CN105910697B - 微扭转镜光电检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微扭转镜光电检测系统及方法，包括固定框，该固定框内设置有微扭转镜和激光器，该微扭转镜和激光器的相对位置固定，在固定框上设置有第一光电探测器，该第一光电探测器设置在微扭转镜的扫描路径内，当激光器出射的激光光线经微扭转镜反射后，扫描经过第一光电探测器时，第一光电探测器捕捉到微扭转镜的位置信号，并借此计算微扭转镜振动的幅值和相位，本发明将光电探测器安装在微扭转镜的正面，且仅设置一个光电探测器，即可同时计算微扭转镜振动的幅值和相位，大大简化了结构，且发明效果并未减少。

Description

微扭转镜光电检测系统及方法

【技术领域】

本发明属于微光机电(MOEMS)领域，具体涉及一种微扭转镜光电检测系统及方法。

【背景技术】

谐振式微扭转镜与传统光束偏转元件相比，具有尺寸小、重量轻、惯性小、功耗低、响应快、易集成等优点，在激光扫描领域有广泛的应用。

谐振式微扭转镜的振动幅值与相位会随驱动电压、环境温度、湿度、大气压力等的变化而变化，为了保证微扭转镜始终可以稳定工作，需要对扫描镜的振动情况进行实时检测。检测方式有利用光电探测器的直接检测法和检测电容、电压等电信号的间接检测法。间接检测，通过检测微扭转镜可动部分和固定部分的电信号变化实现，信号微弱，信噪比低；而光电检测是直接检测，通过检测微扭转镜工作过程中反射光线通过位置已知的高速光电探测器检测微的时间点得到幅值和相位信息，即得到微扭转镜的实时运动情况。

2010年，澳大利亚A.Tortschanoff和M.Lenzhofer等人发表了一篇文章，其采用光电检测的方式计算微扭转镜的振动幅值与相位，这篇文章在微扭转镜的背面另加激光光源，并设置有两个光电检测器，其中，一个光电检测器用于计算振动幅值，另外一个光电检测器用于计算相位。然而，对于这种结构的检测系统而言，其结构非常复杂，也不利于缩小体积以便于集成。

鉴于以上技术问题，实有必要提供一种微扭转镜光电检测方法，以解决以上技术问题。

【发明内容】

本发明提供了一种微扭转镜光电检测系统及方法，采用一个光电探测器，且设置在微扭转镜的正面，简化了系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微扭转镜光电检测系统，包括固定框，该固定框内设置有微扭转镜和激光器，该微扭转镜和激光器的相对位置固定，在所述固定框上设置有第一光电探测器，该第一光电探测器设置在微扭转镜的扫描路径内，当激光器出射的激光光线经微扭转镜反射后，扫描经过第一光电探测器时，第一光电探测器捕捉到微扭转镜的位置信号，并借此计算微扭转镜振动的幅值和相位。

优选地，在所述固定框上设置有透光区，该透光区以外的部分为不透光材质，所述第一光电探测器设置在透光区和不透光区的交界位置。

优选地，所述固定框上进一步设置有用于抵消因封盖在固定框架上的装配及微扭转镜和激光器安装引用起的微扭转镜幅值偏差的第二光电探测器，第一探测器和第二探测器均布置在微扭转镜的扫描路径上。

优选地，所述固定框上进一步设置有用于抵消因封盖在固定框架上的装配、及微扭转镜和激光器安装引起的微扭转镜幅值偏差的第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别设置在透光区和不透光区的交界位置。

优选地，所述固定框在微扭转镜扫描范围之内设置有反射镜，当微扭转镜扫描至该位置时，扫描光线经反射镜反射至光电探测器上。

一种基于上述系统的检测方法，激光器射出的光经微扭转镜反射，扫描经过第一光电探测器时，光电探测器捕捉到微扭转镜的位置信号，然后借此位置信号计算微扭转镜振动的幅值和相位。

优选地，以光电探测器产生的两相邻脉冲信号中首个脉冲信号产生的时刻点为计时起始点，光电探测器产生的两相邻的脉冲信号的时间间隔小于T/2。

优选地，取微扭转镜的一个振动周期T，在t₁时刻和t₂时刻，微扭转镜反射的光线经过光电探测器，此时微扭转镜的位置幅值为d₁，光电探测器感测到微扭转镜反射光扫描经过的信号，微扭转镜振动的幅值A₀为：

其中，Δt＝t₂-t₁；

微扭转镜的初相位为：其中，T_d时刻微扭转镜处于平衡位置，且，

一种上述系统的检测方法，以第一光电探测器或第二光电探测器产生的两相邻脉冲信号中首个脉冲信号产生的时刻点为计时起始点，且第一光电探测器或第二光电探测器产生的两相邻脉冲信号的时间间隔小于T/2；当激光器射出的光经微扭转镜反射，扫描经过第一和第二光电探测器时，光电探测器捕捉到微扭转镜的位置信号，然后借此位置信号计算微扭转镜振动的幅值和相位，具体算法为：取微扭转镜的一个振动周期T，t₁时刻和t₂时刻，微扭转镜反射的光线经过第一光电探测器，此时微扭转镜的位置幅值为d₁，第一光电探测器捕捉到微扭转镜反射光扫描经过的信号，并产生脉冲信号；t₃时刻和t₄时刻，微扭转镜反射的光线经过第二光电探测器，此时微扭转镜的位置幅值为d₂，第二光电探测器捕捉到微扭转镜反射光扫描经过的信号，并产生脉冲信号；考虑装配误差，装配过程中把两高速光电探测器装配到固定框封盖上各自的位置偏差带来的微扭转镜振动幅值偏差为Δ₁和Δ₂，设封盖与固定框之间的装配误差与微扭转镜、激光器装配误差带来的微扭转镜振动幅值总偏差Δ，则

