CN203350529U - 一种带闭环控制系统的微机电干涉平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带闭环控制系统的微机电干涉平台，该微干涉平台包括光路系统和闭环控制电路系统；光路系统中，通过监测打在四象限探测器上的反射光斑是否发生偏移判断干涉平台的动镜是否发生偏移，当四象限探测器检测到光斑偏移后，闭环控制电路系统通过算法处理将驱动微镜的电压信号作出相应的调整，使干涉平台的动镜恢复到初始设定的角度，在干涉平台动镜整个轴向运动过程中自动将微镜锁定在初始角度，以此实现动镜面型的控制。该平台可实时控制，保证微镜镜面的准确性，采用微加工方式的干涉系统成本低，易实现，实用性强。

Description

一种带闭环控制系统的微机电干涉平台

技术领域

本实用新型涉及微机电系统的光学及电子电路设计领域，更具体的，涉及一种带闭环控制系统的微机电干涉平台。 

背景技术

微机电系统（Micro-electro-mechanical systems,简称MEMS)是利用微加工技术制造出来的三维装置，至少包括一个可运动结构满足某种机械作用。MEMS器件由于借鉴了集成电路的工艺因此应用于很多不同的领域。本世纪越来越多的传感器和执行器都倾向于采用MEMS技术，其中微机电系统微镜就是其中一个绝佳的例证。微机电系统驱动结构产生的力很小，但足以驱动镜面使其发生偏转。在众多MEMS微镜中电热式微镜是一款依靠热形变使镜子偏转的微机电系统。微镜主要包括镜面、支撑臂和驱动臂三个部分，其中驱动臂就是依靠电热效应产生形变驱动镜子偏转。微机电干涉平台基于微镜加工工艺，将两个完全相同的一维轴向大位移微镜通过微加工的方式做到一个基板平台上，利用立方棱镜作为分光装置即构成整个微机电干涉平台。 

微机电干涉平台集成度高，精度优良，是光学干涉良好的载体，将传统的干涉平台微型化，应用场所更加广泛。微机电干涉平台控制需要利用外部机械固定系统和电路系统实时的纠正微镜的镜面偏移，以此来达到预想的运动方向和运动方式。微机电干涉平台在光的干涉上提供了微型的解决方案，微机电干涉平台配合光谱技术，应用于光谱仪系统中用于检测物质成分构成，其市场价值相当庞大，尤其是微型便携式的光谱仪，其应用前景更是惹人关注。 

虽然在MEMS微镜领域已经有一些较为成熟的控制方案，但是针对微机电干 涉平台尚未有成熟的系统方案，尤其是低成本，可靠性较高的微干涉平台。 

基于上述描述，亟需要一种带闭环控制系统的微机电干涉平台，以解决现有技术中存在的微机电干涉平台所需控制分辨率低，成本高，可靠性较差的问题。 

发明内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种带闭环控制系统的微机电干涉平台及其控制方法，以闭环控制方式实现实时控制，保证两个动镜初始角度不变，并且准确性高，成本低，易实现。 

