CN113495259A - Mems扫描镜偏转角校准装置 - Google Patents

Mems扫描镜偏转角校准装置 Download PDF

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CN113495259A CN202010265803.5A CN202010265803A CN113495259A CN 113495259 A CN113495259 A CN 113495259A CN 202010265803 A CN202010265803 A CN 202010265803A CN 113495259 A CN113495259 A CN 113495259A
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刘玉平
丁思奇
马如豹
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Abstract

本发明公开了一种MEMS扫描镜偏转角校准装置，该MEMS扫描镜偏转角校准装置包括：安装台；第一调整支架，设置于安装台上，用于安装MEMS扫描镜；相机模块，设置于安装台上，用于获取MEMS扫描镜的图像信息并根据图像信息测量MEMS扫描镜的方位偏差，以通过第一调整支架调整MEMS扫描镜的方位；激光发射器，用于向MEMS扫描镜发射激光束；第二调整支架，设置于安装台上，激光发射器安装于第二调整支架上，第二调整支架用于调整激光发射器的方位；位置探测器，设置于安装台上，MEMS扫描镜能将激光束聚焦到位置探测器的光敏面上，位置探测器能根据探测到的激光光斑获取MEMS扫描镜的实际偏转角，以得到实际偏转角与理论偏转角之间的角度偏差。

Description

MEMS扫描镜偏转角校准装置
技术领域
本发明涉及激光雷达探测技术领域，尤其涉及一种MEMS扫描镜偏转角校准装置。
背景技术
MEMS扫描镜是一种将微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起形成的MEMS光学器件，通过MEMS驱动器驱动微光反射镜进行偏转，从而改变MEMS扫描镜的偏转角以实现扫描。MEMS扫描镜的扫描性能是MEMS扫描镜的重要参数，需要测量和评估MEMS扫描镜的扫描性能和可靠性，以确保MEMS扫描镜满足车规要求。
目前通过测量微光反射镜的偏转角以及驱动电压和电流的计算来估测MEMS扫描镜的偏转角，缺乏精度和稳定性。微光反射镜根据输入信号以一种确定和可重复的方式控制激光束偏转，因此MEMS扫描镜需要实时测量微光反射镜的偏转角以及驱动电压和电流信号，测量装置自身也需要校准，以保证测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能提高测量精度和稳定性的MEMS扫描镜偏转角校准装置。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种MEMS扫描镜偏转角校准装置，包括：
安装台；
第一调整支架，设置于所述安装台上，用于安装MEMS扫描镜；
相机模块，设置于所述安装台上，用于获取所述MEMS扫描镜的图像信息并根据所述图像信息测量所述MEMS扫描镜的方位偏差，以通过所述第一调整支架调整所述MEMS扫描镜的方位；
激光发射器，用于向所述MEMS扫描镜发射激光束；
第二调整支架，设置于所述安装台上，所述激光发射器安装于所述第二调整支架上，所述第二调整支架用于调整所述激光发射器的方位；以及
位置探测器，设置于所述安装台上，所述MEMS扫描镜能将所述激光束聚焦到所述位置探测器的光敏面上，所述位置探测器能根据探测到的激光光斑获取所述MEMS扫描镜的实际偏转角，以得到所述实际偏转角与理论偏转角之间的角度偏差。
在一些实施例中，所述MEMS扫描镜偏转角校准装置还包括：
测距传感器，设置于所述位置探测器上，用于测量所述位置探测器与所述MEMS扫描镜之间的初始距离，以获取所述初始距离与理想初始距离之间的距离偏差；以及
第三调整支架，设置于所述安装台上，所述位置探测器安装于所述第三调整支架上，所述第三调整支架能根据所述距离偏差调整所述位置探测器与所述MEMS扫描镜之间的初始距离。
在一些实施例中，所述第三调整支架为能调整所述位置探测器水平位移的一维电动平移支架。
在一些实施例中，所述MEMS扫描镜偏转角校准装置还包括：
计算机，与所述第三调整支架通信连接，用于发送移动信号至所述第三调整支架，所述第三调整支架能根据所述移动信号驱动所述位置探测器沿垂直于自身光敏面的方向发生位移；以及