微扭转镜的振动幅值A₀为：其中，Δt₁＝t₂-t₁，Δt₂＝t₄-t₃；

微扭转镜的初相为：其中，T_d时刻微扭转镜处于平衡位置，且

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明将光电探测器安装在微扭转镜的正面，且仅设置一个光电探测器和一个激光器，即可同时计算微扭转镜振动的幅值和相位。大大简化了结构，且发明效果并未减少。

【附图说明】

图1：单高速光电探器微扭转镜光电检测系统示意图；

图2：微扭转镜光电检测信号流程图；

图3：单高速光电探器光电检测系统各部分信号图；

(3-a)微扭转镜的运动图；(3-b)高速光电探测器13的感测信号图；

图4：双高速光电探器微扭转镜光电检测系统示意图；

图5：双高速光电探器光电检测系统各部分信号图；

(5-a)微扭转镜的运动图；(5-b)高速光电探测器13的感测信号图；(5-c)高速光电探测器46的感测信号图；

图6为本发明实施例3的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明做详细阐述：

实施例1

在本实施例中，仅采用一个光电探测器，实现微扭转镜振动幅值和相位的计算。

请参阅图1所示，本发明提出一种基于光电检测技术得到谐振式微扭转镜振动幅值与相位的方法。该系统10主要包括具有透光区12的固定框11、靠近透光区12边缘的固定框内一侧布有一个高速光电探测器13、固定在固定框11内的谐振式微扭转镜14和激光器15。

其中，高速光电探测器13、固定在固定框内的微扭转镜14和激光器15均固定在固定框11上，并保证各组件的定位关系和定位精度，该固定框11透光区12的四周为不透光材质；从激光器15出射的激光光线经微扭转镜14反射后射出，扫描范围为β；高速光电探测器位于β范围内扫描角度为α的边界处(α<β)，并在微扭转镜的扫描路径上，即固定框内部透光区与不透光交界处。具体地说，高速光电探测器13布置在固定框11的边缘，且设置在微扭转镜的扫描范围内，但是高速光电探测器13没有布置在透光区12。

请结合图2和图3所示：当激光器15射出的光经微扭转镜14反射，扫描经过高速光电探测器13时，光电探测器13可感知到微扭转镜的位置信号，控制系统根据时间等因素运算可得到微扭转镜振动的幅值和相位，微扭转镜的运动、光电探测器感知的信号如图3示。

计算原理具体如下：图1中激光器15、微扭转镜14、光电探测器13安装固定在固定框11内，位置明确，均为已知；以光电探测器产生的两相邻(时间间隔小于T/2)脉冲信号中首个脉冲信号产生的时刻点为计时起始点，如图3示，取微扭转镜14的一个振动周期T，t₁时刻和t₂时刻，微扭转镜反射的光线经过光电探测器13，此时微扭转镜的位置幅值为d₁，探测器感测到微扭转镜反射光扫描经过的信号，t₁和t₂时刻的中间时刻微扭转镜达到最大幅值，时刻扫描镜位于初始位置；微扭转镜的振动幅值A₀和初相位的运算如下：

幅值运算：

计时起始点t1时刻：

t2时刻：

即：

如上两式相加得：

故：

初相位：

实施例2

本实施例中一共设置有两个光电探测器，其中，一个光电探测器是用于计算微扭转镜的振动幅值和相位，另外一个光电探测器是用于抵消因封盖在固定框架上的装配、及微扭转镜和激光器安装引起的微扭转镜幅值偏差，下面详细阐述：

系统组成如图4，该系统20主要包括具有透光区12的固定框11、靠近透光区12边缘的固定框11内两侧各布有一个高速光电探测器13和46、固定在固定框11内的谐振式微扭转镜14和激光器15。

其中，高速光电探测器13和46、固定在固定框11内的微扭转镜14和激光器15均固定在固定框11上，并保证各组件的定位关系和定位精度，该固定框11透光区12的四周为不透光材质；从激光器15出射的激光光线经微扭转镜14反射后射出，扫描范围为β；高速光电探测器13和46位于β范围内扫描角度为α的边界处(α<β)，并在微扭转镜的扫描路径上，即固定框内部透光区与不透光交界处。

