实现，可用于其他种轴向位移的微镜测试上。

3.成本低，容易实现。

4.光路元件较少，实现简单，实用性强，一次标定参数后，可针对同一版微镜使用。

5.外围控制电路简单，容易重复实现。

6.通过电脑与电路系统的通信，将数据上传至电脑软件进行计算，可自动测出微镜的几种特性。

附图说明

图1为本发明电热式微镜示意图；

图2本发明光路结构和电路结构示意图；

图3干涉条纹与输出波形关系图

图4光程差变化示意图

图5延时特性示意图

图6光斑中心偏移计算原理图

图中，1、微镜镜面；2、驱动臂；3、中央处理器；4、电源模块；5、数模转换器；6、信号处理模块；7、通信模块；8、信号采集模块；9、轴向运动电热式微镜；10、安全保护模块；11、激光光源；12、第一分光镜；13、透镜；14、PSD；15、参考镜；16、第二分光镜；17、PD。

具体实施方式

如图2所示一种轴向运动电热式微镜的自动测试系统，其包括测试光学系统和自动测试控制电路系统.

所述测试光学系统包括激光光源11、第一分光镜12、第二分光镜16、参考镜15、轴向运动电热式微镜9、PD17和PSD14；激光光源11经过第一分光镜12后分为两束激光，一束打到轴向运动电热式微镜9上，一束打到参考镜15上；第一分光镜12出射后到轴向运动电热式微镜9的距离和到参考镜15的距离大致相等；两束光分别再反射回第一分光镜12并汇聚到第二分光镜16上，第二分光镜16将干涉光分成两束，一束打在PSD14上，一束打在PD17上；

所述自动测试控制电路系统包括中央处理器3，输出数模转换模块5，信号整形模块6，信号采集模块8和安全保护模块10；中央处理器3是程序运算的中心，数模转换模块5是将中央处理器3的数字信号转换成模拟电压信号，模拟电压信号经过信号整形模块6得到设定的驱动微镜的信号加载到轴向运动电热式微镜9上；微镜轴向位移导致干涉条纹的明暗变化，PD17及PSD14光电转换后输出相应的电压值，将信息通过信号采集模块8采集到中央处理器3内部，中央处理器3通过将采集到的数据发送到上位机软件上进行下一步处理；安全保护模块10主要避免系统上电瞬间及工作中瞬时大电压对微镜的冲击。

一种轴向运动电热式微镜的自动测试方法，包括下述步骤：

（1）在搭建好的测试光学系统中，调整微镜与参考镜的角度使参考镜反射的光和微镜反射的光在分光镜处汇聚后发生干涉，出现干涉条纹；

（2）电热式微镜轴向位移与所加电压关系的测试：

利用电热式微镜的电热特性，在电热式微镜的驱动臂上加载不同峰峰值的三角波电压信号，等间隔取N个值；电热式微镜在不同电压的驱动下轴向运动到不同的位置，激光光源产生准直光经过透镜13整形后，经过干涉系统干涉条纹打在PSD和PD上，PD输出的信号是用于标定轴向位移与加载电压幅值的关系，PSD是用于标定干涉光斑偏移量与所加电压的关系；电热式微镜加载不同的电压，PD记录下干涉条纹的个数通过软件算法将干涉条纹的个数计算并统计出来，另外在记录干涉条纹的过程中，PSD记录干涉光斑中心的偏移量，通过软件算法计算出不同驱动电压下的微镜晃动位移量。最终拟合出微镜轴向运动位移与所加电压的关系曲线和光斑偏移量与加载电压的关系曲线。

（3）电热式微镜系统参数的标定方法：

标定的系统参数有电热式微镜的轴向位移与所加电压的关系、干涉光斑偏移量与加载电压的关系、延时特性和极限工作频率；激光进入干涉系统后，干涉条纹打在PSD中心位置，此时给微镜加载峰峰值步进的三角波信号，系统自动记录PD采集到的干涉信号的条纹个数，通过软件计算后拟合出相应曲线。去除光源透镜13，微镜单边驱动脚加载固定峰峰值的三角波，改变三角波的频率，采集并存储PSD输出的信号观察驱动信号与PSD输出信号的相位差，通过系统软件计算出相应频率下的微镜响应时间，当PSD输出的信号幅值衰减到0，读取该驱动信号的频率，此频率即为微镜的极限工作频率。

如图1所示电热式MEMS微镜包括微镜镜面1和驱动臂2，驱动臂2采用双金属材料制作，由于电热效应，不同材料的膨胀系数不同，在微镜的驱动臂2上就会发生形变，产生应力，以此来驱动微镜镜面1的移动。一维轴向运动的微镜上有两个完全相同的驱动臂2，当两个驱动臂2加载电压时，驱动臂2受热产生形变带动微镜镜面1发生轴向位移，当加载连续的信号时，微镜镜面1发生轴向的连续运动。当微镜的两个驱动臂2连接到信号整形模块输出接口上时，驱动电路输出电压范围在0-4V之间，峰峰值步进40mV的三角波驱动电压，读取不同峰峰值电压下PSD输出的信号峰值个数n，根据干涉条件的公式，当δ＝nλ（n为整数），两束光L1和L2会发生干涉，δ为微镜的轴向位移，λ为激光的波长，如图4所示。得出n的值即可计算出微镜轴向位移量。n的值与加载电压V之间的关系可建立，δ与V之间的关系即可建立。

