CN111751084B - 一种振荡式反射镜的相位校准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振荡式反射镜的相位校准系统及方法，通过利用振荡式反射镜简谐振荡运动的往复扫描对称特征，构造像素明暗互补的扫描图案数据，当扫描控制器所应用的相位差参数，与振荡式反射镜简谐振荡的实际相位一致时，像素明暗互补的图案数据与振荡式反射镜的往复运动精确匹配，进而在投影平面上得到完美拼接后的连续且亮度均匀的扫描线，从而达到清晰可辨，易检测，方便校准操作的效果。
Description
技术领域
本发明属于电气控制系统及方法类，具体是一种振荡式反射镜的相位校准系统及方法。
背景技术
随着超精密制造技术的进步，近年来，采用微缩工艺制作的微型振荡式反射镜正不断涌现，其中有采用脉冲电压激励，通过周期性静电场驱动的微型振镜器件，也有采用脉冲电流激励，通过周期性磁场驱动的微型振镜器件。它们的振荡频率可达20千赫兹以上，角度振幅可达±25°以上。这些器件已被用于构建多种光学扫描或光学成像装置，如汽车HUD显示器、激光雷达、结构光三维扫描仪等。受到微型振荡式反射镜普遍采用硅/石英材质扭转梁结构及材料特性影响，施加到微型振镜驱动机构上的电激励脉冲信号，其相位与微型振镜所产生的简谐振荡之间存在相位差，并且该相位差受微型振镜制作工艺、材料不一致性等因素影响，存在一定分散性。
另一方面，要达成微型振镜反射光束的精确扫描控制，必须依赖准确的振镜偏转角度信号，而区别于大尺寸振镜电机所采用的角度传感器方案，微型振镜受尺寸限制，很难设置高分辨率角度传感器。目前普遍采用的方式是基于微型振镜简谐振荡运动特性，根据电激励信号相位及其与简谐振荡之间的相位差参数，计算得出振镜实时偏转角度，从而用于光束开关以及亮度控制，该方式要求每个微型振镜器件必须有一一对应的准确相位差参数，这已成为微型振镜批量应用的主要难点之一。
在缺失准确相位差参数的情况下，现有工程解决方案一般通过检测微型振镜所投射图案边缘位置偏差，间接推算电激励信号与简谐振荡之间的相位差，或直接根据所投射图案边缘变化规律，手动调整投射控制器的相位差参数，直至边缘位置相同，上述方案的相位校准效果不仅依赖于图像边缘位置的检测精度，而且要求微型反射镜与投影平面保持精确平行且中心对齐，因此操作困难、实际校准效果差。目前，在电激励振荡式微型反射镜技术领域，还缺少一种方案简便、精度高的相位校准方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种方案简单、精度高、能实现电激励的振荡式反射镜相位校准的技术系统和方法。
本发明的技术方案如下：
一种振荡式反射镜的相位校准系统，包含激光光源、振荡式反射镜和扫描控制器，所述激光光源射出位于振荡式反射镜偏转轴线引出的法平面内的激光光束，所述激光光束以固定入射角照射至所述振荡式反射镜中心位置，并经反射后照射到投影平面上；所述投影平面与静态时振荡式反射镜平面平行；所述扫描控制器与振荡式反射镜和激光光源电连接；
扫描时，所述扫描控制器根据振荡式反射镜的固有频率发出电激励信号，并通过信号线路施加到振荡式反射镜驱动机构上；所述振荡式反射镜驱动机构驱动振荡式反射镜做顺时针或逆时针偏转；所述扫描控制器输出光束开关信号至激光光源，所述激光光源发出的激光光束经振荡式反射镜反射后，在投影平面上形成一条连续扫描线段；
校准时，构造第一扫描线和第二扫描线；所述扫描控制器将第一扫描线匹配至振荡式反射镜的顺时针扫描阶段，将第二扫描线匹配到振荡式反射镜的逆时针扫描阶段，并依次进行扫描；检测扫描出的第一扫描线和第二扫描线的相对位置，并根据所述第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节扫描控制器相位差参数。
优选的，所述振荡式反射镜驱动机构包含静电电极或电磁线圈。
优选的，所述连续扫描线段为可将长度等分量化为2n个像素的线图案。
优选的，当振荡式反射镜从极限位置开始顺时针偏转时，激光光束在投影平面上依次扫描第1至第2n个像素；当振荡式反射镜从极限位置开始逆时针偏转时，激光光束在投影平面上依次扫描第2n至第1个像素。
优选的，当振荡式反射镜做顺时针或逆时针偏转时，所述扫描控制器根据振荡式反射镜实时角度，判断激光光束在投影平面扫描的像素，并将该像素对应的激光亮度数据输出至激光光源，从而在投影平面上得到所需的像素图案。
优选的，所述第一扫描线和第二扫描线选自线图案、简单几何图案中的至少一种或组合。
