本发明涉及光学位移检测领域，特别是涉及一种光学位移阈值传感器、光学位移阈值检测方法及系统。
背景技术：
微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)执行器是将电信号转化为微动作或微操作的mems器件。典型的mems执行器包括：微电动机、微开关、微夹钳等；光mems器件中的数字微镜和各种微光学开关；rfmems器件中的rf微开关等。mems执行器可实现多轴运动，包括振动、平移等，可以应用于mems小型器件定位、移动。这些运动的定位精度是影响器件性能的关键参数，甚至决定了器件甚至系统是否还能正常工作。
由于结构或者材料的性能受外界环境影响后会发生改变，如外界环境温度、残余应力导致的结构变化、材料或结构的非线性和蠕变等，将导致mems执行器的定位精度大幅下降。解决这个问题最根本的方法是加入位移检测和反馈控制：反馈控制系统又称为闭环控制系统，根据微纳平台输出变化的信息来进行控制，即通过比较输出与期望运动之间的偏差，并消除偏差以获得预期的微振动输出，因此，要对mems微执行器进行反馈控制，必须对其位置状态信息进行监测。
目前mems执行器的反馈检测中常用的方法是在mems内集成微传感器或在外部用高精度设备对执行器位移进行检测。高精度的位移检测设备，如采用独立式的电容传感器、激光干涉仪或者激光多普勒测振仪等。这类分立的传感器或设备可以具有纳米或者亚纳米级的高精度检测精度，能满足mems的反馈控制精度要求，缺点是体积较大，而mems的应用环境的空间大小非常有限，因此这类传感器或者设备几乎无法集成到mems中，大多仅用于系统标定；针对上述传感器体积大的问题，又提出在mems内部集成微传感器，比如电容式、压电式、压阻式或者光电式传感器，这类传感器本身非常微小，但缺点是也具有mems的特点，信号微弱，受到温度等外界因素的影响较大。比如微电容位移传感器，由于电容面积非常小，电容值在pf量级，模拟量检测信号的噪声可以在20％～30％的水平，即使完成电路优化，这类传感器的检测精度大多只能到0.1％～1％，无法满足更高精度位移传感器的要求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种光学位移阈值传感器、光学位移阈值检测方法及系统，以解决现有技术中光学位移阈值传感器受外界因素影响大且光学位移阈值测量精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光学位移阈值传感器，包括：激光器、光电二极管、外置反射镜、内置反射镜、玻璃罩、电极、基板以及测试电路板；
所述激光器与所述光电二极管设于所述电极的上表面，所述激光器、所述光电二极管分别与所述电极电连接；所述电极的下表面设有所述基板，且所述基板的上表面大于所述电极的下表面；所述基板的下表面设有测试电路板，且所述测试电路板的上表面大于所述基板的下表面；所述测试电路板用于为所述激光器与所述光电二极管供电以及对所述光电二极管接收到的激光信号进行处理；
所述玻璃罩罩设于所述基板上，且所述玻璃罩的上表面设有所述内置反射镜；所述玻璃罩内设有所述激光器、所述光电二极管以及所述电极；
所述外置反射镜设于所述内置反射镜的上方且所述外置反射镜与所述内置反射镜之间具有移动距离阈值，所述外置反射镜可沿上下方向移动，移动所述外置反射镜，根据所述光电二极管接收到的激光信号确定光学位移阈值点；所述光学位移阈值点为光学位移极大值点。
可选的，所述激光器与所述光电二极管通过高温方式键合在所述电极上；
所述基板的材料为硅片或二氧化硅片。
一种光学位移阈值检测方法，所述检测方法应用于权利要求1-2任一项所述的光学位移阈值传感器，所述检测方法包括：
获取外置反射镜与激光器之间的当前距离、所述激光器发射的总功率以及光电二极管的半径；
按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第一变换距离；
根据所述半径确定所述光电二极管接收到的激光面积；所述激光面积包括在所述当前距离下所述光电二极管接收到的第一激光面积以及在所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的第二激光面积；
根据所述总功率确定所述光电二极管接收到的一束激光的光强；所述一束激光为所述外置反射镜反射的多束激光之一；所述一束激光的光强包括在所述当前距离下的第一光强以及在所述第一变换距离下的第二光强；
