CN115016114A - 激光扫描系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种激光扫描系统和方法，该方法中同时进行MEMS微镜扫描和转镜扫描，其中，对MEMS微镜在振动时产生的正弦反馈信号进行调理，输出第一波形信号；采集转镜扫描过程中镜面的角位移信号并输出第二波形信号；控制第一波形信号和第二波形信号具有相同的频率，且相位差为0。本发明通过MEMS微镜与转镜的同步扫描方案，既能实现较高的扫描频率，也能获得较大的扫描角度。

Description

激光扫描系统和方法
技术领域
本发明属于激光扫描技术领域，具体涉及一种MEMS微镜与转镜的同步扫描系统和方法。
背景技术
激光扫描技术是随着激光照排机、激光打印机等的广泛应用发展起来的一项技术，现在，随着发展它已应用到了其他一些领域，如激光雕刻、激光雷达、激光精密打标等。目前激光扫描方式主要分为振镜扫描、二维MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微镜扫描以及转镜扫描。
MEMS微镜是指采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。MEMS微镜采用微机电系统工艺，相比机械振镜具有体积小、谐振频率高、光学特性好的优点，由于其工作在谐振频率处，快轴扫描频率能达到27KHz，但其在慢轴方向上扫描角度较小。
转镜扫描是一种比较常见的机械扫描方式，有些商业LIDAR(Light Detectionand Ranging)系统采用这种方式。转镜扫描具有扫描角度大、稳定性好的优点。但转镜相比MEMS微镜，扫描频率较低。
如何提供一种扫描频率高、扫描角度大的激光扫描系统，是一个急需解决的问题。
发明内容
本发明一实施例提供一种激光扫描系统和方法，用于解决现有技术中激光扫描无法同时实现扫描频率高、扫描角度大的问题，包括：
一实施例中，一种激光扫描系统，包括MEMS微镜扫描模块和转镜扫描模块，
MEMS微镜扫描模块和转镜扫描模块输出的反馈信号具有相同的频率，且相位差为0。
优选的，在上述的激光扫描系统中，所述的反馈信号为方波信号。
优选的，在上述的激光扫描系统中，所述的MEMS微镜扫描模块包括MEMS微镜、信号放大器、过零比较器和分频器，
MEMS微镜在振动时产生正弦反馈信号，该正弦反馈信号经信号放大器提取，并经过过零比较器得到方波信号，分频器对该方波信号进行分频处理，使其与转镜扫描模块产生的方波信号具有相同频率。
优选的，在上述的激光扫描系统中，所述的转镜扫描模块包括电机和镜面，所述电机连接于镜面并可带动其偏转，
所述的转镜扫描模块还包括传感模块，该传感模块采集镜面的角位移信号并输出方波信号。
优选的，在上述的激光扫描系统中，所述传感模块包括连接于所述电机的光栅码盘以及与所述光栅码盘配合的光电传感器。
优选的，在上述的激光扫描系统中，所述的MEMS微镜扫描模块和转镜扫描模块由同一控制模块进行控制。
优选的，在上述的激光扫描系统中，所述控制模块包括主控制器和DDS驱动模块，
DDS驱动模块包括DDS芯片、滤波电路和放大器，DDS芯片与主控制器连接，DDS芯片的输出信号依次经过滤波电路的滤波以及放大器的放大后对MEMS微镜扫描模块进行驱动。
一实施例中，一种激光扫描方法，同时进行MEMS微镜扫描和转镜扫描，其中，
对MEMS微镜在振动时产生的正弦反馈信号进行调理，输出第一波形信号；
采集转镜扫描过程中镜面的角位移信号并输出第二波形信号；
控制第一波形信号和第二波形信号具有相同的频率，且相位差为0。
优选的，在上述的激光扫描方法中，所述第一波形信号和第二波形信号为方波信号。
优选的，在上述的激光扫描方法中，使用分频器对正弦反馈信号进行分频处理，使其与第二波形信号频率相同。