图3表示的为干涉光斑变化过程中对应的信号变化，干涉光斑中心的明暗变化次数即为检测到的波形的峰值个数n，根据n的数值即可计算出实际微镜轴向位移的大小。

干涉光斑的偏移量计算，首先记录干涉光斑初始中心位置坐标（Vx0,Vy0），当加载不同幅值的驱动电压后，干涉光斑的中心发生偏移，PSD记录坐标为（Vx1,Vy1）。PSD的感光面积为边长为amm的正方形，电压输出范围为-Vo～+Vo。每毫米的电压变化量ΔV=2Vo/a，记录存储下PSD输出信号的直流电压值Vx和Vy，则有X方向和Y方向的实际位移变化量Δax=Vx/ΔV，Δay=Vy/ΔV，即可得到干涉光斑中心实际的偏移量的值，根据微镜镜面到PSD接收面直接的距离L可以计算得出微镜在Y方向偏移的角度θ＝arctan(Δl/L)，如图6所示。由于在不同电压驱动下干涉光斑中心的偏移量不等，由此即可建立起干涉光斑中心偏移量（或微镜偏转角度）与所加三角波信号电压之间的关系曲线。

由于微镜采用电热式驱动，驱动结构的热量上升时间与所加信号上升时间存在延迟，即微镜的延时特性。延时特性与所加信号的频率有关，信号频率越高，延时特性越明显。当信号频率达到一定值，微镜驱动臂散热时间慢于加热时间，驱动臂来不及响应，无法产生相应的形变，微镜不在做相应运动，此频率即是微镜的工作极限频率。其响应曲线如图5所示图中t0为所加驱动信号的响应时间，t1为微镜驱动臂的响应时间，中间时间差即为延时时间。给微镜单边加载三角波信号或正弦信号，系统自动记录加载信号与PSD输出信号之间的相位差，将其转换到时间单位上即为延时时间。当输出的波形信号幅值逐渐衰减到0时，记录此时的频率值即为工作的极限频率。

Claims (2)

1.一种轴向运动电热式微镜的自动测试系统，其特征在于：其包括测试光学系统和自动测试控制电路系统；

所述测试光学系统包括激光光源、第一分光镜、第二分光镜、参考镜、轴向运动电热式微镜装置、光电转换器PD和位置敏感传感器PSD；激光光源经过第一分光镜后分为两束激光，一束打到电热式微镜装置上，一束打到参考镜上；第一分光镜出射后到微镜的距离和到参考镜的距离大致相等；两束光分别再反射回第一分光镜并汇聚到第二分光镜上，第二分光镜将干涉光分成两束，一束打在位置敏感传感器PSD上，一束打在光电转换器PD上；

所述自动测试控制电路系统包括中央处理器，输出数模转换模块，信号整形模块，信号采集模块和安全保护模块；中央处理器是程序运算的中心，数模转换模块是将中央处理器的数字信号转换成模拟电压信号，模拟电压信号经过信号整形模块得到设定的驱动微镜的信号加载到微镜上；微镜轴向位移导致干涉条纹的明暗变化， 光电转换器PD及位置敏感传感器PSD光电转换后输出相应的电压值，将信息通过信号采集模块采集到中央处理器内部，中央处理器通过将采集到的数据发送到上位机软件上进行下一步处理；安全保护模块主要避免系统上电瞬间及工作中瞬时大电压对微镜的冲击。

2.一种基于权利要求1所述轴向运动电热式微镜的自动测试系统的轴向运动电热式微镜的自动测试方法，包括下述步骤：

（1）在搭建好的测试光学系统中，调整微镜与参考镜的角度使参考镜反射的光和微镜反射的光在分光镜处汇聚后发生干涉，出现干涉条纹；

（2）首先调整参考镜和微镜的角度，使在位置敏感传感器PSD处观察到的干涉条纹密度最小化；然后利用电热式微镜的电热特性，在电热式微镜的驱动臂上加载不同的峰峰值电压的三角波信号，等间隔取N个峰峰值；电热式微镜在不同电压的驱动下轴向运动到不同的位置，从而通过步骤（1）所述光学系统形成干涉条纹，这些干涉条纹打在光电转换器PD上后，通过采集系统将信号采集到计算机中，记录光电转换后信号峰值的个数，存储微镜位移与加载电压的数据值，系统将记录的数据自动拟合出电压值与微镜轴向位移的关系曲线，同时标定出微镜工作的电压线性区，每个轴向位移对应的电压值；另外，位置敏感传感器PSD记录的干涉光斑中心在轴向运动过程中的变化量；微镜的晃动可通过计算每个二维干涉图的亮度中心的偏移来得到；根据位置敏感传感器PSD输出的坐标值的变化来标定干涉光斑的偏移量参数；存储并记录干涉光斑的偏移量的数据，拟合出不同电压下干涉光斑的偏移量与驱动电压的关系；

（3）去除光源透镜，给微镜的一个驱动臂上加载固定幅值的三角波，改变三角波的频率，观察位置敏感传感器PSD输出的信号，采集并存储位置敏感传感器PSD输出的信号波形和加载电压波形，记录驱动信号与位置敏感传感器PSD输出信号之间的相位差，通过计算转换为微镜在不同频率下的响应延时时间；与此同时记录光电转换器PD采集信号的幅值，当光电转换器PD信号幅值衰减到0时，读取加载信号的频率，此频率即为微镜的极限工作频率。