CN111722238A - 基于双轴谐振式mems微镜的扫描控制***及控制方法 - Google Patents

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李帆雅
沈文江
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Abstract

本发明公开了基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***及控制方法，MEMS微镜为一双轴谐振MEMS微镜或由两个单轴MEMS微镜组成，可在第一驱动信号的驱动下绕第一转轴旋转，并同时在第二驱动信号的驱动下绕第二转轴旋转，第一转轴与第二转轴垂直，MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴的谐振频率接近，控制方法包括：调节第一驱动信号的主驱动频率，使绕第一转轴旋转的工作频率实时与其谐振频率一致；调节第二驱动信号的从驱动频率，使从驱动频率实时与主驱动频率一致；实时调节第二驱动信号的相位，使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差始终为π/2；改变绕第二转轴旋转的驱动幅值，形成面扫描。

Description

基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及微镜控制技术，具体涉及一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***及控制方法。
背景技术
人工智能时代背景下，激光投影、激光雷达、三维扫描、MEMS光开关等光电技术的应用已成为国内外研究的热点，其中激光扫描技术作为这些应用中的核心技术被广泛使用。目前，激光扫描技术大多采用机械式扫描振镜或者MEMS微镜来实现一维或者二维方向上的扫描。MEMS微镜是基于微纳加工工艺制作的一种光学器件，其基本原理如图1所示，即反射镜在微小驱动结构的作用力下，发生扭转或变形，通过微镜一定角度的偏转从而改变光束的传播方向。
目前常用的激光扫描模式有两种，第一种为光栅扫描方式，扫描轨迹如图2所示，光束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序进行扫描，即光束先从左上角开始，向右扫描一条水平线，然后向左回扫到左边偏下一点的位置，再向右扫水平线，照此固定的路径及顺序不断的逐行扫描。第二种为李萨如扫描方式，扫描轨迹如图3所示。由在互相垂直方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则稳定的封闭曲线称为李萨如图形。其形状取决于两个分振动的振幅比、频率比和初位相差。当一束激光照射在谐振式二维微型扫描镜上时，反射光束会随着扫描镜的运动在投影区域按照李萨茹方式进行周期性扫描，李萨茹图形的疏密特性可以通过选择合适的扫描镜谐振频率来调节。
现有的光栅扫描技术中，采用一个方向快速谐振扫描，另外一个方向低速准静态扫描，对脉冲进行扫描发射。光栅扫描由于准静态扫描，扫描频率很低，所以外部的振动和冲击会影响脉冲的扫描精度，甚至破坏MEMS微镜的正常工作。同时低速转动的微镜做受迫振动扫描，为了实现大扫描角度，通常需要提高驱动电流或者降低微镜的响应频率，然而提高驱动电流会增加发热量，加大微镜器件的功耗，降低了***的工作稳定性。降低微镜的响应频率来则会使微镜的抗冲击能力与抗震性能下降。
李萨如扫描方式相对于光栅扫描方式而言，功耗低，扫描速度快，扫描角度大，两轴都是工作在谐振状态。但李萨如扫描方式的问题在于微镜的控制中无法保证李萨如扫描轨迹的稳定，由于李萨如扫描会随着微镜的谐振频率的漂移造成扫描轨迹的改变，如果要保证扫描轨迹不变就需要水平方向与垂直方向的工作频率比保持不变，当水平方向的工作频率漂移了就需要将垂直方向的工作频率按照特定的比例进行调整，这种调整方式在控制中较难实现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***及控制方法，以实现稳定扫描，提高工作稳定性。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
在一个总体方面，本发明提供一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制方法，所述MEMS微镜为一双轴谐振MEMS微镜或由两个单轴MEMS微镜组成，可在第一驱动信号的驱动下绕第一转轴旋转，并同时在第二驱动信号的驱动下绕第二转轴旋转，其中，第一转轴与第二转轴垂直，所述MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴的谐振频率接近，所述的控制方法包括步骤：
S1、调节第一驱动信号的主驱动频率，使绕第一转轴旋转的工作频率实时与其谐振频率一致；
