CN113932908A - Mems扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MEMS扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法，该测量系统包括：准直光源，用于向MEMS扫描振镜的背面以相同方向入射准直光，预设翻转角度的MEMS扫描振镜平行于准直光入射方向且与准直光源有恒定间距；借助光栅结构构成的多个不同反光区，多个反光区分布在MEMS扫描振镜的背面，不同的反光区各自在MEMS扫描振镜的一个翻转角度上接收准直光的照射并向固定位置出射回波；光电探测器，用于在固定位置接收回波并转换回波为电信号；信号处理器，连接光电探测器，用于基于电信号确定振动参数。本申请简化了振动参数测量系统的结构。

Description

MEMS扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量的技术领域，尤其涉及一种MEMS扫描振镜振动参数的测量系统和测量方法。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)扫描振镜为一种矢量扫描器件，具有体积小、易集成以及扫描角度大、速度快、功耗低等特点，在激光打标、激光雷达，激光投影、结构光、人脸识别、激光成像和三维测量等领域具有广泛应用需求。

MEMS扫描振镜易受外界环境(如热对流、温度变化、湿度变化、空气扰动和环境振动等)影响，在不同环境中具有不同状态的简谐振动，因而，振动参数不完全依赖于生产商的制造，振动参数需通过测量方可精准确定。振动参数的当前测量方法主要有：利用多个光电探测器捕捉扫描振镜在振动过程中的反射光线并随之产生标志各光电探测器位置的电信号，最后电信号结合多个光电探测器的位置关系实现待测扫描镜振动幅值的确定。

上述测量方法离不开多个光电探测器的布置，其中，若对一维扫描振镜的振动参数进行测量，则需要至少两个不同位置布置的光电探测器；若对二维扫描振镜的振动参数进行测量，则需要更多不同位置布置光电探测器。多光电探测器的布置必然导致测量系统的结构复杂化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于对MEMS扫描振镜提供一种单光电探测器即可实现振动参数测量的测量系统和测量方法。

根据本发明第一方面，提供一种MEMS扫描振镜振动参数的测量系统，包括：

准直光源，用于在所述MEMS扫描振镜的振动过程中向所述MEMS扫描振镜的背面以相同方向入射准直光，其中，预设翻转角度的所述MEMS扫描振镜平行于准直光入射方向且与所述准直光源有恒定间距；

借助光栅结构构成的多个不同反光区，多个所述反光区分布在所述MEMS扫描振镜的背面，不同的所述反光区各自在所述MEMS扫描振镜的一个翻转角度上接收准直光的照射并向固定位置出射回波；

光电探测器，用于在所述固定位置接收回波并转换回波为电信号；

信号处理器，连接所述光电探测器，用于基于所述电信号解析所述光电探测器接收回波的时间以及回波所标志所述MEMS扫描振镜的翻转角度，并根据所述翻转角度和所述接收时间确定所述振动参数。

可选地，多个所述反光区为一个镜面区域和至少一个光栅区域，不同的所述光栅区域通过不同的光栅结构进行区分。

可选地，在所述MEMS扫描振镜具有一个旋转轴的情况下，多个所述反光区为镜面区域和分布在镜面区域两侧的两个光栅区域；

在所述MEMS扫描振镜具有两个相互垂直的旋转轴的情况下，多个所述反光区为以阵列形式排布的九个反光区，九个所述反光区中只有位于中央的一个反光区为镜面区域。

可选地，各个所述光栅区域采用的光栅结构皆为闪耀光栅结构。

可选地，各个所述光栅区域所采用闪耀光栅结构的光栅参数根据该光栅区域对应的翻转角度、所述镜面区域对应的翻转角度、所述准直光源和所述光电探测器各自距目标平面的距离确定；

其中，所述目标平面为所述预设翻转角度的所述MEMS扫描振镜所处的平面。

可选地，所述镜面区域对应的翻转角度位于0°至90°的范围内。

可选地，所述光栅结构通过加工所述MEMS扫描振镜背面形成；

或者，所述光栅结构粘贴在所述MEMS扫描振镜背面。

可选地，所述光电探测器为单像素光电探测器。

可选地，所述光电探测器接收各光栅结构的1级衍射光线，所述光电探测器包括：

信号转换单元，用于将入射到所述光电探测器的回波转换为电信号；

比较单元，和所述信号转换单元连接，用于将所述电信号和基准值比较，并在所述电信号大于所述基准值的情况下触发所述信号处理器以使所述信号处理器进行所述翻转角度和所述接收时间的解析；

