CN106248347A - 一种mems扫描镜性能参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS扫描镜性能参数测量系统及方法，通过探测器在等时间间隔采集扫描镜一个振动周期内的光斑位置信息，根据该光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值，然后根据扫描镜的振动幅度值并结合探测器与扫描镜镜面之间的距离计算得到扫描镜振动的角度值。由此可知，本发明在测量时，只需采集一个扫描周期的多个点即可计算出角度，计算结果不但精度高，且整个过程在毫秒级。

Description

一种MEMS扫描镜性能参数测量系统及方法

【技术领域】

本发明属于光电测量领域，涉及微机电系统(MEMS)技术、光学技术、电子信息技术等，具体涉及一种MEMS扫描镜性能参数测量系统。

【背景技术】

MEMS扫描镜与传统光束偏转元件相比，具有能耗低、微型化、易集成等优点，在消费电子、通信、生物医药、军事国防等领域的应用不断扩展，是光学MEMS领域研究的热点。

MEMS扫描镜在封装后性能参数及可靠性检测对产品的应用至关重要。目前的测试方法主要是人工测量，测量前手工搭建好测试装置，所需数据均由人工测量，测量装置精度又比较差，因此整个过程测量精确度低，速度慢，完全无法满足量产的需求，同时也不利于对其可靠性做出快速的分析。

自动检测技术可避免人工测量中诸多缺陷。自动检测可采用直接检测和间接检测两种方法。直接检测法可利用光电探测器进行检测，间接检测法可通过检测电容、电压等电信号进行检测。间接检测法存在信号微弱，信噪比低等缺点；光电检测可实时检测扫描镜工作过程中反射光线位置信息，从而得到其工作性能参数。

鉴于以上问题，有必要提供一套基于光电检测技术的MEMS扫描镜性能参数自动化测试系统，综合测量扫描镜的性能参数。

【发明内容】

本发明提出一种MEMS扫描镜性能参数测试系统及方法，以克服现在人工测试过程中存在的测试精度低、速度慢、一致性差等缺点，提高测试的效率，保证测试结果的精度，促进MEMS扫描镜的产业化应用。

本发明采用以下技术方案：

一种MEMS扫描镜性能参数测量方法，利用探测器在等时间间隔采集扫描镜一个振动周期内的光斑位置信息，根据该光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值，然后根据扫描镜的振动幅度值并结合探测器与扫描镜镜面之间的距离计算得到扫描镜振动的角度值。

进一步，所述扫描镜随着激励电压的高低周期变化做谐振运动。

进一步，根据光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值的具体方法为：

设采样速率为v，理想正弦信号为：

y(t)＝C₀cos(2πft+θ₀)+D₀＝A₀cos(2πft)+B₀sin(2πft)+D₀

其中，f为正弦信号的频率，t为正弦信号时间，C₀为正弦信号的振幅，D₀为正弦信号偏置，θ₀为正弦信号相位,A₀＝C₀cosθ，B₀＝-C₀sinθ，对此信号进行等间隔采样，采样间隔为Δt，t_i＝i×Δt＝i/v，(i＝1,…,n)，数字角频率ω＝2πf/v，则第i次采样的正弦信号为：

y(i)＝C₀cos(ωi+θ₀)+D₀＝A₀cos(ωi)+B₀sin(ωi)+D₀

其中，ω为信号的数字角频率；

构造矩阵

$\mathrm{\ψ}=\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\ω}\·1)& sin(\mathrm{\ω}\·1)& 1\\ cos(\mathrm{\ω}\·2)& sin(\mathrm{\ω}\·2)& 1\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ cos(\mathrm{\ω}\·n)& sin(\mathrm{\ω}\·n)& 1\end{array}\right]$

$y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \mathrm{...}\\ y_n\end{array}\right];x_0=\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ D\end{array}\right]$

其中，ψ^T为矩阵ψ的转置矩阵，(ψ^Tψ)^-1为矩阵ψ^Tψ的逆矩阵；

x⁰为正弦信号参数矩阵，A为A₀的正弦拟合后相应值，B为B₀的正弦拟合后相应值,D为D₀的正弦拟合后相应值；

则x₀的最小二乘解为：

$\widehat{x_0}={\left({\mathrm{\ψ}}^T\mathrm{\ψ}\right)}^{-1}\left({\mathrm{\ψ}}^{T}y\right)$