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案： 

一种带闭环控制系统的微机电干涉平台，包括光路系统和闭环控制电路系统； 

所述光路系统包括激光光源、第一分光镜、第二分光镜、第一微镜、第一四象限探测器、第三分光镜、第二微镜、第二四象限探测器； 

第一分光镜用于把激光光源发出的一束激光分成相同的两束光，一束打在第二分光镜上，一束打在第三分光镜上； 

第二分光镜用于将一束光分成相同的两束光，一束打在第一微镜上，一束打在外部吸收，第一微镜反射后的光打在第一四象限探测器上； 

第三分光镜用于将一束光分成两束光，一束打在第二微镜上，一束打在外部吸收，第二微镜反射的光打在第二四象限探测器上； 

所述闭环控制电路系统包括数据处理模块，信号整形模块，光电转换模块和数据转换模块； 

所述数据处理模块是程序运算的中心，负责算法的运行和功能调度； 

所述信号整形模块用于将采集到的光电信号和驱动信号调整到合适的范 围； 

所述光电转换模块是将四象限探测器检测的光信号转换为电信号； 

所述数据转换模块是将光电转换模块输出的模拟信号采集到数据处理模块内部进行数据分析处理，以及将数字信号转换成模拟电压信号用于驱动作为动镜的微镜。 

作为优选，还包括机械固定装置，所述机械固定装置包括硅基座、硅基转接板、机械基座、防震垫和外壳； 

所述机械基座底部与外壳底部受力点，外壳与外界接触受力点均采用软接触式方式； 

所述硅基座刻有第一微镜固定槽、第二微镜固定槽、立方棱镜固定槽和焊盘。 

作为优选，所述第一微镜和第二微镜通过插装的方式植入硅基座卡槽内，其焊盘通过导电胶连接到硅基座的焊盘上。 

作为优选，所述激光光源、第一分光镜和第二分光镜分别置于机械基座的卡槽内部。 

作为优选，所述闭环控制电路系统还包括安全保护模块。 

作为优选，所述数据转换模块分为数模转换模块和模数转换模块。 

作为优选，所述第一微镜和第二微镜可以是垂直大位移MEMS微镜。 

作为优选，所述第一微镜和第二微镜为固定镜或动镜，也可以全部为动镜。 

本实用新型的有益效果为，由于本实用新型将负反馈闭环控制应用在微机电干涉平台的控制上，当两个微镜的角度是否与预设值不相同时，采用四象限探测器采集信息，并把信息传送到闭环控制电路系统中进行分析，并把分析结果的数字信号转换成模拟电压信号用于驱动作为动镜的微镜，使作为动镜的微 镜能够及时的恢复到预设的位置，即分别锁定两个微镜初始角度不变，所以该平台可克服微镜运动中的不可估计外界因素造成的不准确性，并且可实时控制，时刻保证微镜镜面的准确性。由于该平台的光路元件较少，并且算法简单，所以实现简单，容易重复实现，实用性强。由于本方案从电子线路角度控制，无需在微镜工艺和封装上做任何加工改动，所以控制方案所需成本低，容易实现，并可应用在其他类型的微镜上。机械固定方式简单，组装方式也简单，所以转接方式精度高，容易重复实现，减少了调试流程。由于本方案采用了多样化安全保护方式，所以可减少外界干扰对系统的影响。通过给微镜加载驱动电压可做出微小调整，容易实现微镜镜面的面型控制。并且引入干涉系统有利于观察微镜反馈校正后的实际运动效果。 

附图说明

图1为本实用新型提供的微机电干涉平台的系统框图； 

图2为本实用新型提供的光斑在四象限检测器接收面发生偏移示意图； 

图3为本实用新型提供的微镜镜面轴向运动发生偏移示意图； 

图4为本实用新型提供的微机电干涉平台的剖面图。 

图中： 

1、闭环控制电路系统；101、安全保护模块；102、数据处理模块；103、数据转换模块；104、信号整形模块；105、光电转换模块；106、激光驱动模块；107、微镜驱动模块；2、激光光源；3、第一分光镜；4、第一四象限探测器；5、第二分光镜；6、第一微镜；7、微机电干涉平台；8、立方棱镜固定槽；9、第二微镜；10、焊盘；11、第三分光镜；12、第二四象限探测器；13、机械固定装置；14、立方棱镜；15、硅基座；16、硅基转接板；17、机械基座；18、防 震垫；19、MEMS驱动电路；20、外壳；21、打线金丝；22、干涉平台转接线。 

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。 

整个平台安装有两个完全相同的MEMS微镜，作为优选方式，所述微镜为电热式微镜，配合立方棱镜组成迈克尔逊干涉装置。微干涉平台的两个微镜，一个作为干涉系统的固定镜，一个作为干涉系统的动镜。固定镜两个驱动臂加载相同的直流电压使其固定在设定位置，动镜两个驱动臂加载相同的三角波。加载驱动电压后固定镜保持不动，动镜做轴向运动。动镜运动后干涉系统两路光的光程差发生变化，当光程差等于干涉系统的入射光半波长的整数倍时，系统发生干涉。 

图1为本实用新型提供的微机电干涉平台的系统框图。所述微机电干涉平台包括光路系统、闭环控制电路系统1和机械固定装置13。 

光路系统包括激光光源2、第一分光镜3、第二分光镜5、第一微镜6、第一四象限探测器4、第三分光镜11、第二微镜9、第二四象限探测器12。激光光源2发出一束激光打在第一分光镜上3，第一分光镜3将一束光分成相同的两束光，一束打在第二分光镜5上，一束打在第三分光镜11上。第二分光镜将一束光分成相同的两束光，一束打在第一微镜6上，一束打在外部吸收，第一微镜6反射后的光打在第一四象限探测器4上。第三分光镜11将一束光分成两束光，一束打在第二微镜9上，一束打在外部吸收，第二微镜9反射的光打在第二四象限探测器12上。 

于本实施例中，作为优选方案，所述第一微镜6和第二微镜9可以是垂直大位移MEMS微镜。 

于本实施例中，作为优选方案，所述第一微镜6和第二微镜9既可以作为固 定镜又可以作为动镜，也可以全部为动镜。 

所述机械固定装置13包括硅基座15、硅基转接板16、机械基座17、防震垫18、外壳20以及用于固定闭环控制电路系统1的固定装置。所述硅基座15设置在硅基转接板16上，所述硅基转接板16设置在机械基座17上。所述机械基座17底部与外壳20底部受力点，外壳20与外界接触受力点均采用软接触式方式。 