优选的，第一扫描线为第m+1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案；第二扫描线为第2n-m至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，其中n为正整数，m为零或正整数，m小于n，且(n+1)小于(2n-m)。
优选的，第一扫描线和第二扫描线的相对位置包括局部重叠、相互分离、首尾相连三种状态。
优选的，当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为局部重叠时，向超前方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为相互分离时，向滞后方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节至首尾相连的状态时，即完成振荡式反射镜的相位校准。
本发明还提供了一种振荡式反射镜的相位校准方法，所述方法包含如下步骤：
S01.构造第一扫描线和第二扫描线；
S02.振荡式反射镜顺时针偏转，激光光束在投影平面上依次扫描第一扫描线上的像素；振荡式反射镜逆时针偏转，激光光束在投影平面上依次扫描第二扫描线上的像素；
S03.检测扫描出的第一扫描线和第二扫描线的相对位置；
S04.根据检测到的第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节扫描控制器相位差参数，具体的，当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为局部重叠时，向超前方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为相互分离时，向滞后方向调节扫描控制器相位差参数；
S05.当第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节至首尾相连的状态时，即完成振荡式反射镜的相位校准。
本发明的有益效果在于，本发明的电激励振荡式反射镜相位校准方法，无需增加额外的光学或电气部件，也无需特制投影平面或图像边缘检测设备，仅需简单调整激光光源驱动模式，进而通过专门构建的两种扫描图案，通过简单的识别方式即可检测两种扫描图案在投影平面上的局部重叠、相互分离、首尾相连的状态，并进而调整扫描控制器所应用的相位差参数值，即可完成振荡式反射镜的相位校准。
本发明激光光源的光束方向性强、聚焦性好，光束在投影屏幕上得到的扫描线段边界清晰；当两个投影线段分离时，其中间的暗部明显；当两个投影线段有局部重叠时，其重叠部分亮度突出，因此方便检测出第一扫描线和第二扫描线的相对位置，有利于实现扫描控制器相位差参数的精细调节，最终实现振荡式反射镜的高精度相位校准。
本发明的振荡式反射镜的相位校准方法，方案简单、技术可行性高，相位校准精度高，易于在振荡式反射镜装置中推广应用。
附图说明
图1为本发明一种振荡式反射镜的相位校准系统的总体结构示意图；
图2为本发明一种振荡式反射镜的相位校准系统的光路示意图；
图3A、图3B为本发明一种振荡式反射镜的相位校准系统的扫描方式示意图；
图4为本发明一种振荡式反射镜的相位校准系统的控制信号连接图；
图5A至5C为本发明实施例在校准时第一扫描线与第二扫描线相对位置示意图；
图6为本发明一种振荡式反射镜相位校准方法的实施步骤。
附图标号：刚性支架1，振荡式反射镜2，激光光源3，投影平面4，扫描控制器5，激光光束11，法平面12，反射光束13，扫描线段图案14，增材基板8，第一扫描线31，第二扫描线32。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细描述。
一种振荡式反射镜的相位校准系统，包含激光光源、振荡式反射镜和扫描控制器。在一个或多个实施例中，如图1所示，刚性支架1的底座上设有振荡式反射镜2，刚性支架1上设有激光光源3，激光光源3射出的激光光束指向微型振荡式反射镜2的中心位置，并经反射后照射到投影平面4上，投影平面4与静态时振荡式反射镜2平行；其光路示意图如图2所示，激光光源3射出的激光光束11，位于从振荡式反射镜2扭转轴线引出的法平面12内，经振荡式反射镜2反射后的反射光束13射向投影平面4。
扫描时，所述扫描控制器根据振荡式反射镜的固有频率发出电激励信号，并通过信号线路施加到振荡式反射镜驱动机构上。优选的，所述振荡式反射镜驱动机构包含静电电极或电磁线圈。
在一个或多个实施例中，如图2所示，振荡式反射镜2可以在驱动机构的驱动下，做顺时针或逆时针偏转；与此同时，扫描控制器输出光束开关信号至激光光源3，激光光束11经振荡式反射镜2反射后的反射光束13在投影平面4上扫描，形成扫描线段图案14。
