CN108415155A - 二维微振镜驱动频率调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二维微振镜驱动频率调节系统及方法，二维微振镜驱动频率调节系统包括：在二维微振镜所在空间布置匀强磁场，匀强磁场位于x‑y平面，且与x转轴和y转轴的夹角均为45度；在微振镜的表面固定线圈；微振镜采用导电材料制作；单片机的方波输出端依次通过数模转换器与信号放大器后，连接到线圈的输入端；线圈的输出端接地，由此使线圈中通过交变电流，进而使线圈在匀强磁场中产生安培力。在安培力的作用下，使微振镜振动。本发明提供的二维微振镜驱动频率调节系统及方法具有以下优点：(1)通过单片机控制调节二维微振镜的振动频率和振动幅度，具有二维微振镜的振动频率和振动幅度调节精度高的优点；(2)整体结构简单，成本低。

Description

二维微振镜驱动频率调节系统及方法

技术领域

本发明涉及一种频率调节系统，具体涉及一种二维微振镜驱动频率调节系统及方法。

背景技术

激光是20世纪以来最重要的发明之一，它与传统光特性的不同之处在于激光的发射主要原因是受激辐射，因而激光具备高强度、良好的单向性和相干性等特点，适合对材料进行加工以及距离测量，其自身技术潜力巨大。激光技术的迅猛发展对国民经济发展以及社会进步起到了重要的作用，目前其广泛应用于电子、冶金、汽车和机械制造等行业。激光扫描技术作为激光技术的分支，其在制造领域的应用标志着一门跨学科、跨行业的新型科学的诞生，同时也形成了该领域的诸多应用，例如振镜扫描在激光打标、激光演示、LRP(Laser Rapid Prototyping，激光快速成型)以及激光雷达中的应用等，具体包括：(1)振镜扫描在激光打标中的应用：激光打标即是对需要做标记的工件运用激光器打上特殊的标记的一种新型的工艺。其利用激光热效应，促使金属或者非金属材料某些位置发生燃烧反应，留下不可消除的痕迹，优势在于打标尺寸精细、无接触加工、对打标材料无损伤。目前该技术已经成为某些制造行业的主流加工工艺。(2)振镜扫描在激光显示中的应用：激光显示即发射三基色的混合光源对行和场进行扫描直到达到人眼“视觉残留”的要求，频率应不低于50Hz。该技术色域广、节能环保、长期高画质，广泛应用于舞台灯光、户外媒体、电影放映等领域。其通过图文的结合，提供丰富的信息，适合在主题公园、产品广告和激光电影节目等方面进行文化宣传。所以该技术可以使得人们通过终端可以看到传统显示投影无法实现的色彩空间。(3)振镜扫描在LRP中的应用：LRP即是激光快速成型技术，其主要是根据成型对象的CAD三维实体模型，利用光敏聚合材料受到激光的紫色波段辐射以后会固化的原理，通过控制系统的控制对光敏聚合材料进行层层精确固化并最终堆积成型，成型的速度极快且成型的样品精度高，质量好。所以说LRP是一种高度集成了系统控制、激光控制、新材料加工的技术，对于此类系统，其核心部件为快速、精确的振镜式激光扫描系统。目前LRP的主要应用有液体光敏树脂固化、选择性激光烧结、3D喷射印刷等。(4)振镜扫描在激光雷达中的应用：激光雷达即该技术有三大部分组成，分别是激光发射系统、接收系统、信息处理平台。其原理是利用处于红外和可见光波段的光作为信息传输媒介，发射系统通过电光转换发射光信号，接收系统接受光信号通过光电转化将电脉冲送至信息处理系统进行处理，它的优势在于强大的抗干扰性，高速度/距离分辨率，也具备一定的隐蔽性，在许多军工企业得到了广泛的应用。