S2、调节第二驱动信号的从驱动频率，使所述从驱动频率实时与所述主驱动频率一致；
S3、实时调节第二驱动信号的相位，使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差始终为π/2；
S4、改变绕第二转轴旋转的驱动幅值，形成面扫描。
优选地，步骤S4中，通过改变绕第二转轴旋转的驱动幅值，至少可形成椭圆面扫描。
优选地，步骤S1具体包括：
获取所述第一驱动信号的相位和绕第一转轴旋转的反馈信号的相位；
得到所述第一驱动信号与所述反馈信号的固定相位差；
根据所述固定相位差调节所述主驱动频率，使绕第一转轴旋转的工作频率实时与其谐振频率一致。
优选地，步骤S2具体包括：
获取所述主驱动频率；
根据所述主驱动频率，实时调节所述从驱动频率，使所述从驱动频率实时与所述主驱动频率一致。
优选地，所述步骤S3包括：
获取绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差；
根据所述相位差，实时补偿第二驱动信号的相位，使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差始终为π/2。
在另一个总体方面，本发明还提供一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***，所述***包括：
MEMS微镜，包括第一转轴和第二转轴，所述第一转轴和第二转轴相互垂直，其中，所述MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴的谐振频率接近；
反馈单元，设于所述MEMS微镜上，用于采集所述MEMS微镜的反馈信号；
驱动控制单元，用于向所述MEMS微镜施加驱动信号，驱动所述MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴往复旋转；还用于接收所述反馈信号，并根据所述反馈信号实时控制所述驱动信号，使所述MEMS微镜在绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转的工作频率实时与谐振频率一致，并使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转的反馈信号相位差始终为π/2。
优选地，所述MEMS微镜为一双轴谐振MEMS微镜。
优选地，所述MEMS微镜由两个单轴MEMS微镜组成。
优选地，所述反馈单元包括集成于所述MEMS微镜上的角度传感器。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
与现有技术相比，本发明的基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***及控制方法，利用双谐振扫描方式，通过实时修正主驱动方向的驱动频率以及实时修正从驱动方向的驱动信号相位的方式，并通过改变从驱动方向的驱动幅度来实现稳定的面扫描。同时，由于微镜工作在谐振状态，扫描速度快，扫描角度大，功耗低。同时可以使得微镜工作在较高的工作频率，可以提高***的抗冲击和振动能力。用于车载激光雷达可以实现低成本、易量产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中MEMS微镜扫描原理结构示意图；
图2为现有技术中光栅扫描曲线的示意图；
图3为现有技术中李萨如扫描曲线的示意图；
图4为本发明实施例的一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***的结构框图；
图5为本发明实施例1中的双轴谐振MEMS微镜的结构示意图；
图6为现有技术中激光雷达中激光脉冲发散角的示意图；
图7中(a)和(b)分别为双轴MEMS微镜抗冲击力仿真前后对比图；
图8中(a)和(b)分别为单轴MEMS微镜抗冲击力仿真前后对比图；
图9为本发明实施例2中的两个单轴谐振MEMS微镜的结构示意图；
图10为本发明实施例的一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制方法的步骤示意图；
图11为本发明实施例的通过所述扫描控制方法形成的椭圆面扫描；
图12为MEMS微镜频率-振幅-相位关系示意图；
图13中(a)和(b)分别为相位差等于π/2时和相位差不等于π/2时工作频率相同时微镜的扫描轨迹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
如图4所示，本实施例提供一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***100，其中，该***包括：MEMS微镜101、反馈单元102及驱动控制单元103。