其中，所述基准值为感光阈值对应的电信号值，所述感光阈值根据各光栅结构的1级衍射光强确定。

根据本发明第二方面，提供一种MEMS扫描振镜振动参数的测量方法，该测量方法应用第一方面所述的任一测量系统执行，所述测量方法包括：

所述准直光源在所述MEMS扫描振镜的振动过程中向不同的所述反光区以相同方向入射准直光，以使不同的所述反光区各自在所述MEMS扫描振镜的一个翻转角度上向固定位置出射回波；

所述光电探测器在所述固定位置接收回波并转换回波为电信号；

所述信号处理器基于所述电信号解析所述光电探测器接收回波的时间以及回波所标志所述MEMS扫描振镜的翻转角度，并根据所述翻转角度和所述接收时间确定所述振动参数；

其中，预设翻转角度的所述MEMS扫描振镜平行于准直光入射方向且与所述准直光源有恒定间距。

本发明实施例的有益效果：

本发明实施例提供的MEMS扫描振镜振动参数的测量系统不仅包括准直光源、光电探测器和信号处理器，还包括多个反光区，其中，多个反光区分布在MEMS扫描振镜的背面，在MEMS扫描振镜振动过程中准直光扫描多个反光区，且不同反光区入射准直光照射时MEMS扫描振镜的翻转角度不同；多个反光区借助光栅结构进行区分且利用光栅结构调节出射光线的角度，这样在MEMS扫描振镜的振动过程中不同反光区入射准直光且各自皆能够向固定位置出射回波，从而所述固定位置上放置一个光电探测器即可探测到MEMS扫描振镜不同翻转角度出射的回波，实现了单光电探测器测量振动参数的目的。该测量系统通过光电探测器数量的缩减，达到了简化测量系统的技术效果。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了相关技术中MEMS扫描振镜的俯视图；

图2示出图1所示MEMS扫描振镜的正视图；

图3示出本发明实施例一所提供测量系统的平面示意图；

图4示出图3中测量系统的部分结构的立体图；

图5示出本发明实施例一中设置在一维MEMS扫描振镜背面的一种多个反光区；

图6示出本发明实施例一中设置在二维MEMS扫描振镜背面的一种多个反光区；

图7示出本发明实施例一中测量系统的一种使用情境图；

图8示出图5所示多个反光区的结构示意图；

图9示出本发明实施例一中测量系统的另一种使用情境图；

图10示出准直光入射到闪耀光栅结构X1且经闪耀光栅结构X1衍射的光路图；

图11示出本发明实施例一中测量系统的又一种使用情境图；

图12示出准直光入射到闪耀光栅结构X2且经闪耀光栅结构X2衍射的光路图；

图13示出本发明实施例一中翻转角度和接收时间的关系曲线；

图14示出本发明实施例一中电信号在MEMS扫描振镜振动过程中随时间的变化示意图；

图15示出本发明实施例一中针对二维MEMS扫描振镜的一种扫描轨迹；

图16示出本发明实施例一中针对二维MEMS扫描振镜的另一种扫描轨迹；

图17示出本发明实施例一中针对二维MEMS扫描振镜的有一种扫描轨迹；

图18示出本发明实施例二所提供测量方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

图1所示为相关技术中MEMS扫描振镜的俯视图，图2所示为图1所示MEMS扫描振镜的正视图。参照图1和图2，MEMS扫描振镜110包括MEMS衬底111、MEMS驱动器112和MEMS镜面113。MEMS镜面113通过MEMS驱动器112连接到MEMS衬底111上，当给MEMS驱动器112添加不同的电压时，MEMS驱动器112发生形变并带动MEMS镜面113翻转，MEMS镜面113的振动随之开始。

对于一维MEMS扫描振镜110来说，MEMS驱动器112使得MEMS镜面113仅绕X方向旋转轴114翻转，MEMS镜面113随之围绕X方向旋转轴114进行一维振动；对于二维MEMS扫描振镜110来说，MEMS驱动器112使得MEMS镜面113绕X方向旋转轴114和Y方向旋转轴115翻转，MEMS镜面113随之围绕X方向旋转轴114和Y方向旋转轴进行二维振动。

MEMS镜面113自身包括正面A和背面B，MEMS扫描振镜110扫描过程中，来自同一方向的入射光线照射到正面A，且随着MEMS镜面113的振动入射光线会具有不同的入射角。正面A通过镀金属膜层对入射光线进行反射，这样来自同一方向的入射光线能够随着MEMS镜面113的振动对应不同方向的反射光线，从而实现扫描功能。

