CN102591008A

CN102591008A - 一种电热式微镜的精确开环控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102591008A
Application number: CN2012100318104A
Authority: CN
Inventors: 兰树明; 谢会开; 陈巧; 管帅; 傅霖来; 周亮
Original assignee: WUXI WIO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Chongqing Jiangshanhui Technology Co ltd
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: CN102591008B

Abstract

本发明公布了一种电热式微镜的精确开环控制系统，包括激光光源、第一分光镜、第二分光镜、微镜装置、屏幕和位置敏感传感器；其特征在于：所述微镜装置具有精确开环控制电路，所述精确开环控制电路包括中央处理器，输出数模转换模块，信号处理模块，采样模块和安全保护模块。一种电热式微镜的精确开环控制方法，包括系统参数的标定和开环控制步骤。本发明无需在微镜工艺和封装上做任何加工改动，成本低，容易实现。光路元件较少，实现简单，实用性强，一次标定参数后，可针对同一版微镜使用。外围控制电路简单，容易重复实现。开环系统内包含闭环控制，大大优化系统的精确度，可精确控制微镜的偏转角度。

Description

一种电热式微镜的精确开环控制系统及其控制方法

技术领域

本发明是一种微机电系统装置的精确开环控制方案，属于针对微机电系统的电子电路设计领域。

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。电热式微镜系统主要包括镜面、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。

电热式微镜精确控制是一个较复杂的过程，需要利用外部电路系统衡量系统本身的属性，以此来标定微镜偏转的角度。电热式微镜图形扫描方案配合激光显示技术，应用于光学相干层析(Optical Coherence Tomography，简称OCT)技术可以用于生物组织的无创断层扫描成像，特别适用于人体内脏器官癌症的早期诊断，其市场价值相当庞大，另外在光通信上的应用上前景也十分广阔。

虽然在MEMS微镜领域已经有一些较为成熟的控制方案，但是在电热式微镜领域尚未有通过电热方式进行精确开环控制的方案，尤其是低成本，可靠性较高的开环控制方案。

发明内容

本发明目的在于针对热驱动微镜的特性提供一种精确开环控制的电热式微镜系统及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种电热式微镜的精确开环控制系统，包括激光光源、第一分光镜、第二分光镜、微镜装置、屏幕和位置敏感传感器；激光光束通过第一分光镜达到微镜镜面上，微镜镜面反射的光束通过第一分光镜达到第二分光镜上，第二分光镜将光束分成两束，一束打在位置敏感传感器上，一束打在坐标屏幕上；其特征在于：所述微镜装置具有精确开环控制电路，所述精确开环控制电路包括中央处理器，输出数模转换模块，信号处理模块，采样模块和安全保护模块，其中

所述采样模块包括采样电阻和模数转化模块，通过采样电阻实时采集微镜装置各个驱动臂的驱动电压转化成数字信号传送给所述中央处理器；

所述中央处理器存储有输出电压变化量ΔV与相对应的标准微镜偏转角度变化量Δθ，输出微镜驱动信号，并根据接收到的所述采样模块传送的实际驱动臂的驱动电压变化信号和微镜镜面偏转角度变化值与存储的值相比较、计算出偏差值对输出信号进行补偿；

所述输出数模转换模块是将中央处理器的输出的数字信息转换成模拟电压信号；

所述信号处理模块用于将所述输出数模转换模块输出的模拟电压信号转换成微镜驱动电压；

所述安全保护模块是防止上电与掉电瞬间浪涌信号对微镜的冲击。

一种电热式微镜的精确开环控制方法，包括如下步骤：

(1)系统参数的标定：

激光光束垂直入射到微镜镜面后，镜面反射出一束光通过第二分光镜打到屏幕和位置敏感传感器上，当镜面受到驱动电压的驱动后发生一定角度的偏转，屏幕上的激光点会发生一定的偏移，记录相应的偏移量和位置敏感传感器输出的坐标位置，将所加电压的信息和位置敏感传感器坐标信息发送到电脑上位机软件中，自动拟合出所加电压值与偏角的关系曲线；标定出微镜工作的电压线性区，每个偏转角度对应的电压值，角度的分辨率和微镜所加载电压的最大值；