根据所述激光面积以及所述一束激光的光强确定激光总光强；所述激光总光强包括所述当前距离下所述光电二极管接收到的激光的第一激光总强度以及所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的激光的第二激光总强度；
根据所述激光总光强确定光学位移阈值；所述光学位移阈值为光学位移极大值。
可选的，所述根据所述半径确定所述光电二极管接收到的激光面积，具体包括：
根据公式
可选的，所述根据所述总功率确定所述光电二极管接收到的一束激光的光强，具体包括：
根据公式
可选的，所述根据所述激光总光强确定光学位移阈值，具体包括：
判断所述第一激光总光强是否小于所述第二激光总光强，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述第一激光总光强小于所述第二激光总光强，在所述第一变换距离的基础上，再次按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第二变换距离；
若所述第二判断结果表示为所述第一激光总光强不小于所述第二激光总光强，确定所述外置反射镜移动的总距离为光学位移阈值。
一种光学位移阈值检测系统，包括：
参数获取模块，用于获取外置反射镜与激光器之间的当前距离、所述激光器发射的总功率以及光电二极管的半径；
第一变换距离获取模块，用于按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第一变换距离；
激光面积确定模块，用于根据所述半径确定所述光电二极管接收到的激光面积；所述激光面积包括在所述当前距离下所述光电二极管接收到的第一激光面积以及在所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的第二激光面积；
一束激光的光强确定模块，用于根据所述总功率确定所述光电二极管接收到的一束激光的光强；所述一束激光为所述外置反射镜反射的多束激光之一；所述一束激光的光强包括在所述当前距离下的第一光强以及在所述第一变换距离下的第二光强；
激光总光强确定模块，用于根据所述激光面积以及所述一束激光的光强确定激光总光强；所述激光总光强包括所述当前距离下所述光电二极管接收到的激光的第一激光总强度以及所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的激光的第二激光总强度；
光学位移阈值确定模块，用于根据所述激光总光强确定光学位移阈值；所述光学位移阈值为光学位移极大值。
可选的，所述激光面积确定模块具体包括：
激光面积确定单元，用于根据公式
可选的，所述一束激光的光强确定模块具体包括：
一束激光的光强确定单元，用于根据公式
可选的，所述光学位移阈值确定模块，具体包括：
第一判断单元，用于判断所述第一激光总光强是否小于所述第二激光总光强，得到第一判断结果；
第二变换距离获取单元，用于若所述第一判断结果表示为所述第一激光总光强小于所述第二激光总光强，在所述第一变换距离的基础上，再次按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第二变换距离；
光学位移阈值确定单元，用于若所述第二判断结果表示为所述第一激光总光强不小于所述第二激光总光强，确定所述外置反射镜移动的总距离为光学位移阈值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种光学位移阈值传感器、光学位移阈值检测方法及系统。本发明所提供的光电二极管(photodiode，pd)只需要检测pd的信号峰值，因此对电路的放大处理要求较低，引入的噪声较小；可用一个高速时钟对阈值进行检测，其精度取决于时钟精度，能够达到10ppm量级，相比1％的模拟量检测精度有大幅提升；采用本发明所提供的光学位移阈值检测方法，外置反射镜在周期性振动，振动周期在0.01ms量级，在如此短时间内，可以忽略外界温度等环境因素变化，因此，外界环境的变化不会对阈值检测引入误差；且本发明所提供的激光器输出的激光高斯波束形状要求不高，不需要对激光波束形状进行测试，其阈值点可以直接用高精度的测振仪等设备进行标定，因此，阈值检测具有高可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明所提供的光学位移阈值传感器的结构图；