除了以上应用，近些年来激光扫描和数控技术相结合也成为了各大激光加工企业研发和生产的主要思路，开辟了一条在激光技术领域中高质量、高效率、易环保的新型发展道路。

目前主流的激光扫描系统有光机扫描系统和声光扫描系统。光机扫描系统解决了普通的光电探测器无法满足瞬时视场大范围成像的问题，它主要通过计算机的数控技术来实现激光束的机械扫描即控制反射系统来实现激光束的扫描。光机扫描的扫描方式主要有两种，一种是平行扫描，另外一种是汇聚光束扫描。光机扫描系统具有扫描速度快、扫描角度大、对光学器件要求不高、相差矫正比较容易但稳定性不高的特点，多用于民用热像仪等领域。声光扫描系统原理是利用弹性波对于传播介质产生的弹光效应使入射光发生衍射，从而可以带动光束的扫描。相对于光机扫描，其扫描速度较快、容易控制但是扫描角度较小。所以光机扫描系统性能要优于声光扫描系统。

实现光机扫描的方式比较多，有多镜扫描、二维振镜式扫描、电光偏转扫描等。多镜扫描多使用轻金属材料使激光在大范围的视场进行高速率、精细化以及高惯量的扫描。高速率是多镜扫描的重要属性，对一个密度是ρ，半径和厚度分别为30mm和12mm的八面体，转速可以达到每分钟20000转。多镜的特点是速率快、扫描角度大、高分辨率，扫描结构比较简单，但是其对光学器件的要求较高，价格昂贵。

相对于多镜扫描系统，采用多面棱镜和电动马达的构成，振镜扫描系统则是反射镜、扫描电机和伺服电路组成的扫描装置，属于小惯量扫描。采用两个振镜可以实现二维扫描。振镜扫描系统的实质是在利用高密度、高功率激光源作为加工主体，并通过受计算机输出位置控制的伺服电路，带动固定在电机上的反射镜进行角度的偏转，从而使振镜的运动转换成静止的激光的运动，最终实现激光在工件上的来回扫描。作为激光显示系统中的核心部件，光学振镜由于具有转动惯量小，扫描速度快，扫描精度高，响应时间短、固有频率高以及价格便宜等特点，被认为是用作激光图像扫描的理想器件。振镜扫描系统虽然在扫描速度、扫描角度、扫描分辨率、扫描精度性能等指标上体现出很高的质量，但是其仍然存在线性和非线性的失真，例如固有的场几何畸变，即物像具有不相似性，成像的物点不真实。可以采用硬件和软件补偿来解决振镜扫描的失真问题。相对于硬件补偿是在光学器件上做一个补偿和性能的提升，软件补偿主要是将软件中对于原振镜定位数据进行修改，或者对于振镜扫描路径方面计算出最优路径。

目前振镜式激光扫描作为激光扫描技术的主要应用，被广泛应用于激光打标、医学诊断、激光演示以及激光加工等领域。振镜式激光扫描技术的广泛应用推动着对激光扫描技术的学习和研究。在振镜式激光扫描技术应用过程中，准确有效的调节振镜的振动频率，是影响激光扫描精度的关键。现有的各类振镜振动频率调节系统，主要具有结构复杂以及振镜振动频率调节精度低的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种二维微振镜驱动频率调节系统及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种二维微振镜驱动频率调节系统，二维微振镜包括微振镜(1)、x转轴(2)和y转轴(3)；在二维微振镜所在空间布置匀强磁场，所述匀强磁场位于x-y平面，且与x转轴(2)和y转轴(3)的夹角均为45度；在微振镜(1)的表面固定线圈；微振镜(1)采用导电材料制作；单片机的方波输出端依次通过数模转换器与信号放大器后，连接到所述线圈的输入端；所述线圈的输出端接地，由此使线圈中通过交变电流，进而使线圈在匀强磁场中产生安培力，该安培力的方向垂直于由通电线圈和匀强磁场方向所确定的平面；在安培力的作用下，在微振镜(1)的外框同时产生绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩；通过绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩的合力作用，使微振镜(1)振动；通过调节所述单片机产生的方波的频率，调节所述微振镜(1)的振动频率；通过调节所述单片机产生的方波的幅度，调节所述微振镜(1)的振动幅度。