MEMS扫描振镜110的振动通过公式(1)表示的振动方程描述，其中，α表示t时刻MEMS镜面113围绕旋转轴振动的翻转角度，A表示振动的角度振幅，ω表示频率，ψ表示初始相位，其中，A、ω和ψ为振动参数，精确确定这些振动参数对使用MEMS扫描振镜110的各种应用系统具有重要意义。

α＝A·sin(ω·t+ψ) (1)

本发明各实施例的目的在于通过结构较为简单的测量系统测量上述振动参数。为了方便描述，后续不考虑MEMS衬底111和MEMS驱动器112，MEMS镜面113亦可通过统称MEMS扫描振镜110替代。

图3所示为本发明实施例一所提供测量系统的平面示意图，图4所示为图3中测量系统的部分结构的立体图。参照图3和图4，该测量系统200不仅包括准直光源210、光电探测器220和信号处理器230，还包括借助光栅结构构成的多个不同反光区240，其中，准直光源210可以是包含配置准直系统的半导体激光器、光纤激光器、固体激光器或LED；多个反光区240和准直光源210以及光电探测器220之间具有传播的光线(图中虚线表示)，信号处理器230和光电探测器220之间是电连接(图中实现表示连接线路)。进一步，信号处理器230还可以如图3所示和准直光源210之间也电连接，这样信号处理器230能够借以控制准直光源210。

上述多个反光区240是改进MEMS镜面113的背面B而形成的，背面B可以经加工或粘贴光栅结构来形成多个反光区240，其中，加工方式有利于多个反光区240的位置固定，粘贴方式有利于同一MEMS扫描振镜110因需求灵活地配置多个反光区240。

各个反光区24i(i＝1，2，…，n，n为多个反光区240的总数)皆具有反射光线的功能，这可以类似于正面A通过镀金属膜层来实现。多个反光区240垂直于MEMS扫描振镜110的旋转轴分布在MEMS扫描振镜的背面B，其中，对于一维MEMS扫描振镜110来说，多个反光区240沿一个方向分散开来，该方向垂直于X方向旋转轴114；对于二维MEMS扫描振镜110来说，多个反光区240沿两个相互垂直的方向分散开来，该两个相互垂直的方向视为分别垂直于X方向旋转轴114和Y方向旋转轴115中的一个。

多个反光区240可以为一个镜面区域和至少一个光栅区域，不同的光栅区域通过不同的光栅结构进行区分，镜面区域的设置有利于使得振动参数的计算过程得到简化。无论是一维的MEMS扫描振镜110，还是二维的MEMS扫描振镜110，上述至少一个光栅区域的总数越多，振动参数的测量精度越高。

图5示例性地示出一维MEMS扫描振镜110所对应的一种多个反光区240，这里多个反光区240即镜面区域242和分布在镜面区域两侧的光栅区域241以及光栅区域243。需要强调的是，对于一维MEMS扫描振镜110来说，多个反光区240的总数不限定为两个，多个反光区240也不限定为图5所示的位置。振动参数的实际测量过程中，综合考虑测量精度和计算难度，多个反光区240的总数可以为2～5范围内的任一个，多个反光区240的位置只要是垂直于X方向旋转轴114进行分散即可。

图6示例性地示出二维MEMS扫描振镜110所对应的一种多个反光区240，这里多个反光区240以阵列形式排布，多个反光区240为位于阵列中央的镜面区域249以及围绕镜面区域249排布的光栅区域241、光栅区域242、光栅区域243、光栅区域244、光栅区域245、光栅区域246、光栅区域247和光栅区域248。同样需要强调的是，对于二维MEMS扫描振镜110来说，多个反光区240的总数不限定为九个，多个反光区240也不限定为图6所示的位置。振动参数的实际测量过程中，综合考虑测量精度和计算难度，多个反光区240的总数可以为5～25范围内的任一个，多个反光区240的位置只要是兼具垂直于X方向旋转轴114和Y方向旋转轴进行分散即可。