扫描镜的幅度值和相位为：

其中，θ为正弦拟合得到的相位值，D为正弦拟合得到的信号偏置值。

进一步，所述扫描镜的振动角度为：

一种MEMS扫描镜性能参数测量系统，包括扫描镜和信号处理模块，所述信号处理模块包括扫描镜驱动模块和检测模块；光线扫描到扫描镜上后，经反射被信号处理模块中的检测模块捕捉到扫描镜在一个振动周期内的光斑位置信息，然后根据该光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值，最后根据扫描镜的振动幅度值并结合探测器与扫描镜镜面之间的距离计算得到扫描镜振动的角度值。

进一步，在入射光线上设置有第一聚焦模块以保证照射在扫描镜上的光斑直径小于扫描镜镜面直径，在反射光线上设置有第二聚焦模块。

进一步，所述扫描镜布置在两个聚焦模块的焦点位置，保证照射在扫描镜上的光斑直径小于扫描镜镜面直径。

进一步，所述扫描镜入射光的入射角在20°-50°，保证入射光线不被干扰，信号处理模块的检测模块可检测到所有反射光线。

进一步，所述检测模块的检测面与扫描镜镜面之间的距离保证扫描镜反射线在整个光电探测器光敏面内，且保证扫描镜在最大振幅时，反射线占满检测模块量程的3/4。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明利用探测器在等时间间隔采集扫描镜一个振动周期内的光斑位置信息，根据该光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值，然后根据扫描镜的振动幅度值并结合探测器与扫描镜镜面之间的距离计算得到扫描镜振动的角度值。由此可知，本发明在测量时，只需采集一个扫描周期的多个点即可计算出角度，计算结果不但精度高，且整个过程在毫秒级。

【附图说明】

图1：测试装置结构图。

图2：入射光路示意图。

图3：MEMS扫描镜驱动原理。

图4：扫描镜工作原理示意图。

图5：反射光路示意图。

图6：实例1系统工作原理图。

其中：1.光源；2.第一聚焦模块；3.MEMS扫描镜测试座；4.第二聚焦模块及探测器；5.信号处理模块；6.反射角；7.入射光线；8.反射光线；9.入射角；10.PSD光敏面；11.第一入射光线；12.第二入射光线；13.扫描镜镜面；14.第一反射光线；15.第二反射光线。

【具体实施方式】

一种MEMS扫描镜性能参数测量系统，参阅图1，本系统基于激光三角法原理，搭建在精密光学平台上。光源1经第一聚焦模块2照射在扫描镜上，驱动扫描镜做正弦振动，第二聚焦模块及探测器4及信号处理模块5放置在扫描镜反射光路上，将捕捉到的光斑位置信息转换为电信号，经相应的信号处理得到扫描镜的特征频率及角度。

参阅图2，所述光源1准直性要高。入射光7经第一聚焦模块2后保证照射在扫描镜上的光斑直径小于扫描镜镜面直径。所述第一聚焦模块2可根据实际情况添加或去除只要保证光源照射的光斑直径小于扫描镜镜面直径即可。

参阅图3，所述MEMS扫描镜在方波电压的驱动下会随着激励电压的高低周期变化做谐振运动。

参阅图4，所述MEMS扫描镜入射光的入射角在20°-50°，保证入射光线不被干扰，光电探测器可检测到所有反射光线。

请继续参阅图1，MEMS扫描镜测试座3固定在三维精确可调的光学平台上，测试座与扫描镜结构匹配，既能固定扫描镜又能保证其正常工作。

信号处理模块可将MEMS扫描镜反射光信号转换为电信号。信号处理模块包括有光电探测器，该光电探测器的光敏面与反射光线垂直。光电探测器与扫描镜镜面之间的距离L要保证扫描镜反射线在整个光电探测器光敏面内，且扫描镜在最大振幅时，反射线占满光敏面量程的3/4左右。

所述信号处理部分分为MEMS扫描镜驱动模块和MEMS扫描镜光学检测模块。

请参阅图6所示，所述MEMS扫描镜驱动模块可根据指令实现扫描镜在不同模式下的驱动，如定频定压驱动、扫频定压驱动(频率可从高扫到低，可从低扫到高)，定频变压驱动，扫频变压驱动(频率可从高扫到低，可从低扫到高)等。