位移传感器，设置于所述位置探测器上，并与所述计算机通信连接，用于测量所述位置探测器的位移并将所述位移反馈至所述计算机，所述计算机记录所述位移以及所述位移对应的实际偏转角。
在一些实施例中，所述MEMS扫描镜偏转角校准装置还包括：
控制电路板，设置于所述第三调整支架上；
抗干扰模块，电连接于所述控制电路板，所述抗干扰模块与所述位置探测器电连接，用于消除位置探测器受到的电磁干扰；以及
信号处理模块，电连接于所述控制电路板，所述信号处理模块与所述位置探测器电连接，用于处理所述位置探测器探测到的激光光斑所对应的电压/电流信号。
在一些实施例中，所述相机模块能够获取所述激光发射器发出的激光束的图像信息，并根据所述激光束的图像信息获取所述激光束的方位，以通过所述第二调整支架调整所述激光发射器的方位。
在一些实施例中，所述相机模块包括：
相机，用于拍摄所述MEMS扫描镜以获取所述MEMS扫描镜的图像信息；以及
图像处理单元，与所述相机通信连接，用于接收并处理所述图像信息，以获取所述MEMS扫描镜的方位偏差。
在一些实施例中，所述相机通过第四调整支架安装在所述安装台上，所述第四调整支架用于调整所述相机的方位。
在一些实施例中，所述第四调整支架为用于调整所述相机的高度的一维调整支架。
在一些实施例中，所述第一调整支架和/或所述第二调整支架为五维调整支架，所述五维调整支架具有三维平移和二维角度旋转共五个自由度。
本发明MEMS扫描镜偏转角校准装置至少具有以下有益效果：通过位置探测器实时高精度测量MEMS扫描镜的偏转角，以对MEMS扫描镜的偏转角进行校准，提升了MEMS扫描镜偏转角的测量精度；并且能够在测量MEMS扫描镜的偏转角的同时通过第一调整支架和相机模块进行MEMS扫描镜的单独校准，通过第二调整支架进行激光发射器的单独校准，各个机构的校准过程相互协同，提高了整个校准装置的测量精度和稳定性，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明实施方式提供的MEMS扫描镜偏转角校准装置的结构示意图；
图2为本发明实施方式提供的MEMS扫描镜偏转角校准装置的分解示意图；
图3为图1所示MEMS扫描镜偏转角校准装置的另一角度的结构示意图；
图4为本发明实施方式提供的MEMS扫描镜偏转角校准装置的工作原理图；
附图标号说明：
安装台10，MEMS扫描镜20，MEMS驱动器21，激光发射器30，准直器31，位置探测器40，相机51，第一调整支架61，第二调整支架62，第三调整支架63，第四调整支架64，计算机70。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本实施方式提供了一种MEMS扫描镜偏转角校准装置，如图1至图4所示，该MEMS扫描镜偏转角校准装置包括安装台10、第一调整支架61、激光发射器30、第二调整支架62、位置探测器40和相机模块。
其中，第一调整支架61设置于安装台10上，用于安装MEMS扫描镜20；激光发射器30用于向MEMS扫描镜20发射激光束；相机模块设置于安装台10上，用于获取MEMS扫描镜20的图像信息并根据图像信息测量MEMS扫描镜20的方位偏差，以通过第一调整支架61调整MEMS扫描镜20的方位；第二调整支架62设置于安装台10上，激光发射器30安装于第二调整支架62上，第二调整支架62用于调整激光发射器30的方位(即方向和位置)；位置探测器40设置于安装台10上，MEMS扫描镜20能将激光束聚焦到位置探测器40的光敏面上，位置探测器40能根据探测到的激光光斑获取MEMS扫描镜20的实际偏转角，以得到实际偏转角与理论偏转角之间的角度偏差。
上述MEMS扫描镜偏转角校准装置，通过位置探测器40实时高精度测量MEMS扫描镜20的偏转角，以对MEMS扫描镜20的偏转角进行校准，提升了MEMS扫描镜偏转角的测量精度；并且能够在测量MEMS扫描镜20的偏转角的同时通过第一调整支架61和相机模块进行MEMS扫描镜20的单独校准，通过第二调整支架62进行激光发射器30的单独校准，各个机构的校准过程相互协同，提高了整个校准装置的测量精度和稳定性，结构简单，操作方便。
具体地，MEMS扫描镜偏转角校准装置可以对不同的MEMS扫描镜20进行偏转角校准，而更换不同MEMS扫描镜20安装到第一调整支架61上的过程可能会引起MEMS扫描镜20的方位误差，因此可以通过相机模块获取当前MEMS扫描镜20的图像信息并根据图像信息获取当前MEMS扫描镜20的方位，将当前MEMS扫描镜20的方位与目标方位进行对比以得到MEMS扫描镜20的方位偏差，然后通过第一调整支架61调整当前MEMS扫描镜20的方位，以使当前MEMS扫描镜20的方位与目标方位相同。可选地，第一调整支架61可以是手动调整的，也可以是自动调整的。