具体扫描方式如图3左侧所示，振荡式反射镜2处于逆时针极限位置时，反射光束13在投影平面4的扫描点21位于最左侧，接下来振荡式反射镜2进行顺时针方向扫描，扫描点21自左向右移动；如图3右侧所示，振荡式反射镜2处于顺时针极限位置时，反射光束13在投影平面4的扫描点21位于最右侧，接下来微型振荡式反射镜2进行逆时针方向扫描，扫描点21自右向左移动。微型振荡式反射镜2做连续简谐振荡时，上述顺时针扫描和逆时针扫描交替进行，扫描点21在投影平面4上自左向右，与自右向左的扫描运动亦交替进行。
在一个或多个实施例中，所述连续扫描线段14为可将长度等分量化为2n个像素的线图案。因此在扫描时，当振荡式反射镜从极限位置开始顺时针偏转时，反射光束13在投影平面上依次扫描第1至第2n个像素；当振荡式反射镜从极限位置开始逆时针偏转时，反射光束13在投影平面上依次扫描第2n至第1个像素。
在上述实施例中，当振荡式反射镜开始顺时针或逆时针偏转时，扫描控制器5还可以根据电激励信号相位及所应用的相位差参数，计算得出振荡式反射镜2的瞬时偏转角度，并根据图2所示光路几何参数，计算出反射光束13瞬时扫描光斑所处像素点，进而从扫描图案数据中索引得到该像素点的亮度值，并将该像素对应的激光亮度数据传输至激光光源3，以控制其输出相应亮度激光光束11，以反射至投影平面4，从而得到所需像素图案。
校准时，构造第一扫描线和第二扫描线；所述扫描控制器将第一扫描线匹配至振荡式反射镜的顺时针扫描阶段，将第二扫描线匹配到振荡式反射镜的逆时针扫描阶段，并依次进行扫描；
所述第一扫描线和第二扫描线选自线图案，还可以选自矩形、三角形等简单几何图案中的至少一种，或者上述图案的组合。所述图案只要有利于通过明暗亮度检出即可。
在一个或多个实施例中，第一扫描线为第m+1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案；第二扫描线为第2n-m至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，其中n为正整数，m为零或正整数，m小于n，且(n+1)小于(2n-m)。
在其中一个实施例中，第一扫描线为第1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，第二扫描线为第2n至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案。即n为正整数，m为0。在振荡式反射镜的顺时针扫描阶段，依次扫描第1至第n个像素，即第一扫描线；在振荡式反射镜的逆时针扫描阶段，依次扫描第2n至第n+1个像素，即第二扫描线。
优选的，第一扫描线为第n/2+1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案；第二扫描线为第3n/2至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，即n为正偶数，m＝n/2。在振荡式反射镜的顺时针扫描阶段，依次扫描第n/2+1至第n个像素，即第一扫描线；在振荡式反射镜的逆时针扫描阶段，依次扫描第3n/2至第n+1个像素，即第二扫描线。
在连续交替扫描过程中，检测扫描出的第一扫描线和第二扫描线的相对位置，并调节扫描控制器相位差参数。其中，第一扫描线和第二扫描线的相对位置包括局部重叠、相互分离、首尾相连三种状态。
图5A至5C所示，当扫描控制器所应用的相位差参数超前于振荡式反射镜实际相位时，振荡式反射镜顺时针扫描所得的第一扫描线31，向左侧偏离投影平面4的中心线，振荡式反射镜逆时针扫描所得的第二扫描线32，向右侧偏离投影平面4的中心线，第一扫描线31与第二扫描线32处于相互分离状态，即图5A所示；反之，扫描控制器所应用的相位差参数，滞后于振荡式反射镜实际相位时，顺时针扫描所得的第一扫描线31，右端向右侧穿过投影平面4的中心线，逆时针扫描所得的第二扫描线32，左端向左侧穿过投影平面4的中心线，第一扫描线31的右端与第二扫描线32的左端局部重叠，即图5B所示；当且仅当扫描控制器所应用的相位差参数与振荡式反射镜实际相位一致时，第一扫描线31的右端与第二扫描线32的左端刚好首尾相连图5C，从而拼接成一条连续且亮度均匀的投影线33。
因此，在根据所述第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节扫描控制器相位差参数时，当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为局部重叠时，向超前方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为相互分离时，向滞后方向调节扫描控制器相位差参数。