所述MEMS扫描镜检测模块可根据指令实现扫描镜在不同模式下的参数检测，如定频定压角度检测、扫频定压驱动(频率可从高扫到低，可从低扫到高)角度检测，定频变压驱动角度检测，扫频变压驱动(频率可从高扫到低，可从低扫到高)角度检测，特征频率及角度检测，最大角及频率检测等，并可对所有检测值保存及后续分析。

所述MEMS扫描镜角度测量采用三参数正弦拟合算法。通过等时间间隔采样扫描镜一个振动周期内的光斑位置信息，经正弦拟合得到其振动的幅度值，通过幅度值与PSD与扫描镜镜面之间的精确距离L计算出扫描镜振动角度的精确值。其算法如下：

设理想正弦信号为：

y(t)＝C₀cos(2πft+θ₀)+D₀＝A₀cos(2πft)+B₀sin(2πft)+D₀

其中，f为正弦信号的频率，t为正弦信号时间，C₀为正弦信号的振幅，D₀为正弦信号偏置，θ₀为正弦信号相位，A₀＝C₀cosθ，B₀＝-C₀sinθ，

对此信号进行等间隔采样，采集速率v已知，采样间隔为Δt，t_i＝i×Δt＝i/v(i＝1,…,n)，数字角频率ω＝2πf/v。

则第i次采样的正弦信号为：

y(i)＝C₀cos(ωi+θ₀)+D₀＝A₀cos(ωi)+B₀sin(ωi)+D₀

其中，ω为信号的数字角频率。

构造矩阵

$\mathrm{\ψ}=\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\ω}\·1)& sin(\mathrm{\ω}\·1)& 1\\ cos(\mathrm{\ω}\·2)& sin(\mathrm{\ω}\·2)& 1\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ cos(\mathrm{\ω}\·n)& sin(\mathrm{\ω}\·n)& 1\end{array}\right]$

$y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \mathrm{...}\\ y_n\end{array}\right];x_0=\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ D\end{array}\right]$

其中，ψ^T为矩阵ψ的转置矩阵，(ψ^Tψ)^-1为矩阵ψ^Tψ的逆矩阵；

x⁰为正弦信号参数矩阵，A为A₀的正弦拟合后相应值，B为B₀的正弦拟合后相应值,D为D₀的正弦拟合后相应值。

则x₀的最小二乘解

$\widehat{x_0}={\left({\mathrm{\ψ}}^T\mathrm{\ψ}\right)}^{-1}\left({\mathrm{\ψ}}^{T}y\right)$

其幅度和相位表达形式：

$\hat{y}\left(i\right)=C\cos (\mathrm{\ω}i+\mathrm{\θ})+D$

其中C为正弦拟合得到的振幅值，θ为正弦拟合得到的相位值，D为正弦拟合得到的信号偏置值。

参阅图5，则扫描镜振动角度为

$\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{C}{L}\right)$

本发明提出的一种MEMS扫描镜性能参数测量系统的测试过程包括以下基本步骤：

步骤1：参阅图1，搭建测试装置，包括：1.光源；2.第一聚焦模块；3.MEMS扫描镜测试座；4.第二聚焦模块及探测器。

步骤2：装载扫描镜，启动检测系统。

步骤3：配置扫描镜工作模式及参数。

步骤4：系统开始检测扫描镜参数。

步骤3：检测结束，保存检测结果并进行后续分析。

实施例1

本实施例提出一种MEMS扫描镜性能参数测量系统设计方法，参阅图1，本系统基于激光三角法原理，搭建在精密光学平台上。光源经双凸透镜聚焦后照射在扫描镜上，驱动板驱动扫描镜做正弦振动，光电探测器放置在扫描镜反射光路上，光电探测器捕捉到光斑的位置信息转换为电信号，经相应的信号处理得到扫描镜的特征频率及角度。

参阅图2，所述红色激光器，准直性非常高。所述双凸透镜焦距为250mm，扫描镜镜面在双凸透镜的焦点附近，保证照射在扫描镜上的光斑直径小于扫描镜镜面直径。

参阅图3，所述MEMS扫描镜在方波电压的驱动下会随着激励电压的高低周期变化做谐振运动。

参阅图4，所述MEMS扫描镜入射光的入射角在36.87°，保证入射光线不被干扰，光电检测器可检测到所有反射光线。

参阅图1，MEMS扫描镜测试座固定在三维精确可调的光学平台上，测试座与扫描镜结构匹配，既能固定扫描镜又能保证其正常工作。

参阅图1，所述光电探测器为位置敏感探测器(PSD)，PSD加装暗盒及窄带光学滤波片以消除背景光的影响，PSD放置在扫描镜反射光路上，PSD光敏面与反射光线垂直。PSD放置在距扫描镜L＝37.5mm处，放置位置要保证扫描镜反射线在整个PSD光敏面内，且扫描镜在最大振幅时，反射线占满光敏面量程的3/4左右。