优选的，还包括：显示电路和操作按键；所述显示电路和所述操作按键均连接到所述单片机。

优选的，所述显示电路采用LCD液晶显示器，用于显示二维微振镜驱动频率调节参数；所述操作按键采用4*4键盘，4*4键盘输入全部用作功能键，键盘具体划分如下：第一行功能是振动幅度的调节，幅值调节范围是0.1-5.0，默认值为5.0，调节步进加0.1或者减0.1；第二行、第三行实现振动频率调节功能，由个位至千位逐位调节，包括千位调节、百位调节、十位调节以及个位调节；第四行为空。

本发明还提供一种基于二维微振镜驱动频率调节系统的二维微振镜驱动频率调节方法，包括以下步骤：

步骤1，通过操作按键调节单片机产生的方波的频率和幅值；单片机产生的方波经过数模转换器转换为模拟信号后，再通过信号放大器进行放大，放大后的信号以周期性交变电流的方式通入微振镜(1)表面固定的线圈中，同时，线圈处于匀强磁场中，匀强磁场方向与微振镜(1)的x转轴(2)和y转轴(3)的夹角均为45度；

步骤2，在匀强磁场的作用下，线圈周期性产生正向安培力和反向安培力，该正向安培力的方向和反向安培力的方向均垂直于由通电线圈和匀强磁场方向所确定的平面；在周期性正向安培力和反向安培力的作用下，在微振镜(1)的外框同时产生绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩；通过绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩的合力作用，使微振镜(1)以一定的频率振动。

本发明提供的二维微振镜驱动频率调节系统及方法具有以下优点：

(1)通过单片机控制调节二维微振镜的振动频率和振动幅度，具有二维微振镜的振动频率和振动幅度调节精度高的优点；

(2)整体结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明提供的二维微振镜驱动频率调节系统的原理结构图；

图2为本发明提供的二维微振镜驱动频率调节系统中二维微振镜的结构图；

图3为本发明提供的单片机频率调节电路图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种二维微振镜驱动频率调节系统，参考图1-图3，二维微振镜包括微振镜1、x转轴2和y转轴3；在二维微振镜所在空间布置匀强磁场，匀强磁场位于x-y平面，且与x转轴2和y转轴3的夹角均为45度；在微振镜1的表面固定线圈；微振镜1采用导电材料制作；单片机的方波输出端依次通过数模转换器与信号放大器后，连接到线圈的输入端；线圈的输出端接地，由此使线圈中通过交变电流，进而使线圈在匀强磁场中产生安培力，该安培力的方向垂直于由通电线圈和匀强磁场方向所确定的平面；在安培力的作用下，在微振镜1的外框同时产生绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩；通过绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩的合力作用，使微振镜1振动；通过调节单片机产生的方波的频率，调节微振镜1的振动频率；通过调节单片机产生的方波的幅度，调节微振镜1的振动幅度。实际应用中，单片机芯片ATMEGA328p，，DA转换模块，型号是DAC0832，运算放大器是LM324。

二维微振镜的结构采取将两个绕轴转动的平板垂直地组合在同一平面内的方法，分别为x方向和y方向。为使两方向上的振镜振动能够区分开来(因振镜结构很小，振动频率过快时难以区分)，本发明中，两方向上的驱动频率差了一个数量级，即将二维微振镜分为快轴和慢轴，快轴直径较粗，因需承受相比慢轴的更快速振动，其机械性能较好。

本发明中，.振镜采用电磁驱动的方式，主要是因为电磁驱动能提供高的能量密度，也就是能提供比较大的电磁力来驱动微镜的振动。同时电磁力是一个长程力，在有效的磁场空间中，对同一电流线圈，在不同的位置都能提供相同的驱动力，极大方便了振镜和系统的结构设计。电磁力是长程力的特点，也保证了电磁驱动在一个方向的扫描能够是准静态的，也就是振镜转动的角度和频率随着驱动电流的大小和频率变化，这样投影的刷新频率(也就是振镜的慢扫描频率)能够通过驱动信号的频率来精确控制，这为图像信号处理电路设计提供了极大的便利条件。