应当理解的是，上述光栅结构属于反射光栅结构，具体可以选用闪耀光栅结构，闪耀光栅结构通过在磨光了的金属板或镀上金属膜的玻璃板上面刻化出一系列锯齿状槽面来形成；当然还可选用其它材料制成的普通光栅，例如平行硅槽或平行氧化层条构成的普通反射光栅。其中，闪耀光栅结构能够将单槽衍射0级与槽间干涉0级错开，从而把光能转移并集中到所需的一级光谱上，因而光电探测器220能够充分接收到准直光源210发出的准直光，这样有利于光电探测器220将准直光源210发出的准直光和周围环境中的干扰光区分开。

闪耀光栅结构的光栅参数包括光栅中心位置、闪耀角和刻槽长度，在以上对多个反光区240的分布位置进行确定后，光栅参数再被确定则详细确定了测量系统200所包括的多个反光区240。具体地，某一光栅区域上闪耀光栅结构的光栅参数可以根据该光栅区域对应的翻转角度(即该光栅区域接收准直光的照射并向固定位置出射回波时MEMS扫描振镜110的翻转角度)、镜面区域对应的翻转角度(即镜面区域接收准直光的照射并向固定位置出射回波时MEMS扫描振镜110的翻转角度)、准直光源210和光电探测器220各自距目标平面的距离确定；其中，目标平面为预设翻转角度α₀的MEMS扫描振镜110所处的平面，预设翻转角度α₀的MEMS扫描振镜110平行于准直光入射方向且与准直光源210有恒定间距。

下面主要以一维MEMS扫描振镜110为例进行详细说明。

图7所示为本发明实施例一所提供一种测量系统100针对一维MEMS扫描振镜110的振动参数进行测量的示意图，其中，为了简化计算，预设翻转角度α₀＝0；粗虚线表示MEMS扫描振镜110对应翻转角度α1的位置，粗实线表示MEMS扫描振镜110对应翻转角度α2的位置，粗点线表示MEMS扫描振镜110对应翻转角度α3的位置；上述目标平面即图7标示的平面P。

参照图7，准直光源210以相同方向向MEMS扫描振镜110的背面B入射准直光，准直光在背面B上的照射位置随MEMS扫描振镜110的振动而改变，具体地，在MEMS扫描振镜110由翻转角度α1顺时针转到翻转角度α3的过程中，照射位置从距离X方向旋转轴114较近的位置向背面B的边缘位置移动，可见：照射位置会随着MEMS扫描振镜110的振动而垂直于X方向旋转轴114移动。

同一反光区24i或为镜面区域或为光栅结构相同的光栅区域，同一反光区24i对同一入射方向的准直光只能具有一个反射角或一个衍射角，同一反光区24i对不同入射方向的准直光具有不同反射角或不同衍射角。如前面所述，MEMS扫描振镜110的振动使得照射位置随翻转角度的改变而垂直于X方向旋转轴114移动，通过合理设置多个反光区24i的分布位置以及光栅区域中光栅结构的光栅参数，各个反光区24i能够各自对应一个翻转角度αi，在MEMS扫描振镜110振动到翻转角度αi时反光区24i被准直光照射且使得反射的回波入射到光电探测器220，从而单光电探测器即可探测多个不同翻转角度的回波。

作为示例，图7所示MEMS镜面113的背面B设置有图5所示的多个反光区240，多个反光区240如图5所示对应3个翻转角度αi，其中，反光区241对应翻转角度α1，反光区242对应翻转角度α2，反光区243对应翻转角度α3。图8所示为3个反光区240的结构，其中，光栅区域241上分布闪耀光栅结构X1，光栅区域243上分布闪耀光栅结构X2。

(一)参照图9和图10对闪耀光栅结构X1的光栅参数进行说明

图9所示为MEMS扫描振镜110由翻转角度α2的位置逆时针旋转到翻转角度α1的位置，图10所示为准直光入射到闪耀光栅结构X1且经闪耀光栅结构X1衍射的光路图。为了简化计算，图9所示翻转角度α2＝45°，这样准直光沿水平方向入射到镜面区域242后沿竖直方向出射到光电探测器220。实践中，若测量系统200的布置受空间限定，镜面区域对应的翻转角度α2可以设置在30°至60°的范围内，即能够有效避免MEMS扫描振镜110入射光线和反射光线或衍射光线之间的干涉。

记准直光源210在竖直方向上与目标平面P的距离为h，则光栅区域241中心位置与X方向旋转轴114的距离L1(参照图5)通过公式(2)表示：

L2＝h/sin(α2) (2)

镜面区域242中心位置与X方向旋转轴114的距离L2(参照图5)通过公式(3)表示：

L1＝h/sin(α1) (3)