所述硅基座15上设置有微机电干涉平台7固定装置，微机电干涉平台7固定装置用于固定微机电干涉平台7，微机电干涉平台7上设置有立方棱镜固定槽8，立方棱镜固定槽8用于固定立方棱镜14。硅基座15上还刻有第一微镜6固定槽、第二微镜9固定槽、立方棱镜固定槽14和焊盘10。所述第一微镜6和第二微镜9通过插装的方式植入硅基座15卡槽内，其焊盘通过导电胶连接到硅基座15的焊盘10上。 

所述机械基座17上设置有用于安装激光光源2、第一分光镜3和第二分光镜5的卡槽，所述激光光源2、第一分光镜3和第二分光镜5分别置于机械基座17的卡槽内部。 

闭环控制电路系统1包括数据处理模块102，信号整形模块104，光电转换模块105、安全保护模块101、数据转换模块103、激光驱动模块106和微镜驱动模块107。 

数据处理模块102是程序运算的中心，负责算法的运行和功能调度。信号整形模块104用于将采集到的光电信号和驱动信号调整到合适的范围。光电转换模块105是将四象限探测器检测的光信号转换为电信号。数据转换模块103分为数模转换模块和模数转换模块，模数转换模块用来将光电转换模块105输出的模拟信号采集到数据处理模块102内部进行数据分析处理，数模转换模块 用来将数字信号转换成模拟电压信号用于驱动作为动镜的微镜。安全保护模块101用来防止上电、掉电和系统工作不稳定时产生大电压对微镜的冲击。激光驱动模块106用来驱动激光光源2发射激光。微镜驱动模块107用来驱动微镜的运动方向。 

图4为微机电干涉平台的剖面图。如图4所示，整个干涉平台组装的过程中，需要严格按照部件上的标识作为对准标记。驱动电路板与机械平台基座装配后固定，PCB转接板16根据机械平台上的直角定位标识，将PCB转接板16对准机械平台的标识固定，使用弹簧夹片将PCB转接板16固定到机械平台上，方便更换微干涉平台进行实验。MEMS驱动电路19与PCB转接板16之间使用干涉平台转接线22连接起来。硅基座15对准PCB转接板16上的对准标识固定好之后，硅基座15的焊盘通过打线金丝21的方式连接到PCB转接板16的焊盘上。再将两个微镜通过插装的方式植入干涉平台的硅基座15卡槽内，微镜边沿通过胶体固定，使用导电胶将微镜的焊盘与基座的焊盘10连接起来。将激光光源2和分光镜分别置于机械平台的卡槽内部，最后将立方棱镜14放入硅基座15的卡槽内部，使用胶体固定。打开激光光源2，观察出射口是否有干涉现象，如果未发生干涉，调整固定镜的驱动电压，调整其面型直到有干涉现象产生。 

本平台采用的安全保护措施为，干涉平台的基座17底部与外壳20底部受力点，整个系统的外壳22与外界接触受力点均采用软接触式方式，可减少外界偶然性冲击产生的震动对微镜的影响。作为优选方式，可在基座17底部与外壳20底部之间设置防震垫18。电路上采用可调限压模块和上电与掉电保护模块，来防止电路中过大电压对微镜的冲击。 

微机电干涉装置主要是驱动臂通过不同材料电热效应发生形变产生应力带动镜面运动。每个微镜有两个或四个完全相同的驱动臂，给微镜驱动臂加载相 同信号，微镜会沿着轴向做活塞运动。由于存在干扰因素，微镜在轴向运动的过程中，微镜的镜面会在轴向运动的过程中发生小角度偏移，如图3所示。微镜的反馈设计基于微镜的偏移变化量，根据四象限探测器检测到的光斑位置偏移来判断微镜偏移的方向及角度。在微镜工作的一个周期内，即驱动信号的一个周期，微镜每一时刻的位置信息通过四象限探测器检测后反馈到数据处理模块，数据处理模块通过内部算法控制微镜驱动臂加载电压的大小，从而控制微镜回到原始位置继续做轴向运动。 

具体的，该种微机电干涉平台负反馈闭环控制方法，包括以下步骤： 

步骤S10、第一微镜6将反射光打在四象限探测器4上，微镜9将反射光打在四象限探测器12上。 

步骤S20、第一四象限探测器4和第二四象限探测器12监控其运动过程中两个微镜的角度是否与预设值相同，当与预设值相同时，表明微镜在轴向运动过程中没有发生偏移，则重复步骤S10，当检测到的角度与预设值不同时，执行步骤S30。 