具体的，MEMS微镜101，包括第一转轴和第二转轴，第一转轴和第二转轴相互垂直，其中，MEMS微镜101同时绕第一转轴和第二转轴转动，第一转轴的转动和第二转轴的转动分别在垂直的两个方向上，例如X方向和Y方向上。其中MEMS微镜101绕第一转轴和第二转轴的谐振频率接近，且具有较高的谐振频率。谐振频率接近是为了保证二维扫描时两个方向的驱动频率相同，而且较高的谐振频率可使得通过调整后的微镜工作在较高的工作频率。其中，由于在实际工作中，要保证两个谐振频率相等很难实现，因此，此处的所述谐振频率接近在本领域具有共识性。示例性的，这种接近可为两个谐振频率的差值介于±10HZ之间。其中，基于的双轴谐振式MEMS微镜为电磁驱动微镜，至于电磁驱动的方式即原理参照现有技术，在此不赘述。
反馈单元102，设于MEMS微镜101上，用于采集MEMS微镜101的反馈信号。示例性的，反馈单元102包括集成于MEMS微镜101上的角度传感器，集成角度传感器是为了通过角度传感器的反馈信号来控制双轴谐振式MEMS微镜的扫描。反馈信号至少包括MEMS微镜101转动过程中的两个方向上的相位。
驱动控制单元103，用于向MEMS微镜101施加驱动信号，驱动MEMS微镜101绕第一转轴和第二转轴往复旋转；还用于接收反馈信号，并根据反馈信号实时控制驱动信号，使MEMS微镜101在绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转的工作频率实时与谐振频率一致，并使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转的反馈信号相位差始终为π/2。
实施例1
本实施例作为上述基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***100的一种实现方式，参照图5所示，本实施例的MEMS微镜101为一双轴谐振MEMS微镜10，该双轴谐振MEMS微镜10包括第一转轴11和第二转轴12，第一转轴11和第二转轴12相互垂直，两个相互垂直的旋转轴皆在谐振状态下工作。所述双轴谐振MEMS微镜10通过电磁驱动，施加第一驱动信号，使双轴谐振MEMS微镜10绕第一转轴11转动；施加第二驱动信号，双轴谐振MEMS微镜10同时绕第二转轴12转动，通过控制第一驱动信号和第二驱动信号，以控制双轴谐振MEMS微镜10转动过程中的频率、相位等。
实施例2
进一步的，由于在实际使用中，激光雷达中激光脉冲发散角控制的越小，脉冲的能量更集中，这样探测的距离更远，探测的平面分辨率也更高。如图6所示，为了减小激光脉冲的发散角，激光雷达的光学***要求MEMS镜面越大越好。根据目前业界的激光器的选型和对发散角的要求(水平0.1°，垂直0.2°)，MEMS微镜镜面直径需要大于6mm。
BPP(Beam Parameter Product)即光束参数乘积，θ为发散角，ω为束腰半径。
BPP＝ω×θ
对于任意激光光束，其光束参数乘积是个不变量，即BPP是个常量，所以束腰半径越大，发散角越小。
Figure BDA0001999920730000061
在波长一定的情况下，高斯光束的远场发散角只与束腰半径有关，束腰半径越大，发散角越小。
然而随着MEMS镜面变大，镜面厚度也需要相应变厚，导致微镜扫描时的质量增加，从而降低了MEMS振镜抗振动和冲击的能力。通过ANSYS有限元软件分别对双轴MEMS微镜和单轴MEMS微镜进行抗冲击能力的仿真。仿真结果如图7和图8所示。其中，图7中(a)和(b)双轴MEMS微镜抗冲击力仿真的前后对比图。图8中(a)和(b)单轴MEMS微镜抗冲击力仿真的前后对比图。
如图7所示，沿着快轴方向对微镜施加脉冲载荷，慢轴能承受的最大加速度为330g。如图8所示，沿着垂直轴的方向对微镜施加脉冲载荷，单轴能承受的最大加速度为2296g。通过对比可以发现，单轴微镜的抗冲击能力远远大于双轴微镜。
因此，本实施例作为上述基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***100的另一种实现方式，参照图9所示，本实施例的MEMS微镜101由两个单轴MEMS微镜(21，21’)组成，每个单轴(22，22’)分别形成第一转轴和第二转轴。使用两个单轴MEMS微镜(21，21’)双谐振扫描的组合来提高***的抗冲击和抗振动能力，从而在保证***的抗冲击和抗振动能力的情况下，可使得MEMS镜面增大，以使得探测的距离更远，探测的平面分辨率也更高。优选的，通过采用两个单轴MEMS微镜(21，21’)的方式，可使得每个单轴MEMS微镜的镜面直径增大，提高镜面的利用率的同时可有效抵抗由于镜面增大引起的抗冲击和抗振动能力下降的问题。
基于上述的一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***100，本发明还提出一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***100的扫描控制方法，其中，所述双轴谐振式MEMS微镜为一双轴谐振MEMS微镜或由两个单轴MEMS微镜组成，可在第一驱动信号的驱动下绕第一转轴旋转，并同时在第二驱动信号的驱动下绕第二转轴旋转，其中，第一转轴与第二转轴垂直，MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴的谐振频率接近，如图10所示，所述控制方法包括步骤：