(2)开环控制：

根据标定的微镜装置系统参数控制驱动系统输出电压值来控制微镜的偏转角度，输出电压每变化ΔV的量会有一个标准的Δθ值与其一一对应；通过采样电阻的实时采样来反馈微镜驱动臂上加载电压的大小；一旦微镜的偏转角度与电压的关系对应出现误差，数模转换模块输出相应的差值电压作为补偿，使镜面的偏角能够正确的转到预定位置。

本发明具有下述优点：

1、首次将电热式标定方法用于微镜的偏转控制上。

2、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。

3、成本低，容易实现。

4、光路元件较少，实现简单，实用性强，一次标定参数后，可针对同一版微镜使用。

5、外围控制电路简单，容易重复实现。

6、通过上位机与电路系统的通信，将数据上传至上位机软件进行计算，自动拟合出微镜电压与角度的关系。

7、开环系统内包含闭环控制，大大优化系统的精确度，可精确控制微镜的偏转角度。

附图说明

图1为发明示意图；

图中，1、激光光源；2、第一分光镜；3、微镜装置；4、第二分光镜；5、位置敏感传感器；6、屏幕；7、采样电阻；8、采样电路；9、数模转换模块；10、中央处理器；11、信号处理模块；12、上位机软件；13、安全保护模块。

具体实施方式

光路设计：如图1所示主要是光路搭建的方法和尺寸的设计，本发明中第一分光镜2将激光光源1发射出的一束光打到微镜镜面上，最重要的是激光与微镜的镜面要保持严格的垂直关系。微镜装置3受到驱动电压的驱动镜面发生角度偏转，光束会通过第一分光镜2达到第二分光镜4上，第二分光镜4将光束分成两束，一束打在位置敏感传感器5(PSD)上，一束打在坐标屏幕6上。第一分光镜2距离微镜镜面的距离要保持最近距离，第二分光镜4位置要保证第一分光镜2射出的光线打在第二分光镜4上时既能严格垂直的打在位置敏感传感器5(PSD)上，又要保证光线不会偏离分光镜面。屏幕6和位置敏感传感器5(PSD)距离第二分光镜4的距离要尽量远一些，尽量用满量程的范围测量数据，以保证微镜偏转角度与驱动电压关系建立时的高分辨率。

开环电路系统设计：如图1所示开环系统的电路包括中央处理器10，输出数模转换模块9，信号处理模块11，采样电阻7、采样电路8和安全保护模块13。中央处理器10是程序运算的中心，数模转换模块9是将中央处理器10的数字信息转换成模拟电压信号。模拟电压信号经过信号处理模块11得到我们设定的驱动微镜的电压信号加载到微镜上。采样模块包括采样电阻7和采样电路8是实时监控微镜驱动臂所加电压的情况，安全保护模块13是防止上电与掉电瞬间浪涌信号对微镜的冲击。

系统参数的标定方法：标定的系统参数是微镜的偏转角度与所加电压的关系。激光垂直入射到微镜镜面后，镜面反射出一束光打到屏幕6和位置敏感传感器5(PSD)上，当镜面受到驱动电压的驱动后发生一定角度的偏转，屏幕6上的激光点会发生一定的偏移，记录相应的偏移量和位置敏感传感器5(PSD)输出的坐标位置，将所加电压的信息和PSD坐标信息发送到电脑上位机软件12中，自动拟合出所加电压值与偏角的关系曲线。标定出微镜工作的电压线性区，每个偏转角度对应的电压值，角度的分辨率和微镜所加载电压的最大值。

电热式精确开环控制的方法：利用微镜的电热特性控制驱动系统输出电压值来控制微镜的偏转角度，输出电压每变化ΔV的量会有一个标准的Δθ值与其一一对应。通过采样电阻的实时采样来反馈微镜驱动臂上加载电压的大小。一旦微镜的偏转角度与电压的关系对应出现误差，输出数模转换模块输出相应的差值电压作为补偿，使镜面的偏角能够正确的转到预定位置。

按图1所示搭建好光路后将MEMS的4路引脚连接到外接采样电阻上，驱动电路输出0-4V步进100mV的电压值，分别在屏幕的坐标纸上和位置敏感传感器(PSD)输出端读出坐标值，上位机软件记录为(X，Y，V)和(X1，Y1，V1)其中X代表横坐标，Y代表纵坐标，V代表电压。将所有的坐标值输出并拟合出相应曲线。根据曲线特征，标定采样电阻的电压和偏转角度的对应关系。再标定MEMS电阻电压与采样电阻电压差值与偏转角度的关系。利用采样电路采集监控加载到MEMS引脚上的电压是否符合曲线上对应角度的电压值，如果存在偏差则数模转换模块输出相应的补偿电压，使微镜能够达到理想的偏转位置。