在一些实施例中，第一调整支架61为五维调整支架，五维调整支架具有三维平移和二维角度旋转共五个自由度，可以向X、Y、Z、θX和θY这五个方向移动，调节精度更高。
本实施例中，激光发射器30是一个带光纤激光准直器31的光纤激光源，激光束通过准直器31投射到MEMS扫描镜20的中心区域(即微光反射镜的镜面中心)，再由MEMS扫描镜20的中心区域聚焦到位置探测器40上。具体地，在校准开始前可以使用第二调整支架62调整准直器31的方位，使激光发射器30发射的激光束精确地对准MEMS扫描镜20的中心区域，以提高MEMS扫描镜偏转角的测量精度。可选地，第二调整支架62可以是手动调整的，也可以是自动调整的。
在一些实施例中，第二调整支架62为五维调整支架，五维调整支架具有三维平移和二维角度旋转共五个自由度，可以向X、Y、Z、θX和θY这五个方向移动，调节精度更高。
在一些实施例中，相机模块包括相机51以及图像处理单元，相机51用于拍摄MEMS扫描镜20以获取MEMS扫描镜20的图像信息；图像处理单元与相机51通信连接，用于接收并处理图像信息，以获取MEMS扫描镜20的方位偏差。具体地，相机51与计算机70相连，计算机70内安装有图像处理软件，图像处理软件能根据MEMS扫描镜20的图像信息获取MEMS扫描镜20的方位偏差，从而为正确判断和调整MEMS扫描镜20的安装位置提供直观的支持。
其中，相机51可通过第四调整支架64安装在安装台10上，可以通过第四调整支架64调整相机51的方位，以调整相机51的拍摄角度。本实施例中，第四调整支架64为用于调整相机51的高度的一维调整支架，通过一维调整支架调整相机51的高度使相机51能够拍摄到MEMS扫描镜20，避免被其它部件遮挡。应当理解的是，在其它实施例中，第四调整支架64也可以是多维调整支架。
本实施例中，相机51为带远心物镜(即远心镜头)的高分辨率数码相机，远心物镜可以在一定的物距范围内使得到的图像放大倍率不会变化，从而可以更准确地测量由于更换不同MEMS扫描镜20而引起的方位误差。
在一些实施例中，相机模块能够获取激光发射器30发出的激光束的图像信息，并根据激光束的图像信息获取激光束的方位，以通过第二调整支架62调整激光发射器30的方位，实现直接调整激光束，校准效果更好。
位置探测器(PSD，Position Sensitive Detector)40能实时准确地跟踪自身光敏面上的激光光斑位置，以获取激光光斑对应的MEMS扫描镜偏转角，从而实现实时高精度测量MEMS扫描镜偏转角，以便对MEMS扫描镜20的偏转角进行校准，提升MEMS扫描镜偏转角的校准准确度。
在一些实施例中，MEMS扫描镜偏转角校准装置还包括测距传感器以及第三调整支架63，测距传感器设置于位置探测器40上，用于测量位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的初始距离，以获取初始距离与理想初始距离之间的距离偏差；第三调整支架63设置于安装台10上，位置探测器40安装于第三调整支架63上，第三调整支架63能根据距离偏差调整位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的初始距离。
单个机构对准产生的***误差是影响MEMS扫描镜偏转角测量精度的主要因素，其中一个主要的误差源是位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的初始距离，需要在不确定度小于几十微米的情况下确定位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的初始距离，以保证测量所需的精度。因此，可以通过测距传感器测量位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的初始距离，然后根据探测到的初始距离通过第三调整支架63调整位置探测器40的位置，使位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的初始距离趋近于理想的初始距离，以消除位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的初始距离造成的偏转角测试误差，提高测量结果的可信度和稳定性。应当理解的是，位置探测器40与MEMS扫描镜20之间的距离是指位置探测器40的光敏面中心与MEMS扫描镜20的镜面中心连线的长度。