所述信号处理部分分为MEMS扫描镜驱动模块和MEMS扫描镜光学检测模块。MEMS扫描镜驱动模块包括D/A模块，电压放大模块，造波模块。可根据微控制器指令实现扫描镜在不同频率电压模式下的驱动。MEMS扫描镜检测模块包括PSD及PSD后置电路，PSD检测到光斑的实时位置信息，经A/D转换为数字信号，实现扫描镜在不同模式下的参数检测，如快慢轴扫频实现快慢轴的扫频并返回相应轴的工作情况。快慢轴定频测角完成给定频率下角度的测量，快慢轴特征频率完成相应轴的特征频率及其角度的测量，快慢轴定频变压完成给定频率下不同电压下的振动情况并返回其振动角度值，快慢轴变频变压完成不同频率及不同电压下振动角度值的测量等，并可对所有检测值保存及后续分析。

所述MEMS扫描镜角度测量采用三参数正弦拟合算法。通过等时间间隔采样扫描镜一个振动周期内的光斑位置信息，经正弦拟合出其振动的幅度值，通过幅度值与PSD与扫描镜镜面之间的精确距离计算出扫描镜振动角度的精确值。其算法如下：

设理想正弦信号为：

y(t)＝C₀cos(2πft+θ₀)+D₀＝A₀cos(2πft)+B₀sin(2πft)+D₀

对此信号进行等间隔采样，采集速率v已知。

y(i)＝C₀cos(ωi+θ₀)+D₀＝A₀cos(ωi)+B₀sin(ωi)+D₀

构造矩阵

$\mathrm{\ψ}=\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\ω}\·1)& sin(\mathrm{\ω}\·1)& 1\\ cos(\mathrm{\ω}\·2)& sin(\mathrm{\ω}\·2)& 1\\ \mathrm{...}& \mathrm{...}& \mathrm{...}\\ cos(\mathrm{\ω}\·n)& sin(\mathrm{\ω}\·n)& 1\end{array}\right]$

$y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ \mathrm{...}\\ y_n\end{array}\right];x_0=\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ D\end{array}\right]$

则x₀的最小二乘解

$\widehat{x_0}={\left({\mathrm{\ψ}}^T\mathrm{\ψ}\right)}^{-1}\left({\mathrm{\ψ}}^{T}y\right)$

其幅度和相位表达形式：

$\hat{y}\left(i\right)=C\cos (\mathrm{\ω}i+\mathrm{\θ})+D$

其中

参阅图5，则扫描镜振动角度为

$\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{C}{L}\right)$

本发明提出的一种MEMS扫描镜性能参数高精度测量系统设计方法的工作原理如图6所示，测试过程包括以下基本步骤：

步骤1：搭建测试装置，包括：红色激光器；双凸透镜；零偏移垂直梳齿驱动扫描镜及MEMS扫描镜测试座；PSD。

步骤2：装载扫描镜，启动检测系统。

步骤3：上位机界面配置扫描镜工作模式及参数(频率、定压等)，发送给微控制器。

步骤4：微控制器根据上位机指令驱动扫描镜以不同的频率及电压驱动扫描镜，在驱动模块每个工作状态稳定时，PSD采集扫描镜反射光光斑的位置信息，经正弦拟合得出扫描镜的振动的幅度值，通过其振动的幅度值与PSD与扫描镜镜面之间的精确距离计算出扫描镜振动角度的精确值。

步骤5：检测结束，检测结果传回上位机保存并进行后续分析。

本发明的优点如下：

1、精度高。本系统采用高精度光电传感器采集扫描镜扫描线光斑的位置，分辨率非常的高，后续的信号处理极大地减弱噪声的影响，保证测试结果有很高的精度。

2、效率高。本系统在测量扫描镜角度时只需采集其一个扫描周期的若干点即可，计算出其角度。整个过程在毫秒级。

3、一致性好。整个测试装置在光学平台上搭建，各个部件位置固定，所以测试结果一致性非常好。

Claims (9)