图2为本发明所提供的光学位移阈值传感器固定结构的俯视图(图2中未包括外置反光镜)；
图3为本发明所提供的vcsel和pd组件结构图；
图4为本发明所提供的玻璃罩组件结构图；
图5为本发明所提供的光学位移阈值检测方法流程图；
图6为本发明所提供的镜像法中pd接收激光时，外置反射镜移动位置示意图；
图7为本发明所提供的随距离变化，pd接收激光的强度变化曲线图；
图8为本发明所提供的光学位移阈值检测系统结构图。
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光学位移阈值传感器、光学位移阈值检测方法及系统，能够提高光学位移阈值的检测精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
现有光学阈值传感器及光学位移阈值检测方法存在以下缺陷：
(1)由于pd接收到的激光功率较小，其输出信号微弱，电路噪声对测量精度的影响很大，电路设计中的低噪声放大电路、阻抗匹配等设计难度高。通常的检测精度仅能达到1％左右。
(2)器件和电路的性能会随着外界温度的变化而变化。长时间工作下，器件和电路环境温度会发生变化，导致激光器输出激光功率和pd检测功率的响应曲线变化，进而引入测量误差。
(3)模拟量检测方案中，激光器发射激光的形状需要理想的高斯波束，实际的激光波束形状与高斯束存在一定偏差，也将导致测量误差。
本发明基于现有技术的上述缺陷提供了一种光学位移阈值传感器，图1为本发明所提供的光学位移阈值传感器的结构图，如图1所示，一种光学位移阈值传感器，包括：激光器1、光电二极管2、外置反射镜4、内置反射镜3、玻璃罩5、电极6、基板7以及测试电路板8；其中，所述激光器1为全名为垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，vcsel)，所述激光器与所述光电二极管设于所述电极的上表面，所述激光器、所述光电二极管分别与所述电极电连接；所述电极的下表面设有所述基板，且所述基板的上表面大于所述电极的下表面；所述基板的下表面设有测试电路板，且所述测试电路板的上表面大于所述基板的下表面；所述测试电路板用于为所述激光器与所述光电二极管供电以及对所述光电二极管接收到的激光信号进行处理；所述玻璃罩罩设于所述基板上，且所述玻璃罩的上表面设有所述内置反射镜；所述玻璃罩内设有所述激光器、所述光电二极管以及所述电极；所述外置反射镜设于所述内置反射镜的上方且所述外置反射镜与所述内置反射镜之间具有移动距离阈值，所述外置反射镜可沿上下方向移动，移动所述外置反射镜，根据所述光电二极管接收到的激光信号确定光学位移阈值点；所述光学位移阈值点为光学位移极大值点。
本发明是基于阈值检测的高精度光学位移阈值传感器，其工作原理包括激光强度随传播距离增加而变化，以及pd遮挡面积随距离变化而变化的原理，采用vcsel和pd，设计合理反射镜制备光路，通过pd检测的激光强度的阈值来精确测定位置点。该位移阈值传感器具有精度高，抗干扰能力强等特点。
光源vcsel和pd在基板上，vcsel在垂直方向上发射激光，在横截面上呈现高斯分布。假如不存在内置反射镜，pd接收到的激光强度仅与外置发射镜的位移距离z有关。在玻璃罩上放置内置反射镜后，部分激光将被遮挡，而且随着外置反射镜移动距离的变化，遮挡激光的面积也在变化。上述共同作用的效果即可以让pd接受到的激光强度存在一个阈值点。在这个阈值点的左侧，随着外置反射镜距离变小，pd接收到的激光强度变小；在这个阈值点的右侧，随着外置反射镜距离变大，pd接收到的激光强度也在变小。该峰值点对应的距离即是位移的阈值。
本发明是通过外反射镜距离的变化，改变pd接收到的激光强度，得到pd接收的激光强度变化信息，得到pd接收到激光强度的峰值点，峰值点就是位移的阈值。即：通过改变外置反光镜的位移，计算光学位移阈值。
如图1中，激光器用于阈值检测的光源vcsel，向上垂直发射的激光在外置反射镜上反射回来；光电检测二极管用于阈值检测，测量位移阈值点；玻璃罩，用于设计和放置内置反射镜；电极，用于vcsel和pd的地电极引线；基板，可用0.5mm厚的二氧化硅材料或者硅材料做基板，保证器件的平整度；电路板用于电路测试电路板，具体的用于vcsel和pd的供电，以及pd的信号检测和放大处理。