还包括：显示电路和操作按键；显示电路和操作按键均连接到单片机。显示电路采用LCD液晶显示器，用于显示二维微振镜驱动频率调节参数；操作按键采用4*4键盘，4*4键盘输入全部用作功能键，键盘具体划分如下：第一行功能是振动幅度的调节，幅值调节范围是0.1-5.0，默认值为5.0，调节步进加0.1或者减0.1；第二行、第三行实现振动频率调节功能，由个位至千位逐位调节，包括千位调节、百位调节、十位调节以及个位调节；第四行为空。

本发明还提供一种基于二维微振镜驱动频率调节系统的二维微振镜驱动频率调节方法，包括以下步骤：

步骤1，通过操作按键调节单片机产生的方波的频率和幅值；单片机产生的方波经过数模转换器转换为模拟信号后，再通过信号放大器进行放大，放大后的信号以周期性交变电流的方式通入微振镜1表面固定的线圈中，同时，线圈处于匀强磁场中，匀强磁场方向与微振镜1的x转轴2和y转轴3的夹角均为45度；

步骤2，在匀强磁场的作用下，线圈周期性产生正向安培力和反向安培力，该正向安培力的方向和反向安培力的方向均垂直于由通电线圈和匀强磁场方向所确定的平面；在周期性正向安培力和反向安培力的作用下，在微振镜1的外框同时产生绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩；通过绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩的合力作用，使微振镜1以一定的频率振动。

因此，本发明直接利用单片机编程产生方波，经数模转换后与放大器相连，使电压放大，再与微振镜相接。用4*4键盘控制振镜振动频率和幅值的调节，LCD1602液晶屏进行数据显示。微振镜采用电磁驱动。为了实现频率的连续调节，采用按键控制频率的方法，同时采用液晶显示屏显示振镜振动频率和幅值以及其他相关信息。

利用单片机采用程序设计方法来产生方波信号，具有线路相对简单、结构紧凑、价格低廉、频率稳定度高、抗干扰能力强和用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

显示电路采用LCD液晶显示器1602。其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母。

4*4键盘输入全部用作功能键，键盘具体划分如下：第一行主要功能是幅值的调节，幅值调节范围是0.1-5.0，默认值为5.0，调节步进加0.1或者减0.1；第二行、第三行实现频率调节功能，有由个位至千位的逐位调节，有千位调节加/减、百位调节加/减、十位调节加/减以及个位调节加/减。最后一行空。

在上述提供的二维微振镜驱动频率调节系统的基础上，可建立二维激光振镜扫描控制系统，包括光学系统、激光器、振镜驱动器。主要进行振镜驱动器硬件电路设计、编写上位机控制软件和驱动器底层驱动软件，并对扫描图形几何失真进行分析并校正。在此基础上，应用该二维激光振镜扫描控制系统进行打标实验，分析打标结果，经过测试，本系统满足各项性能指标要求。

基于MEMS扫描镜片的激光像源系统的工作原理：MEMS扫描镜片，可在互相垂直的两个方向上进行高速振动。开发基于此扫描镜片的激光成像系统。承载图像信息的调制激光射到镜面上，被镜片扫描投射成像，画面可达无穷远且不需对焦。基于MEMS二维振镜的扫描成像原理应用单一扫描镜片组成的激光投影系统具有以下优点：第一，单一的镜片投射技术使芯片可以做得很小。投影的分辨率只是由机械振动的性能决定；第二，激光点光源造成的成像方式消除了繁杂的光学成像元件。这使得系统集成更加简单；第三采用激光束扫描成像，每个像素点的色彩、亮度都通过调制RGB激光器来实现，极大提高光的利用效率。同时MEMS振镜采用铝薄膜镜面反射，激光反射率高达95％以上。所以系统的能量利用率比DLP，LCOS高2倍以上。