与现有技术相比，本发明通过MEMS微镜与转镜的同步扫描方案，既能实现较高的扫描频率，也能获得较大的扫描角度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施方式中激光扫描系统的方框图；
图2是本申请一实施方式中过零比较器产生的方波信号和微镜反馈信号的示意图；
图3是本申请一实施方式中传感模块的结构示意图；
图4是本申请一实施方式中分频后微镜反馈信号和光电传感器产生的方波信号的相位差示意图；
图5是本申请一实施方式中激光扫描方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
并且，在不同的实施方式中可能使用相同的标号或标记，但这并不代表结构或者功能上的联系，而仅仅是为了描述的方便。
本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本发明使用的与空间相关的描述语。
参图1所示，本申请的一实施例提供了一种激光扫描系统，包括控制模块10、MEMS微镜扫描模块20和转镜扫描模块30。
MEMS微镜扫描模块20对MEMS微镜在振动时产生的正弦反馈信号进行调理，输出第一波形信号；转镜扫描模块30采集转镜扫描过程中镜面的角位移信号并输出第二波形信号；控制模块10控制第一波形信号和第二波形信号具有相同的频率，且相位差为0。
本案通过MEMS微镜与转镜的同步扫描，以实现MEMS微镜与转镜的同步扫描，能够获得较大的扫描角度与较高的扫描频率。
参图1所示，MEMS微镜扫描模块20包括MEMS微镜、信号放大器、过零比较器和分频器。
MEMS微镜在振动时会产生正弦反馈信号，信号经放大器提取后，经过过零比较器得到方波信号，方波信号的跳变沿代表着微镜的原点位置，波形图如图2所示。由于MEMS微镜谐振频率较高，通过分频器对MEMS微镜反馈信号进行分频处理，使其与转镜扫描模块30采集的方波信号具有相同频率。
参图1所示，转镜扫描模块30转镜扫描模块包括电机和镜面，电机连接于镜面并可带动其偏转，转镜扫描模块还包括传感模块，该传感模块采集镜面的角位移信号并输出第二方波信号。
电机优选为无刷电机，在其他实施例中，也可以为步进电机。
镜面优选为多面镜，镜面的工作方式可以为反射镜或透视镜，在其他实施例中，镜面也可以为单面镜。
结合图3所示，在优选的实施例中，传感模块包括连接于所述电机31的光栅码盘32以及与所述光栅码盘配合的光电传感器33。
具体地，控制模块10产生PWM信号经过电机驱动器驱动电机31转动，电机上固定有光栅码盘32，当电机转动时会带动光栅码盘一起转动，光栅码盘的转动会使光电传感器33产生方波信号。
参图1所示，控制模块10包括主控制器11和DDS驱动模块12。主控制器11分别接收分频器和光电传感器的方波信号。DDS驱动模块12包括DDS芯片、滤波电路和放大器，主控制器与DDS驱动模块采用SPI总线传输方式，通过IO口配合DDS输出信号的频率、幅值以及相位。DDS芯片输出信号经过滤波器滤除高次谐波与杂散后，经放大器放大后驱动MEMS微镜振动。
在其他实施例中，控制模块10还可以为FPGA(Field Programmable Gate Array)，以替代图1中所示的主控制器和DDS驱动模块。
本实施例中系统的工作原理在于，主控制器通过对转镜扫描模块30中光电传感器产生的方波信号进行处理，得到无刷电机的转动速度，通过调节主控制器产生的PWM波信号占空比控制电机速度稳定在期望值。在信号频率相同的情况下，主控制器通过计算分频后的MEMS微镜反馈信号跳变沿与转镜扫描模块30中光电传感器产生的方波信号跳边沿时间差得到相位差，原理图如图4所示，在信号频率为f的情况下，相位差Ф＝2Πf*(t2-t1)。通过改变DDS输出信号的相位使相位差趋近于0，达到同步扫描的目的。