记光电探测器220在竖直方向上与目标平面P的距离为m，光栅区域241的衍射主极大的光线衍射角为

衍射光线入射到光电探测器220上的入射角度为θ1，则

θ1具有公式(4)表示的何角度关系：

其中，θ1满足公式(5)所示的关系：

故基于公式(4)和公式(5)，

具有公式(6)所示的表达式：

记闪耀光栅结构X1的刻槽长度为d1，入射光线相对闪耀光栅结构X1法线的入射角为i1，则根据闪耀光栅公式得到公式(7)所示表达式：

i1和α1之间具有公式(8)所示的关系：

本实施例中取1级衍射光线为衍射主极大光线，即令j＝1，则基于公式(7)和公式(8)得到d1具有公式(9)所示的表达式：

记闪耀光栅结构X1的闪耀角为γ1，则在入射光线和衍射光线位于光栅发现异侧的情况下，γ1满足公式(10)所示的关系：

变换公式(10)，则得到γ1具有公式(11)所示的表达式：

综上，公式(2)、(3)以及结合公式(6)的公式(9)和(11)给出了镜面区域242的位置、光栅区域241的位置以及光栅区域241内闪耀光栅结构X1的刻槽长度和闪耀角的表达式。公式(2)、(3)以及代入公式(6)的公式(9)、(11)总共为四个公式，其中涉及多个反光区240的光栅参数L1、L2、d1和γ1，还涉及振动参数测量过程中的配置参数h、m、α1和α2，可见：光栅参数L1、L2、d1和γ1根据配置参数h、m、α1和α2即可确定。

(二)参照图11和图12对闪耀光栅结构X2的光栅参数进行说明

图11所示为MEMS扫描振镜110由翻转角度α2的位置顺时针旋转到翻转角度α3的位置，图12所示为准直光入射到闪耀光栅结构X2且经闪耀光栅结构X2衍射的光路图。为了简化计算，图11所示翻转角度α2＝45°，这样准直光沿水平方向入射到镜面区域242后沿竖直方向出射到光电探测器220。

记准直光源210在竖直方向上与目标平面P的距离为h，则光栅区域243中心位置与X方向旋转轴114的距离L3通过公式(12)表示：

L3＝h/sin(α3) (12)

记光电探测器220在竖直方向上与目标平面P的距离为m，光栅区域243的衍射主极大的光线衍射角为

衍射光线入射到光电探测器220上的入射角度为θ2，则

θ2具有公式(13)表示的何角度关系：

其中，θ2满足公式(14)所示的关系：

故基于公式(13)和公式(14)，

具有公式(15)所示的表达式：

记闪耀光栅结构X2的刻槽长度为d2，入射光线相对闪耀光栅结构X2法线的入射角为i2，则根据闪耀光栅公式得到公式(16)所示表达式：

i2和α3之间具有公式(17)所示的关系：

本实施例中取1级衍射光线为衍射主极大光线，即令j＝1，则基于公式(16)和公式(17)得到d2具有公式(18)所示的表达式：

记闪耀光栅结构X2的闪耀角为γ2，则在入射光线和衍射光线位于光栅发现异侧的情况下，γ2满足公式(19)所示的关系：

变换公式(19)，则得到γ2具有公式(20)所示的表达式：

综上，公式(2)、(12)以及结合公式(15)的公式(18)和(20)给出了镜面区域242的位置、光栅区域243的位置以及光栅区域243内闪耀光栅结构X2的刻槽长度和闪耀角的表达式。公式(2)、(12)以及代入公式(15)的公式(18)、(19)总共为四个公式，其中涉及多个反光区240的光栅参数L1、L3、d2和γ2，还涉及振动参数测量过程中的配置参数h、m、α2和α3，可见：光栅L1、L3、d2和γ2根据配置h、m、α2和α3即可确定。

以上描述了如何确定多个反光区240，包括多个反光区240的分布确定以及多个反光区240涉及的光栅参数的确定。通过以上描述可以确定测量系统200需要的多个反光区240。

在以上描述中，h、m、αi作为预设数值，用来确定多个反光区240的设置，信号处理器230能够直接调用各个αi以便对各时刻接收的回波匹配对应的αi。应当理解的是，对于结构固定的多个反光区240，即使信号处理器230无法获知各个翻转角度αi的预设值，信号处理器230还可以根据入射光线的方向、反射光线或衍射光线的方向、准直光在MEMS扫描振镜110背面B的照射位置先确定衍射光线入射到光电探测器220上的入射角θi，然后结合测量过程中配置完成的m、h和α2，通过上述公式(5)或公式(14)计算翻转角度αi。

