[发明专利]基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了基于双轴谐振式MEMS微镜的扫描控制系统及控制方法，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。

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微镜的扫描控制系统及控制方法。

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，降低了系统的工作稳定性。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微镜的扫描控制系统及控制方法，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；