本发明的技术方案还包括，一种振荡式反射镜的相位校准方法，所述方法包含如下步骤：
S01.构造第一扫描线和第二扫描线；
S02.振荡式反射镜顺时针偏转，激光光束在投影平面上依次扫描第一扫描线上的像素；振荡式反射镜逆时针偏转，激光光束在投影平面上依次扫描第二扫描线上的像素；
S03.检测扫描出的第一扫描线和第二扫描线的相对位置；
S04.根据检测到的第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节扫描控制器相位差参数，具体的，当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为局部重叠时，向超前方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为相互分离时，向滞后方向调节扫描控制器相位差参数；
S05.当第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节至首尾相连的状态时，即完成振荡式反射镜的相位校准。
在一个或多个实施例中，所述S01步骤中的第一扫描线和第二扫描线选自线图案，还可以选自矩形、三角形等简单几何图案中的至少一种，或者上述图案的组合。所述图案只要有利于通过明暗亮度检出即可。
在一个或多个实施例中，第一扫描线为第m+1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案；第二扫描线为第2n-m至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，其中n为正整数，m为零或正整数，m小于n，且(n+1)小于(2n-m)。
在其中一个实施例中，第一扫描线为第1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，第二扫描线为第2n至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案。即n为正整数，m为0。在振荡式反射镜的顺时针扫描阶段，依次扫描第1至第n个像素，即第一扫描线；在振荡式反射镜的逆时针扫描阶段，依次扫描第2n至第n+1个像素，即第二扫描线。
优选的，第一扫描线为第n/2+1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案；第二扫描线为第3n/2至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，即n为正偶数，m＝n/2。在振荡式反射镜的顺时针扫描阶段，依次扫描第n/2+1至第n个像素，即第一扫描线；在振荡式反射镜的逆时针扫描阶段，依次扫描第3n/2至第n+1个像素，即第二扫描线。
在一个或多个实施例中，S03至S05步骤具体的如图5A至图5C所示，若检测到第一扫描线31与第二扫描线32处于相互分离状态，即图5A，则向滞后方向调节扫描控制器所应用的相位差参数，直至两条明亮线段刚好首尾相连，如图5C，即完成扫描控制器所应用相位差参数，相对于振荡式反射镜实际相位的校准；若检测到第一扫描线31与第二扫描线32处于局部重叠状态时，即图5B，则向超前方向调节扫描控制器所应用的相位差参数，直至两条明亮线段完全分离，然后再向滞后方向调节扫描控制器相位差参数，直至两条明亮线段刚好首尾相连，如图5C，即完成扫描控制器所应用相位差参数，相对于振荡式反射镜实际相位的校准。
本发明利用振荡式反射镜简谐振荡运动的往复扫描对称特征，构造像素明暗互补的扫描图案数据，只有当扫描控制器所应用的相位差参数，与振荡式反射镜简谐振荡的实际相位一致时，像素明暗互补的图案数据才能与振荡式反射镜的往复运动精确匹配，进而在投影平面上得到完美拼接后的连续且亮度均匀的扫描线，从而达到清晰可辨，易检测的效果。本发明扫描图案在投影平面上的拼接连续性，与投影平面相对振荡式反射镜的安装平行度以及距离无关，投影平面的位置、姿态偏差不影响振荡式反射镜的相位校准精度。
本发明判断往复扫描图案拼接状态的手段，除采用光学敏感器件，如数码相机等外，只要振荡式反射镜的往复振荡运动对称，并且扫描频率超过人眼视觉残留要求的最低频率，还可直接通过人眼观测判断。
以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，包含激光光源、振荡式反射镜和扫描控制器，所述激光光源射出位于振荡式反射镜偏转轴线引出的法平面内的激光光束，所述激光光束以固定入射角照射至所述振荡式反射镜中心位置，并经反射后照射到投影平面上；所述投影平面与静态时振荡式反射镜平面平行；所述扫描控制器与振荡式反射镜和激光光源电连接；