基于MEMS扫描芯片的激光像源由激光器、成像芯片、光学模组和驱动模块四个部分组成。首先，激光器的性能全面影响着显示系统的能耗、画质和安全性。本阶段在激光器方面的研究重点主要是商业半导体激光器的选型，测试，筛选，以及激光器工作温度控制的设计和封装研究。第二，成像芯片很大程度上决定了投影的画面质量。第三，光学模组也影响着激光像源的成像质量，以及像源的体积。第四，电路模块将主要实现三个功能：1)激光器和MEMS成像芯片的驱动，2)图像数据、激光器、MEMS成像与实现芯片的同步，3)图像处理和颜色管理。电路模块将把激光像源的几个部件组成一个有机的整体。

主要分系统方案设计：

主要分系统分为高性能半导体激光器的选型和封装、MEMS二维振镜的设计和研制、激光微投显示光学模组和智能化驱动四个模块。

本发明将根据扫描振镜的频率、转动角度的大小、电能的消耗、驱动电路的实现、以及工作环境等要求来比较各种驱动方式，选择最优的振镜驱动方式，并且通过实验验证。

成像原理为：当从光源发出的光束，通过扫描振镜的偏转后，会在成像屏幕上形成一个二维的亮平面。同时，通过图像信息对光源(激光器)进行调制，就可以控制激光束在这个二维平面上任何一点的亮度和色彩。这样通过二维扫描的振镜来控制激光束的位置，结合图像信息对激光器的调制，从而在成像屏幕上逐点“画出”图像。

本发明提供的二维微振镜驱动频率调节系统及方法具有以下优点：

(1)通过单片机控制调节二维微振镜的振动频率和振动幅度，具有二维微振镜的振动频率和振动幅度调节精度高的优点；

(2)整体结构简单，成本低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种二维微振镜驱动频率调节系统，其特征在于，二维微振镜包括微振镜(1)、x转轴(2)和y转轴(3)；在二维微振镜所在空间布置匀强磁场，所述匀强磁场位于x-y平面，且与x转轴(2)和y转轴(3)的夹角均为45度；在微振镜(1)的表面固定线圈；微振镜(1)采用导电材料制作；单片机的方波输出端依次通过数模转换器与信号放大器后，连接到所述线圈的输入端；所述线圈的输出端接地，由此使线圈中通过交变电流，进而使线圈在匀强磁场中产生安培力，该安培力的方向垂直于由通电线圈和匀强磁场方向所确定的平面；在安培力的作用下，在微振镜(1)的外框同时产生绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩；通过绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩的合力作用，使微振镜(1)振动；通过调节所述单片机产生的方波的频率，调节所述微振镜(1)的振动频率；通过调节所述单片机产生的方波的幅度，调节所述微振镜(1)的振动幅度。

2.根据权利要求1所述的二维微振镜驱动频率调节系统，其特征在于，还包括：显示电路和操作按键；所述显示电路和所述操作按键均连接到所述单片机。

3.根据权利要求2所述的二维微振镜驱动频率调节系统，其特征在于，所述显示电路采用LCD液晶显示器，用于显示二维微振镜驱动频率调节参数；所述操作按键采用4*4键盘，4*4键盘输入全部用作功能键，键盘具体划分如下：第一行功能是振动幅度的调节，幅值调节范围是0.1-5.0，默认值为5.0，调节步进加0.1或者减0.1；第二行、第三行实现振动频率调节功能，由个位至千位逐位调节，包括千位调节、百位调节、十位调节以及个位调节；第四行为空。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的二维微振镜驱动频率调节系统的二维微振镜驱动频率调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过操作按键调节单片机产生的方波的频率和幅值；单片机产生的方波经过数模转换器转换为模拟信号后，再通过信号放大器进行放大，放大后的信号以周期性交变电流的方式通入微振镜(1)表面固定的线圈中，同时，线圈处于匀强磁场中，匀强磁场方向与微振镜(1)的x转轴(2)和y转轴(3)的夹角均为45度；

步骤2，在匀强磁场的作用下，线圈周期性产生正向安培力和反向安培力，该正向安培力的方向和反向安培力的方向均垂直于由通电线圈和匀强磁场方向所确定的平面；在周期性正向安培力和反向安培力的作用下，在微振镜(1)的外框同时产生绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩；通过绕x轴的扭矩和绕y轴的扭矩的合力作用，使微振镜(1)以一定的频率振动。