在一些实施例中，第三调整支架63为能调整位置探测器40水平位移的一维电动平移支架。在其它实施例中，第三调整支架63也可以为能调整位置探测器40水平位移和高度的支架。
在一些实施例中，MEMS扫描镜偏转角校准装置还包括计算机70以及位移传感器，计算机70与第三调整支架63通信连接，用于发送移动信号至第三调整支架63，第三调整支架63能根据移动信号驱动位置探测器40沿垂直于自身光敏面的方向发生位移；位移传感器设置于位置探测器40上，并与计算机70通信连接，用于测量位置探测器40的位移并将位移反馈至计算机70，计算机70记录位移以及位移对应的实际偏转角。优选地，位移传感器的引出线选用屏蔽线以减小电磁干扰。除此之外，为了减少由于开关电源而带来的脉冲干扰，在正负电源和地之间接入去藕电容，以减少噪声。
具体地，如图4所示，MEMS扫描镜20的MEMS驱动器21连接计算机70的输出接口A1；位置探测器40的输出接口分别连接计算机70的第一输入接口A2、第二输入接口A3和第三输入接口A4，通过第一输入接口A2发送X轴信号至计算机70，通过第二输入接口A3发送Y轴信号至计算机70，通过第三输入接口A4发送工作状态信号至计算机70；相机51连接计算机70的第四输入接口A5，可选地，第四输入接口A5可以为USB接口。
在位置探测器40沿垂直于自身光敏面的方向移动的过程中，位移传感器将会测量位置探测器40的位移并将反馈至计算机70，同时位置探测器40会将探测到的激光光斑所对应的坐标发送至计算机70，以获取MEMS扫描镜20的实际偏转角，由此一个位移会对应得到一个实际偏转角，多个位移将会对应得到多个实际偏转角，计算机70对多个实际偏转角取平均值，将该平均值作为MEMS扫描镜20的偏转角，使得MEMS扫描镜偏转角的测量准确度更好。示例性地，MEMS扫描镜20的MEMS驱动器21输出第一驱动电压驱动其微光反射镜的镜面发生偏转，位置探测器40沿垂直于自身光敏面的方向移动5㎜以远离MEMS扫描镜20；在位置探测器40移动过程中，每移动1㎜位移传感器就会发送信号至计算机70，同时位置探测器40会将在该位置探测到的激光光斑所对应的坐标发送至计算机70，每个坐标对应一个MEMS扫描镜偏转角，因此在移动5㎜的过程中将会获取到五个坐标，五个坐标对应得到五个MEMS扫描镜偏转角；同理，在位置探测器40返回初始位置的移动过程中也会获取到五个坐标，五个坐标对应得到五个MEMS扫描镜偏转角，通过计算机70对得到的十个MEMS扫描镜偏转角取平均值，将该平均值作为第一驱动电压对应的实际偏转角。
由于MEMS扫描镜20的高压驱动会产生电磁干扰，而电磁干扰会影响校准装置的稳定性，导致测量误差，因此MEMS扫描镜偏转角校准装置还包括控制电路板、抗干扰模块以及信号处理模块，控制电路板设置于第三调整支架63上；抗干扰模块电连接于控制电路板，抗干扰模块与位置探测器40电连接，用于消除位置探测器40受到的电磁干扰，提高校准装置的稳定性；信号处理模块电连接于控制电路板，该信号处理模块与位置探测器40电连接，用于处理位置探测器40探测到的激光光斑所对应的电压/电流信号。
可选地，抗干扰模块包括跨阻放大器，跨阻放大器输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低且性能稳定，可以提高校准装置的测量精度。信号处理模块中的所有电阻优选采用高精度、高稳定的金属膜电阻，以提高校准装置的测量精度。
下面结合图3和图4对上述MEMS扫描镜偏转角校准装置的工作原理进行说明：
校准前，先通过第一调整支架61调整MEMS扫描镜20的方位，使MEMS扫描镜20的镜面与位置探测器40的光敏面平行，并且MEMS扫描镜20的镜面中心与位置探测器40的光敏面中心高度重合(如图3所示)，接着通过第二调整支架62调整激光发射器30的方位，使激光发射器30发射的激光束打在MEMS扫描镜20的镜面中心，经MEMS扫描镜20的镜面反射后聚焦到位置探测器40的光敏面，然后开始校准；校准过程中，MEMS扫描镜20的MEMS驱动器21输出一个驱动电压驱动其微光反射镜的镜面发生偏转，激光束经微光反射镜的镜面反射后聚焦到位置探测器40的光敏面，位置探测器40探测到激光光斑后输出两路模拟电压信号，该电压信号分别代表激光光斑在位置探测器40上的位置，通过计算机70记录两路模拟电压信号对应的位置坐标，该位置坐标反映了当前驱动电压所对应的MEMS扫描镜偏转角，当MEMS扫描镜20的MEMS驱动器21依次输出多个不同的驱动电压后将会得到多个MEMS扫描镜偏转角，通过计算机70对多个MEMS扫描镜偏转角与多个驱动电压进行拟合，即可得到MEMS扫描镜20的偏转角校准系数。