该实施例区别于实施例1之处在于，增加了第二高速光电探测器46，目的在于可减少由于装配误差带来的振动幅值计算的误差。装配过程中把两高速光电探测器装配到固定框封盖上各自的位置偏差带来的微扭转镜振动幅值偏差为Δ₁和Δ₂，设封盖与固定框之间的装配误差与微扭转镜、激光器装配误差带来的微扭转镜振动幅值总偏差Δ，计算原理同实施例1：如图4示：当激光器射出的光经微扭转镜反射，扫描经过高速光电探测器13和46时，光电探测器可感知到微扭转镜的位置信号，控制系统根据时间等因素运算可得到微扭转镜振动的幅值和相位，微扭转镜的运动、光电探测器感知的信号如图5示。

图4中激光器15、微扭转镜14、光电探测器13和46安装固定在固定框内，位置明确，均为已知；以光电探测器13或46其中一个(此处以光电探测器13为例)产生的两相邻(时间间隔小于T/2)脉冲信号中首个脉冲信号产生的时刻点为计时起始点，如图5示，取微扭转镜的一个振动周期T，t₁时刻和t₂时刻，微扭转镜反射的光线经过光电探测器13，此时微扭转镜的位置幅值为d₁，探测器13感测到微扭转镜反射光扫描经过的信号，并产生脉冲信号；t₃时刻和t₄时刻，微扭转镜反射的光线经过光电探测器46，此时微扭转镜的位置幅值为d₂，探测器46感测到微扭转镜反射光扫描经过的信号，并产生脉冲信号，时刻扫描镜位于初始位置；考虑装配误差，微扭转镜的振动幅值A₀运算原理如下：

对于高速光电探测器13：

t1时间点：

t2时间点：

即：

如上两式相加得：

故：

A₀*cos(πΔt₁/T)＝d₁+Δ₁+Δ

对于高速光电探测器46：

t₃时间点：

t₄时间点：

即：

如上两式相加得：

故：

A₀*cos(πΔt₂/T)＝d₂+Δ₂-Δ

综合高速光电传感器13和46：

从式中可看出，综合考虑高速光电传感器13和46，封盖与固定框之间的装配误差与微扭转镜、激光器装配误差引起的微扭转镜振动幅值总偏差Δ被抵消，减小了幅值计算误差。

实施例3

实施例1中的系统并不仅限于实施例的具体形式，也可稍加变形，如在微扭转镜扫描角度为α的边界处(α<β)，并在1D微扭转镜的扫描路径上设置一反射镜66，当微扭转镜扫描至该处时，扫描光线经反射镜反射至光电探测器13上，如图6，同样可测得微扭转镜的相位和幅值信息，对于幅值和相位的运算原理如实施例1。

Claims (2)

1.一种微扭转镜光电检测系统的检测方法，其特征在于，所述微扭转镜光电检测系统，包括：包括固定框(11)，该固定框(11)内设置有微扭转镜(14)和激光器(15)，该微扭转镜(14)和激光器(15)的相对位置固定，在所述固定框上设置有第一光电探测器(13)，当激光器(15)出射的激光光线经微扭转镜反射后，扫描经过第一光电探测器(13)时，第一光电探测器捕捉到微扭转镜的位置信号，并借此计算微扭转镜振动的幅值和相位；在所述固定框(11)上设置有透光区(12)，该透光区(12)以外的部分为不透光材质，所述第一光电探测器(13)设置在透光区和不透光区的交界位置；固定框(11)上装配有封盖；所述固定框(11)上进一步设置有用于抵消因封盖在固定框上的装配及微扭转镜和激光器的安装所引起的微扭转镜幅值偏差的第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器均布置在微扭转镜的扫描路径上；

所述检测方法，包括以下步骤：

以第一光电探测器或第二光电探测器产生的两相邻脉冲信号中首个脉冲信号产生的时刻点为计时起始点，且第一光电探测器或第二光电探测器产生的两相邻脉冲信号的时间间隔小于T/2；当激光器射出的光经微扭转镜反射，扫描经过第一和第二光电探测器时，光电探测器捕捉到微扭转镜的位置信号，然后借此位置信号计算微扭转镜振动的幅值和相位，具体算法为：取微扭转镜的一个振动周期T，t₁时刻和t₂时刻，微扭转镜反射的光线经过第一光电探测器，此时微扭转镜的位置幅值为d₁，第一光电探测器捕捉到微扭转镜反射光扫描经过的信号，并产生脉冲信号；t₃时刻和t₄时刻，微扭转镜反射的光线经过第二光电探测器，此时微扭转镜的位置幅值为d₂，第二光电探测器捕捉到微扭转镜反射光扫描经过的信号，并产生脉冲信号；考虑装配误差，装配过程中把第一光电探测器和第二光电探测器装配到固定框封盖上各自的位置偏差带来的微扭转镜振动幅值偏差为Δ₁和Δ₂，设封盖与固定框之间的装配误差以及微扭转镜、激光器装配误差带来的微扭转镜振动幅值总偏差为Δ，则

微扭转镜的振动幅值A₀为：其中，Δt₁＝t₂-t₁，Δt₂＝t₄-t₃；微扭转镜的初相位为：其中，T_d时刻微扭转镜处于平衡位置，且

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：第二光电探测器相对于第一光电探测器设置在透光区和不透光区的另一交界位置。