信号处理器230是接收光电探测器220转换来的电信号，并基于所述电信号解析回波的接收时间t和回波所标志的翻转角度αi，接收时间t和翻转角度αi之间具有一一对应关系；然后，信号处理器230还根据翻转角度αi和接收时间t确定公式(1)中的各个振动参数。参照公式(1)，同一振动周期内的三组对应的t和αi即可使得A、ω和ψ被确定。应当理解的是，初始相位ψ和接收时间t参照的零时刻有关，零时刻不同初始相位ψ不同，其中，零时刻可以选择MEMS扫描振镜110振动稳定且准直光源210稳定地向MEMS扫描振镜110背面照射的一个时刻，示例性地，选择MEMS扫描振镜110振动到翻转角度α2而使得光电探测器220接收回波的时刻。

参照图13，MEMS扫描振镜110振动一个周期T，图5所示多个反光区240使得光电探测器220分别在t1、t2、t3、t4、t5、t6时间点接收到回波，这表示图5所示多个反光区240能够在一个振动周期内产生六组对应的t和αi，六组对应的t和αi足以使得信号处理器230拟合出较好的振动曲线(如图13中粗实线所示)，从而确定振动参数A、ω和ψ。这里需要说明的是，理论上同一振动周期内的三组对应的t和αi即可使得A、ω和ψ被确定，但测量难免有误差，基于多组对应的t和αi拟合振动曲线能够使得误差降低。

在一个可选实施例中，光电探测器220如上所述接收各光栅结构的1级衍射光线，光电探测器220包括：信号转换单元和比较单元，其中，信号转换单元用于将入射到光电探测器220的回波转换为电信号；比较单元和信号转换单元连接，用于将电信号和基准值比较，并在电信号大于基准值的情况下触发信号处理器230以使信号处理器230进行翻转角度和接收时间的解析。上述基准值为感光阈值对应的电信号值，感光阈值根据各光栅结构的1级衍射光强确定，具体是小于各光栅结构的1级衍射光强且大于各光栅结构的2级衍射光强。

示例性地，信号转换单元包括光敏电阻和跨阻放大器，光敏电阻将回波转换为电流信号，跨阻放大器将电流信号转换为电压信号；比较单元包括比较器，比较器将电压信号的电压值Vc和基准值V0进行比较。

由于根据上述方式设置的多个反光区240，光电探测器220能够在MEMS扫描振镜110翻转到翻转角度αi时探测到1级衍射光线，而MEMS扫描振镜110翻转到翻转角度αi附近时会有大于1级的衍射光线入射到光电探测器220，因而光电探测器220会根据接收的回波生成如图14的电压信号，基准值V0的设置区分了1级衍射光强和其它级衍射光强。

本发明实施例中，光电探测器220通过设置比较单元使得信号处理器230只有在光电探测器220接收到各光栅结构的1级衍射光强时才进行翻转角度和接收时间的解析，各光栅结构的1级衍射光强只有在MEMS扫描振镜110翻转到翻转角度αi时才被光电探测器220接收，即用于确定振动参数的回波接收时间被限定在很小范围内以致只是一个时刻，从而有利于振动参数的精确确定。

在另一个可选实施例中，光电探测器220为单像素光电探测器，即从空间上缩小光电探测器220接收光的范围，尤其是在光电探测器220内还如上所述设置比较单元的情况下，MEMS扫描振镜110翻转到翻转角度αi附近时各光栅结构的1级衍射光线不会入射到光电探测器220，即光电探测器220只在MEMS扫描振镜110翻转到翻转角度αi时接收1级衍射光线，进一步使得确定振动参数的回波接收时间限定在很小范围内以致只是一个时刻，因而有利于振动参数的精确确定。

对于二维MEMS扫描振镜110，振动参数的测量原理可以参照如上所述的一维MEMS扫描振镜110。这里只以图6所示的阵列分布的多个反光区240进行简单的示例性描述。

参照图6，光栅区域241、光栅区域242、光栅区域243、光栅区域244、光栅区域245、光栅区域246、光栅区域247和光栅区域248表面加工周期性锯齿刻线，实现闪耀光栅功能。