S1、调节第一驱动信号的主驱动频率，使绕第一转轴旋转的工作频率实时与其谐振频率一致。
步骤S1具体包括：
获取第一驱动信号的相位和绕第一转轴旋转的反馈信号的相位；
得到第一驱动信号与反馈信号的固定相位差；
根据固定相位差调节主驱动频率，使绕第一转轴旋转的工作频率实时与其谐振频率一致。
S2、调节第二驱动信号的从驱动频率，使从驱动频率实时与主驱动频率一致。
步骤S2具体包括：
获取主驱动频率；
根据主驱动频率，实时调节从驱动频率，使从驱动频率实时与主驱动频率一致。
S3、实时调节第二驱动信号的相位，使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差始终为π/2。
步骤S3具体包括：
获取绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差；
根据相位差，实时补偿第二驱动信号的相位，使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差始终为π/2。
S4、改变绕第二转轴旋转的驱动幅值，形成面扫描。在步骤S4中，通过改变绕第二转轴旋转的驱动幅值，如图11所示，至少可形成椭圆面扫描。
示例性的，参照图5所示，本实施例的双轴谐振式MEMS微镜为一双轴谐振MEMS微镜10，所述双轴谐振MEMS微镜10可在第一驱动信号的驱动下绕第一转轴11旋转，同时可在第二驱动信号的驱动下绕第二转轴12旋转，其中，第一转轴11与第二转轴12垂直。
示例性的，参照图9所示，本实施例的MEMS微镜101还可由两个单轴MEMS微镜(21，21’)组成，每个单轴(22，22’)分别形成第一转轴和第二转轴。使用两个单轴MEMS微镜(21，21’)双谐振扫描的组合来提高***的抗冲击和抗振动能力，从而在保证***的抗冲击和抗振动能力的情况下，可使得MEMS镜面增大，以使得探测的距离更远，探测的平面分辨率也更高。优选的，通过采用两个单轴MEMS微镜(21，21’)的方式，可使得每个单轴MEMS微镜的镜面直径增大，提高镜面的利用率的同时可有效抵抗由于镜面增大引起的抗冲击和抗振动能力下降的问题。
实施例3
如图11所示，通过上述扫描控制方法，可实现稳定的椭圆扫描。
具体的，本实施例中的椭圆扫描方式采用双轴微镜或者两个单轴微镜组合实现二维方向的扫描都可，但需要满足两个方向上的谐振频率较高且非常接近，同时在微镜上集成了角度传感器。谐振频率接近是为了保证二维扫描时两个方向的驱动频率相同，集成角度传感器是为了通过角度传感器的反馈信号来控制微镜的扫描。
当给微镜输入正弦信号后，存在以下关系：
微镜x方向实际驱动信号：
Figure BDA0001999920730000081
微镜y方向实际驱动信号：
Figure BDA0001999920730000082
微镜x方向实际反馈信号：
Figure BDA0001999920730000083
微镜y方向实际反馈信号：
Figure BDA0001999920730000084
其中，
Figure BDA0001999920730000085
分别为微镜在x方向和y方向驱动信号的初始相位，
Figure BDA0001999920730000086
分别为微镜在x方向和y方向工作时反馈信号与各自驱动信号的相位差，ωx，ωy分别为x方向和y方向的工作频率。微镜的实际响应频率与其驱动频率始终保持一致。
参照图12所示，其为实测的微镜频率-振幅-相位的关系。从图中可以看出，微镜的振幅在谐振点时最大。在谐振点附近，驱动信号与反馈信号的相位差有急剧的变化，相位差从0°变化为180°，当驱动频率为谐振频率时，相位差为90°。
当x＝y＝ω，
Figure BDA0001999920730000091
时，即当两个方向的工作频率一致，相位差相差90°时，如图13中(a)所示，扫描后得到正的椭圆，取了10个点)，此时
微镜x方向实际驱动信号：
Figure BDA0001999920730000092
微镜y方向实际驱动信号：
Figure BDA0001999920730000093
微镜x方向实际反馈信号：
Figure BDA0001999920730000094
微镜y方向实际反馈信号：
Figure BDA0001999920730000095
当x＝y＝ω，
Figure BDA0001999920730000096
时，如图13中(b)所示，扫描轨迹为一个斜的椭圆。
具体控制过程及实现方法：
(1)选取x方向(需要振幅大的方向)为主驱动，通过电路控制，保证x方向的工作频率始终与微镜的谐振频率一致。由于微镜的谐振频率会随着温度、共振等因素的影响会发生变化，此时从驱动信号与反馈信号的固定相位差的角度来调整驱动频率，从而保证x方向的振幅大小不变，即微镜的扫描角度不变。