结合图5所示，本申请的一实施例中，还提供了一种激光扫描方法，该扫描方法是同时进行MEMS微镜扫描和转镜扫描，其中，
对MEMS微镜在振动时产生的正弦反馈信号进行调理，输出第一波形信号；
采集转镜扫描过程中镜面的角位移信号并输出第二波形信号；
控制第一波形信号和第二波形信号具有相同的频率，且相位差为0。
本案中，MEMS微镜在谐振频率处振动时会产生正弦位置反馈信号，放大器对微镜反馈信号进行放大提取，再经过过零比较器使正弦信号转换成方波信号，方波信号的跳变沿标志着微镜的原点位置，使用分频器对MEMS微镜反馈信号进行分频处理，使其与光电传感器产生的方波信号频率相同；主控制器负责配置DDS产生期望的驱动信号，同时对光电传感器产生的方波信号进行处理，得到无刷电机的转速，通过控制PWM波占空比控制无刷电机转速稳定，同时对分频后的MEMS微镜反馈信号进行处理，得到MEMS微镜反馈信号与光电传感器产生的方波信号的相位差，通过调节DDS输出驱动信号的相位差，使相位差趋近于0，得到同步扫描的效果。
综上所述，本发明保留了MEMS微镜的特性，并引入了转镜扫描，通过控制系统，使MEMS微镜与转镜能够进行同步扫描，相比单个二维MEMS微镜扫描，本系统提高了扫描角度，相比转镜扫描，本系统提高了扫描频率即扫描速度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种激光扫描系统，其特征在于，包括MEMS微镜扫描模块和转镜扫描模块，
MEMS微镜扫描模块和转镜扫描模块输出的反馈信号具有相同的频率，且相位差为0。
2.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其特征在于，所述的反馈信号为方波信号。
3.根据权利要求2所述的激光扫描系统，其特征在于，所述的MEMS微镜扫描模块包括MEMS微镜、信号放大器、过零比较器和分频器，
MEMS微镜在振动时产生正弦反馈信号，该正弦反馈信号经信号放大器提取，并经过过零比较器得到方波信号，分频器对该方波信号进行分频处理，使其与转镜扫描模块产生的方波信号具有相同频率。
4.根据权利要求2所述的激光扫描系统，其特征在于，所述的转镜扫描模块包括电机和镜面，所述电机连接于镜面并可带动其偏转，
所述的转镜扫描模块还包括传感模块，该传感模块采集镜面的角位移信号并输出方波信号。
5.根据权利要求4所述的激光扫描系统，其特征在于，所述传感模块包括连接于所述电机的光栅码盘以及与所述光栅码盘配合的光电传感器。
6.根据权利要求1或2所述的激光扫描系统，其特征在于，所述的MEMS微镜扫描模块和转镜扫描模块由同一控制模块进行控制。
7.根据权利要求6所述的激光扫描系统，其特征在于，所述控制模块包括主控制器和DDS驱动模块，
DDS驱动模块包括DDS芯片、滤波电路和放大器，DDS芯片与主控制器连接，DDS芯片的输出信号依次经过滤波电路的滤波以及放大器的放大后对MEMS微镜扫描模块进行驱动。
8.一种激光扫描方法，其特征在于，同时进行MEMS微镜扫描和转镜扫描，其中，
对MEMS微镜在振动时产生的正弦反馈信号进行调理，输出第一波形信号；
采集转镜扫描过程中镜面的角位移信号并输出第二波形信号；
控制第一波形信号和第二波形信号具有相同的频率，且相位差为0。
9.根据权利要求8所述的激光扫描方法，其特征在于，所述第一波形信号和第二波形信号为方波信号。
10.根据权利要求8或9所述的激光扫描方法，其特征在于，使用分频器对正弦反馈信号进行分频处理，使其与第二波形信号频率相同。
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