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α1，0)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域241上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α2，0)时，准直光源210的出射光束照射到镜面区域249上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α3，0)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域242上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α2，β1)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域243上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α2，β2)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域244上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α1，β1)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域245上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α1，β2)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域246上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α3，β1)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域247上；

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α3，β2)时，准直光源210的出射光束照射到光栅区域248上。

为了简化计算，准直光源210出射准直光的方向与翻转角度为(0，0)的二维MEMS扫描振镜110平行，上述翻转角度α1、α2和α3以及翻转角度β1、β2和β3相对于翻转角度为(0，0)的二维MEMS扫描振镜110所处平面而确定。

对于二维MEMSS扫描振镜110来说，测量涉及空间立体结构，因而采用向量的方式进行描述，其中，准直光源210出射准直光的方向始终不变，记为

光电探测器220的空间位置不变，记为b；当二维MEMS扫描振镜110分别翻转不同角度时，准直光源210出射准直光在多个反光区240的照射位置分别m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9，即，

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α1，0)时，照射位置为m1，该照射位置与光电探测器220的位置b共同确定衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α2，0)时，照射位置为m2，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α3，0)时，照射位置为m3，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α2，β1)时，照射位置为m4，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α2，β2)时，照射位置为m5，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α1，β1)时，照射位置为m6，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α1，β2)时，照射位置为m7，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α3，β1)时，照射位置为m8，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

当二维MEMS扫描振镜110的翻转角度为(α3，β2)时，照射位置为m9，该照射位置与空间位置b共同确认衍射方向向量

在振动参数的测量过程中，镜面区域对应的翻转角度、准直光源210和光电探测器220各自与目标平面P的距离，都可以根据测量系统200的搭建过程确定。在得知准直光源出射准直光的方向向量

和衍射方向向量

后，衍射光线入射到光电探测器上的角度θi可以确定。参照上述公式(5)和公式(14)，镜面区域对应的翻转角度、准直光源210和光电探测器220各自与目标平面P的距离以及衍射光线入射到光电探测器上的角度θi确定后，则可以确定光栅区域24i对应的翻转角度(αi，βi)。由一维MEMS扫描振镜110的相关分析可知：镜面区域对应的翻转角度、准直光源210和光电探测器220各自与目标平面P的距离以及光栅区域24i对应的翻转角度(αi，βi)确定后，光栅区域24i中光栅结构的光栅参数即可确定，从而据此制备测量系统200需要的多个反光区240，使得二维MEMS扫描振镜110分别翻转至9个固定角度时衍射/反射光线均可以照射在光电探测器220上，光电探测器220感测光信号，信号处理器230随之获取回波的接收时间t。

通过二维MEMS扫描振镜110的翻转角度(αi，βi)和对应的触发时间t，可以拟合出翻转角度(αi，βi)与时间t的关系曲线，从而可以测量二维MEMS扫描振镜110的振动参数。

二维MEMS扫描振镜110的翻转角度和时间之间的关系曲线根据实际使用环境自主设置。二维MEMS扫描振镜110的不同振动方式会对应对多个反光区240的不同扫描轨迹，不同扫描轨迹将产生翻转角度和时间之间的不同关系曲线，其中，扫描轨迹有多种，图15所示为一种扫描轨迹，具体为：按行扫描多个反光区240并且相邻两行之间首尾相接地进行扫描；图16所示为另一种扫描轨迹，具体为：按列扫描多个反光区240并且相邻两列之间首尾相接地进行扫描；图17为又一种扫描轨迹，具体为：二维MEMS扫描振镜110同时围绕X方向旋转轴114和Y方向旋转轴115作简谐振动而导致的扫描轨迹。上述图15、图16和图17中，横坐标表示二维MEMS扫描振镜110围绕X方向旋转轴114的翻转角度，纵坐标表示二维MEMS扫描振镜110围绕Y方向旋转轴115的翻转角度。

在振动参数确定后，公式(1)所示的振动方程即确定。基于确定的振动方程，获知时刻点t(这里的时刻点t是以公式(1)中初始相位ψ对应的零时刻为计时的初始时刻)后，则能够精准地确定MEMS扫描振镜110的翻转角度，即对MEMS扫描振镜110进行精确定位，因而本发明实施例提供的测量系统200还可以用于MEMS扫描振镜110的定位系统中。对于振动参数易受外界环境影响的MEMS扫描振镜110来说，上述测量系统200结合振动的计时装置则能够对各种环境中使用的MEMS扫描振镜110进行实时的精准定位。