步骤S30、四象限探测器将光斑位置变化信息捕捉到，并采集到数据处理模块102进行计算处理。 

步骤S40、数据处理模块102将实际值与设定值的变化量记录下来，通过计算将数模转换模块103输出的驱动电压做出相应的变化，使作为动镜的微镜能够及时的恢复到预设的位置，即分别锁定两个微镜初始角度不变。 

作为本实施例的一种优选方案，在步骤S40中，将数模转换模块输出的驱动电压做出相应的变化时所用的算法为PID算法。 

将微机电干涉装置的引脚连接到电路系统中，电路系统输出峰峰值为V，频率为f的三角波电压。t0时刻微镜开始做轴向运动，四象限探测器上光斑位置 位于探测器中心，微镜在轴向运动的过程中，受到干扰后微镜的镜面会在轴向运动的过程中发生偏转，假设t1时刻微镜发生偏移，如图2所示，即四象限探测器检测到的光斑发生偏移。系统采集四象限探测器的输出信号，将采集到的四组电压值经过归一化处理，计算出微镜偏移导致的光斑坐标位置变化，数据处理模块通过软件算法使驱动微镜的电压值做出相应调整，使微镜镜面回到初始位置沿轴向做运动，此时镜面无偏移，四象限探测器的输出信号恢复到t0时刻的状态。在微镜整个位移过程中，微镜驱动电压可以表示为时间与电压值的数组A[V0，T]，微镜镜面偏转导致四象限探测器输出信号传给数据处理模块后产生的调整电压可以表示为一个数组B[V1，T]，最终加载到微镜上的驱动电压可以表示为C[V2，T]，因此有C[V2，T]=A[V0，T]-B[V1，T]。系统采用嵌入式系统，反馈迅速，反馈时间远小于微镜的响应时间，因此可以使干涉平台的两个微镜均锁定在初始角度。 

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：包括光路系统和闭环控制电路系统（1）； 

所述光路系统包括激光光源（2）、第一分光镜（3）、第二分光镜（5）、第一微镜（6）、第一四象限探测器（4）、第三分光镜（11）、第二微镜（9）、第二四象限探测器（12）； 

第一分光镜（3）用于把激光光源（2）发出的一束激光分成相同的两束光，一束打在第二分光镜（5）上，一束打在第三分光镜（11）上； 

第二分光镜（5）用于将一束光分成相同的两束光，一束打在第一微镜（6）上，一束打在外部吸收，第一微镜（6）反射后的光打在第一四象限探测器（4）上； 

第三分光镜（11）用于将一束光分成两束光，一束打在第二微镜（9）上，一束打在外部吸收，第二微镜（9）反射的光打在第二四象限探测器（12）上； 

所述闭环控制电路系统（1）包括数据处理模块（102），信号整形模块（104），光电转换模块（105）和数据转换模块（103）； 

所述数据处理模块（102）是程序运算的中心，负责算法的运行和功能调度； 

所述信号整形模块（104）用于将采集到的光电信号和驱动信号调整到合适的范围； 

所述光电转换模块（105）是将四象限探测器检测的光信号转换为电信号； 

所述数据转换模块（103）是将光电转换模块（105）输出的模拟信号采集到数据处理模块（102）内部进行数据分析处理，以及将数字信号转换成模拟电压信号用于驱动作为动镜的微镜。 

2.根据权利要求1所述的带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：还包括机械固定装置（13），所述机械固定装置（13）包括硅基座（15）、硅基转接板（16）、机械基座（17）、防震垫（18）和外壳（20）； 

所述机械基座（17）底部与外壳（20）底部受力点，外壳（20）与外界接触受力点均采用软接触式方式； 

所述硅基座（15）刻有第一微镜（6）固定槽、第二微镜（9）固定槽、立方棱镜固定槽（8）和焊盘（10）。 

3.根据权利要求2所述的带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：所述第一微镜（6）和第二微镜（9）通过插装的方式植入硅基座（15）卡槽内，其焊盘通过导电胶连接到硅基座（15）的焊盘（10）上。 

4.根据权利要求2所述的带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：所述激光光源（2）、第一分光镜（3）和第二分光镜（5）分别置于机械基座（17）的卡槽内部。 

5.根据权利要求1所述的带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：所述闭环控制电路系统（1）还包括安全保护模块（101）。 

6.根据权利要求1所述的带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：所述数据转换模块（103）分为数模转换模块和模数转换模块。 

7.根据权利要求1所述的带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：所述第一微镜（6）和第二微镜（9）可以是垂直大位移MEMS微镜。 

8.根据权利要求1所述的带闭环控制系统的微机电干涉平台，其特征在于：所述第一微镜（6）和第二微镜（9）为固定镜或动镜，也可以全部为动镜。 

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