电热式MEMS微镜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偏转。每个微镜有4个完全相同的驱动臂，当加载电压值为U的电压时，在驱动臂上产生的热量Q可以表示为：

I_{m} = I_{s} = \frac{U_{S}}{R_{S}}

Q = {I_{m}}^{2} R_{m} t = \frac{{U_{m}}^{2}}{R_{m}} t

Q＝cmΔT+Q_辐射+Q_对流

U＝Um+Us R＝Rm+Rs

Rm为MEMS驱动臂的加热电阻，Rs为外界采样电阻。U为驱动信号的电压，Um为MEMS驱动臂上的电压，Us为采样电阻两端的电压。

由于驱动臂体积小质量轻，热量值Q在微镜的驱动臂上都会转换成温度T，每一个T都会有一个偏转角度与其对应，因此热量的变化量ΔQ对应了ΔT，ΔT与镜面的偏转角度Δα的对应关系可由此建立起来。在恒压驱动的条件下，微镜的偏转角度与两个参数有关，即Um和Rm，其中Rm受温度的影响会产生变化，可表示为：

R_m2＝R_m1(1+ΔT·TCR)

TCR为电阻的温度系数，Rm1为加热电阻常温下的电阻值，Rm2为热导致的变化后电阻值。因此实际描绘出的电压与角度的关系曲线包含了两种关系，一个是Um的变化导致Q的变化，一个是Q的变化导致驱动臂温度T的变化从而导致Rm的变化。采样电阻值不受温度的影响，Um＝U-Us因此可以将Um的变化导致Q的变化曲线从这两种关系中分离出来，同时根据Im＝Us/Rs得出消耗在驱动臂上的功率值，并与偏转角度对应起来。

建立驱动电压与偏转角度的关系曲线后，根据需求可以任意设定微镜的偏转角度。同时根据AD采集的电压监控偏转角度的位置情况，一旦电压产生变化，DA输出的电压自动补偿到相应的驱动臂上保持微镜角度为设定角度不变。

Claims

1.一种电热式微镜的精确开环控制系统，包括激光光源、第一分光镜、第二分光镜、微镜装置、屏幕和位置敏感传感器；激光光束通过第一分光镜达到微镜镜面上，微镜镜面反射的光束通过第一分光镜达到第二分光镜上，第二分光镜将光束分成两束，一束打在位置敏感传感器上，一束打在坐标屏幕上；其特征在于：所述微镜装置具有精确开环控制电路，所述精确开环控制电路包括中央处理器，输出数模转换模块，信号处理模块，采样模块和安全保护模块，其中

所述中央处理器存储有输出电压变化量

Figure 2012100318104100001DEST_PATH_IMAGE002

与相对应的标准微镜偏转角度变化量

Figure 2012100318104100001DEST_PATH_IMAGE004

，输出微镜驱动信号，并根据接收到的所述采样模块传送的实际驱动臂的驱动电压变化信号和微镜镜面偏转角度变化值与存储的值相比较、计算出偏差值对输出信号进行补偿；

2.一种电热式微镜的精确开环控制方法，包括如下步骤：

（1）系统参数的标定：

激光光束垂直入射到微镜镜面后，镜面反射出一束光通过第二分光镜打到屏幕和位置敏感传感器上，当镜面受到驱动电压的驱动后发生一定角度的偏转，屏幕上的激光点会发生一定的偏移，记录相应的偏移量和位置敏感传感器输出的坐标位置,将所加电压的信息和位置敏感传感器坐标信息发送到电脑上位机软件中，自动拟合出所加电压值与偏角的关系曲线；标定出微镜工作的电压线性区，每个偏转角度对应的电压值，角度的分辨率和微镜所加载电压的最大值；

（2）开环控制：

根据标定的微镜装置系统参数控制驱动系统输出电压值来控制微镜的偏转角度，输出电压每变化

的量会有一个标准的

值与其一一对应；通过采样电阻的实时采样来反馈微镜驱动臂上加载电压的大小；一旦微镜的偏转角度与电压的关系对应出现误差，数模转换模块输出相应的差值电压作为补偿，使镜面的偏角能够正确的转到预定位置。