相应于以上所述的MEMS扫描振镜振动参数的测量系统200，本发明实施例二还提供了一种MEMS扫描振镜振动参数的测量方法，该测量方法应用实施例一所述的任一种测量系统执行，测量系统的结构较为简单。图18所示为测量方法的流程图，参照图18，该测量方法包括：

步骤S110，准直光源210在MEMS扫描振镜110的振动过程中向不同的反光区24i以相同方向入射准直光，以使不同的反光区24i各自在MEMS扫描振镜110的一个翻转角度αi上向固定位置出射回波，其中，预设翻转角度α0的MEMS扫描振镜110平行于准直光入射方向且与准直光源210有恒定间距；

步骤S120，光电探测器220在所述固定位置接收回波并转换回波为电信号；

步骤S130，信号处理器230基于电信号解析光电探测器220接收回波的时间t以及回波所标志MEMS扫描振镜110的翻转角度αi，并根据翻转角度αi和接收时间t确定所述振动参数。

应当说明的是，本发明实施例所提供测量方法的具体实施方式可以参照以上对测量系统200的相关描述，这里不再赘述。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种MEMS扫描振镜振动参数的测量系统，其特征在于，包括：

准直光源，用于在所述MEMS扫描振镜的振动过程中向所述MEMS扫描振镜的背面以相同方向入射准直光，其中，预设翻转角度的所述MEMS扫描振镜平行于准直光入射方向且与所述准直光源有恒定间距；

借助光栅结构构成的多个不同反光区，多个所述反光区分布在所述MEMS扫描振镜的背面，不同的所述反光区各自在所述MEMS扫描振镜的一个翻转角度上接收准直光的照射并向固定位置出射回波；

光电探测器，用于在所述固定位置接收回波并转换回波为电信号；

信号处理器，连接所述光电探测器，用于基于所述电信号解析所述光电探测器接收回波的时间以及回波所标志所述MEMS扫描振镜的翻转角度，并根据所述翻转角度和所述接收时间确定所述振动参数。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，多个所述反光区为一个镜面区域和至少一个光栅区域，不同的所述光栅区域通过不同的光栅结构进行区分。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，

在所述MEMS扫描振镜具有一个旋转轴的情况下，多个所述反光区为镜面区域和分布在镜面区域两侧的两个光栅区域；

在所述MEMS扫描振镜具有两个相互垂直的旋转轴的情况下，多个所述反光区为以阵列形式排布的九个反光区，九个所述反光区中只有位于中央的一个反光区为镜面区域。

4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，各个所述光栅区域采用的光栅结构皆为闪耀光栅结构。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，

各个所述光栅区域所采用闪耀光栅结构的光栅参数根据该光栅区域对应的翻转角度、所述镜面区域对应的翻转角度、所述准直光源和所述光电探测器各自距目标平面的距离确定；

其中，所述目标平面为所述预设翻转角度的所述MEMS扫描振镜所处的平面。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述镜面区域对应的翻转角度位于0°至90°的范围内。

7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，

所述光栅结构通过加工所述MEMS扫描振镜背面形成；

或者，所述光栅结构粘贴在所述MEMS扫描振镜背面。

8.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光电探测器为单像素光电探测器。

9.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光电探测器接收各光栅结构的1级衍射光线，所述光电探测器包括：

信号转换单元，用于将入射到所述光电探测器的回波转换为电信号；

比较单元，和所述信号转换单元连接，用于将所述电信号和基准值比较，并在所述电信号大于所述基准值的情况下触发所述信号处理器以使所述信号处理器进行所述翻转角度和所述接收时间的解析；

其中，所述基准值为感光阈值对应的电信号值，所述感光阈值根据各光栅结构的1级衍射光强确定。

10.一种MEMS扫描振镜振动参数的测量方法，其特征在于，应用权利要求1-9中任一项所述的测量系统执行，所述测量方法包括：

所述准直光源在所述MEMS扫描振镜的振动过程中向不同的所述反光区以相同方向入射准直光，以使不同的所述反光区各自在所述MEMS扫描振镜的一个翻转角度上向固定位置出射回波；

所述光电探测器在所述固定位置接收回波并转换回波为电信号；

所述信号处理器基于所述电信号解析所述光电探测器接收回波的时间以及回波所标志所述MEMS扫描振镜的翻转角度，并根据所述翻转角度和所述接收时间确定所述振动参数；

其中，预设翻转角度的所述MEMS扫描振镜平行于准直光入射方向且与所述准直光源有恒定间距。

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