扫描时，所述扫描控制器根据振荡式反射镜的固有频率发出电激励信号，并通过信号线路施加到振荡式反射镜驱动机构上；所述振荡式反射镜驱动机构驱动振荡式反射镜做顺时针或逆时针偏转；所述扫描控制器输出光束开关信号至激光光源，所述激光光源发出的激光光束经振荡式反射镜反射后，在投影平面上形成一条连续扫描线段；
校准时，构造第一扫描线和第二扫描线；所述扫描控制器将第一扫描线匹配至振荡式反射镜的顺时针扫描阶段，将第二扫描线匹配到振荡式反射镜的逆时针扫描阶段，并依次进行扫描；检测扫描出的第一扫描线和第二扫描线的相对位置，并根据所述第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节扫描控制器相位差参数。
2.根据权利要求1所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，所述振荡式反射镜驱动机构包含静电电极或电磁线圈。
3.根据权利要求1所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，所述连续扫描线段为可将长度等分量化为2n个像素的线图案。
4.根据权利要求3所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，当振荡式反射镜从极限位置开始顺时针偏转时，激光光束在投影平面上依次扫描第1至第2n个像素；当振荡式反射镜从极限位置开始逆时针偏转时，激光光束在投影平面上依次扫描第2n至第1个像素。
5.根据权利要求1所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，当振荡式反射镜做顺时针或逆时针偏转时，所述扫描控制器根据振荡式反射镜实时角度，判断激光光束在投影平面扫描的像素，并将该像素对应的激光亮度数据输出至激光光源，从而在投影平面上得到所需的像素图案。
6.根据权利要求1所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，所述第一扫描线和第二扫描线选自线图案、简单几何图案中的至少一种或组合。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，第一扫描线为第m+1至第n个像素明亮，其余像素熄灭的线图案；第二扫描线为第2n-m至第n+1个像素明亮，其余像素熄灭的线图案，其中n为正整数，m为零或正整数，m小于n，且(n+1)小于(2n-m)。
8.根据权利要求1所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，第一扫描线和第二扫描线的相对位置包括局部重叠、相互分离、首尾相连三种状态。
9.根据权利要求1所述的振荡式反射镜的相位校准系统，其特征在于，当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为局部重叠时，向超前方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为相互分离时，向滞后方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节至首尾相连的状态时，即完成振荡式反射镜的相位校准。
10.一种振荡式反射镜的相位校准方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：
S01.构造第一扫描线和第二扫描线；
S02.振荡式反射镜顺时针偏转，激光光束在投影平面上依次扫描第一扫描线上的像素；振荡式反射镜逆时针偏转，激光光束在投影平面上依次扫描第二扫描线上的像素；
S03.检测扫描出的第一扫描线和第二扫描线的相对位置；
S04.根据检测到的第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节扫描控制器相位差参数，具体的，当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为局部重叠时，向超前方向调节扫描控制器相位差参数；当第一扫描线和第二扫描线的相对位置为相互分离时，向滞后方向调节扫描控制器相位差参数；
S05.当第一扫描线和第二扫描线的相对位置调节至首尾相连的状态时，即完成振荡式反射镜的相位校准。
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