(2)选取y方向(另一个方向)为从驱动，y方向的驱动频率与主驱动频率一致，振幅的大小通过驱动信号的幅值来调整。同时，通过补偿y方向驱动信号的相位来保证x与y反馈信号的相位差为π/2。
(3)最后在椭圆扫描稳定的基础上，通过改变y方向的驱动幅值，从而实现椭圆的面扫描，扫描轨迹如图11所示。
本发明的基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***及控制方法，利用双谐振扫描方式，通过实时修正主驱动方向的驱动频率以及实时修正从驱动方向的驱动信号相位的方式，并通过改变从驱动方向的驱动幅度来实现稳定的面扫描。同时，由于微镜工作在谐振状态，扫描速度快，扫描角度大，功耗低。同时可以使得微镜工作在较高的工作频率，可以提高***的抗冲击和振动能力。用于车载激光雷达可以实现低成本、易量产。
本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。所给实施例都是在太赫兹波段工作，但完全可以推广到红外和可见光等波段。

Claims (9)

1.一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制方法，其特征在于，所述MEMS微镜为一双轴谐振MEMS微镜或由两个单轴MEMS微镜组成，可在第一驱动信号的驱动下绕第一转轴旋转，并同时在第二驱动信号的驱动下绕第二转轴旋转，其中，第一转轴与第二转轴垂直，所述MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴的谐振频率接近，所述的控制方法包括步骤：
S1、调节第一驱动信号的主驱动频率，使绕第一转轴旋转的工作频率实时与其谐振频率一致；
S2、调节第二驱动信号的从驱动频率，使所述从驱动频率实时与所述主驱动频率一致；
S3、实时调节第二驱动信号的相位，使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差始终为π/2；
S4、改变绕第二转轴旋转的驱动幅值，形成面扫描。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S4中，通过改变绕第二转轴旋转的驱动幅值，至少可形成椭圆面扫描。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
获取所述第一驱动信号的相位和绕第一转轴旋转的反馈信号的相位；
得到所述第一驱动信号与所述反馈信号的固定相位差；
根据所述固定相位差调节所述主驱动频率，使绕第一转轴旋转的工作频率实时与其谐振频率一致。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
获取所述主驱动频率；
根据所述主驱动频率，实时调节所述从驱动频率，使所述从驱动频率实时与所述主驱动频率一致。
5.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
获取绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差；
根据所述相位差，实时补偿第二驱动信号的相位，使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转时的反馈信号的相位差始终为π/2。
6.一种基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制***，其特征在于，所述***包括：
MEMS微镜，包括第一转轴和第二转轴，所述第一转轴和第二转轴相互垂直，其中，所述MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴的谐振频率接近；
反馈单元，设于所述MEMS微镜上，用于采集所述MEMS微镜的反馈信号；
驱动控制单元，用于向所述MEMS微镜施加驱动信号，驱动所述MEMS微镜绕第一转轴和第二转轴往复旋转；还用于接收所述反馈信号，并根据所述反馈信号实时控制所述驱动信号，使所述MEMS微镜在绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转的工作频率实时与谐振频率一致，并使绕第一转轴旋转和绕第二转轴旋转的反馈信号相位差始终为π/2。
7.根据权利要求6所述的扫描显示***，其特征在于，所述MEMS微镜为一双轴谐振MEMS微镜。
8.根据权利要求6所述的扫描显示***，其特征在于，所述MEMS微镜由两个单轴MEMS微镜组成。
9.根据权利要求6～8任一所述的扫描显示***，其特征在于，所述反馈单元包括集成于所述MEMS微镜上的角度传感器。
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