需要说明的是，当一个部被称为“固定于”另一个部，它可以直接在另一个部上也可以存在居中的部。当一个部被认为是“连接”到另一个部，它可以是直接连接到另一个部或者可能同时存在居中部。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述，只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，包括：
安装台；
第一调整支架，设置于所述安装台上，用于安装MEMS扫描镜；
相机模块，设置于所述安装台上，用于获取所述MEMS扫描镜的图像信息并根据所述图像信息测量所述MEMS扫描镜的方位偏差，以通过所述第一调整支架调整所述MEMS扫描镜的方位；
激光发射器，用于向所述MEMS扫描镜发射激光束；
第二调整支架，设置于所述安装台上，所述激光发射器安装于所述第二调整支架上，所述第二调整支架用于调整所述激光发射器的方位；以及
位置探测器，设置于所述安装台上，所述MEMS扫描镜能将所述激光束聚焦到所述位置探测器的光敏面上，所述位置探测器能根据探测到的激光光斑获取所述MEMS扫描镜的实际偏转角，以得到所述实际偏转角与理论偏转角之间的角度偏差。
2.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，还包括：
测距传感器，设置于所述位置探测器上，用于测量所述位置探测器与所述MEMS扫描镜之间的初始距离，以获取所述初始距离与理想初始距离之间的距离偏差；以及
第三调整支架，设置于所述安装台上，所述位置探测器安装于所述第三调整支架上，所述第三调整支架能根据所述距离偏差调整所述位置探测器与所述MEMS扫描镜之间的初始距离。
3.根据权利要求2所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，所述第三调整支架为能调整所述位置探测器水平位移的一维电动平移支架。
4.根据权利要求2所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，还包括：
计算机，与所述第三调整支架通信连接，用于发送移动信号至所述第三调整支架，所述第三调整支架能根据所述移动信号驱动所述位置探测器沿垂直于自身光敏面的方向发生位移；以及
位移传感器，设置于所述位置探测器上，并与所述计算机通信连接，用于测量所述位置探测器的位移并将所述位移反馈至所述计算机，所述计算机记录所述位移以及所述位移对应的实际偏转角。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，还包括：
控制电路板，设置于所述第三调整支架上；
抗干扰模块，电连接于所述控制电路板，所述抗干扰模块与所述位置探测器电连接，用于消除所述位置探测器受到的电磁干扰；以及
信号处理模块，电连接于所述控制电路板，所述信号处理模块与所述位置探测器电连接，用于处理所述位置探测器探测到的激光光斑所对应的电压/电流信号。
6.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，所述相机模块能够获取所述激光发射器发出的激光束的图像信息，并根据所述激光束的图像信息获取所述激光束的方位，以通过所述第二调整支架调整所述激光发射器的方位。
7.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，所述相机模块包括：
相机，用于拍摄所述MEMS扫描镜以获取所述MEMS扫描镜的图像信息；以及
图像处理单元，与所述相机通信连接，用于接收并处理所述图像信息，以获取所述MEMS扫描镜的方位偏差。
8.根据权利要求7所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，所述相机通过第四调整支架安装在所述安装台上，所述第四调整支架用于调整所述相机的方位。
9.根据权利要求8所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，所述第四调整支架为用于调整所述相机的高度的一维调整支架。
10.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜偏转角校准装置，其特征在于，所述第一调整支架和/或所述第二调整支架为五维调整支架，所述五维调整支架具有三维平移和二维角度旋转共五个自由度。
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