1.一种MEMS扫描镜性能参数测量方法，其特征在于：利用探测器在等时间间隔采集扫描镜一个振动周期内的光斑位置信息，根据该光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值，然后根据扫描镜的振动幅度值并结合探测器与扫描镜镜面之间的距离计算得到扫描镜振动的角度值。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS扫描镜性能参数测量方法，其特征在于：所述扫描镜随着激励电压的高低周期变化做谐振运动。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS扫描镜性能参数测量方法，其特征在于：根据光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值的具体方法为：

设采样速率为v，理想正弦信号为：

y(t)＝C₀cos(2πft+θ₀)+D₀

＝A₀cos(2πft)+B₀sin(2πft)+D₀

其中，f为正弦信号的频率，t为正弦信号时间，C₀为正弦信号的振幅，D₀为正弦信号偏置，θ₀为正弦信号相位,A₀＝C₀cosθ，B₀＝-C₀sinθ，对此信号进行等间隔采样，采集速率v已知，采样间隔为Δt，t_i＝i×Δt＝i/v，(i＝1,…,n)，数字角频率ω＝2πf/v，则第i次采样的正弦信号为：

y(i)＝C₀cos(ωi+θ₀)+D₀

＝A₀cos(ωi)+B₀sin(ωi)+D₀

其中，ω为信号的数字角频率；

构造矩阵

$\mathrm{\ψ}=\left[\begin{array}{ccc}\cos (\mathrm{\ω}\·1)& sin(\mathrm{\ω}\·1)& 1\\ cos(\mathrm{\ω}\·2)& sin(\mathrm{\ω}\·2)& 1\\ ...& ...& ...\\ \cos (\mathrm{\ω}\·n)& sin(\mathrm{\ω}\·n)& 1\end{array}\right]$

$y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ ...\\ y_n\end{array}\right];x_0=\left[\begin{array}{c}A\\ B\\ D\end{array}\right]$

其中，ψ^T为矩阵ψ的转置矩阵，(ψ^Tψ)^-1为矩阵ψ^Tψ的逆矩阵；

x₀为正弦信号参数矩阵，A为A₀的正弦拟合后相应值，B为B₀的正弦拟合后相应值,D为D₀的正弦拟合后相应值；

则x₀的最小二乘解为：

$\widehat{x_0}={\left({\mathrm{\ψ}}^T\mathrm{\ψ}\right)}^{-1}\left({\mathrm{\ψ}}^{T}y\right)$

扫描镜的幅度值和相位为：

其中，θ为正弦拟合得到的相位值，D为正弦拟合得到的信号偏置值。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS扫描镜性能参数测量方法，其特征在于：所述扫描镜的振动角度为：其中，L为探测器与扫描镜镜面之间的距离。

5.一种MEMS扫描镜性能参数测量系统，其特征在于：包括扫描镜和信号处理模块，所述信号处理模块包括扫描镜驱动模块和检测模块；光线扫描到扫描镜上后，经反射被信号处理模块中的检测模块捕捉到扫描镜在一个振动周期内的光斑位置信息，然后根据该光斑位置信息通过正弦拟合得到扫描镜的振动幅度值，最后根据扫描镜的振动幅度值并结合探测器与扫描镜镜面之间的距离计算得到扫描镜振动的角度值。

6.根据权利要求5所述的一种MEMS扫描镜性能参数测量系统，其特征在于：在入射光线上设置有第一聚焦模块(2)以保证照射在扫描镜上的光斑直径小于扫描镜镜面直径，在反射光线上设置有第二聚焦模块及探测器(4)。

7.根据权利要求6所述的一种MEMS扫描镜性能参数测量系统，其特征在于：所述扫描镜布置在第一聚焦模块的焦点位置，保证照射在扫描镜上的光斑直径小于扫描镜镜面直径。

8.根据权利要求5所述的一种MEMS扫描镜性能参数测量系统，其特征在于：所述扫描镜入射光的入射角在20°-50°，保证入射光线不被干扰，信号处理模块的检测模块可检测到所有反射光线。

9.根据权利要求5所述的一种MEMS扫描镜性能参数测量系统，其特征在于：所述检测模块的检测面与扫描镜镜面之间的距离保证扫描镜反射线在整个光电探测器光敏面内，且保证扫描镜在最大振幅时，反射线占满检测模块量程的3/4。