按功能角度，如图2-图4所示，本方案可以将器件分为vcsel和pd组件结构、玻璃罩结构和电路板。vcsel和pd组件结构提供了激光光源和检测激光强度的pd；玻璃罩提供内置反射镜，用于遮挡部分激光；电路板用于信号检测和放大处理。
vcsel和pd组件结构包括vcsel、pd、电极和基板结构，基板经过打磨抛光后表面平整度达到要求；然后在其上表面溅射沉积一层金层做为电极层。vcsel和pd的下表面也是金材料，随后将vcsel和pd与金电极层高温键合在一起，电极层作为器件的地电极。器件的另外一个电极可以用跳线的方式引出到电路板上。
玻璃罩包含内置反射镜、玻璃盖和四周的立柱。其中立柱用于支撑玻璃罩结构；玻璃盖用于支撑和放置内置反射镜；内置反射镜用于遮挡vcsel发射出来的激光。
图5为本发明所提供的光学位移阈值检测方法流程图，如图5所示，一种光学位移阈值检测方法，包括：
步骤501：获取外置反射镜与激光器之间的当前距离、所述激光器发射的总功率以及光电二极管的半径。
步骤502：按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第一变换距离。
步骤503：根据所述半径确定所述光电二极管接收到的激光面积；所述激光面积包括在所述当前距离下所述光电二极管接收到的第一激光面积以及在所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的第二激光面积。
所述步骤503具体包括：根据公式
步骤504：根据所述总功率确定所述光电二极管接收到的一束激光的光强；所述一束激光为所述外置反射镜反射的多束激光之一；所述一束激光的光强包括在所述当前距离下的第一光强以及在所述第一变换距离下的第二光强。
所述步骤504具体包括：根据公式
步骤505：根据所述激光面积以及所述一束激光的光强确定激光总光强；所述激光总光强包括所述当前距离下所述光电二极管接收到的激光的第一激光总强度以及所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的激光的第二激光总强度。
步骤506：根据所述激光总光强确定光学位移阈值；所述光学位移阈值为光学位移极大值。
所述步骤506具体包括：判断所述第一激光总光强是否小于所述第二激光总光强，若是，在所述第一变换距离的基础上，再次按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第二变换距离；若狗，确定所述外置反射镜移动的总距离为光学位移阈值。
基于上述本发明所提供的检测方法，采用该检测方法的高精度光学位移传感器的工作原理，如图6所示，其中，4-1是pd尚未被遮挡的时候，外置反射镜的位置；4-2是pd已经部分被遮挡的时候，外置反射镜位置；2-1是pd在外置反射镜4-1位置时的镜像位置；2-2是pd在外置反射镜4-2位置时的镜像位置。
由镜像原理，反射镜移动距离z的情况下，激光通过反射镜反射回到pd，在z方向上需要多走2*z的距离，因此镜像移动的距离为2*z。
根据几何光学原理，pd在2-1位置的时候，整个pd能够接收到来自于vcsel的激光，当pd远离vcsel，比如2-2位置的时候，已经有一半的pd无法接收来自于vcsel的激光。pd接收激光的面积可以用以下公式进行描述：
其中：s为所述光电二极管接收激光的面积；z为外置反射镜直角坐标系下的坐标；r0为所述光电二极管的半径；h0为pd中心到光轴的距离；h2为光斑下边沿到光轴的距离；hm为内置反射镜上边沿到光轴的距离；zm为所述激光器到内置反射镜的z向距离。
另外，从vcsel光源发出的光其光程发生变化，通过光电检测器检测到的反射光强度分布能够得到其光程变化，其光束轮廓变化如下所示：
其中，i为激光在坐标(x,y,z)的光强；p为激光发射的总功率；w(z)为光斑在发射路径z光程后的半径；aw是激光的发散角；由于光电二极管的面积较小，可以用乘积代替积分，因此光电二极管接收到的激光强度p是以上s和i的乘积：
p＝s*i(6)
图7为本发明所提供的随距离变化，pd接收激光的强度变化曲线图，如图7所示，可以得到光电二极管的接收到的光强随距离变化关系为c1。其中，c2是没有内置反射镜的情况下，pd接收激光随距离的变化。加入了内置的反射镜之后，pd被部分遮挡，pd接收到的激光随着距离变化如c1所示，该曲线的顶点对应的距离即是位移阈值点。
确定阈值的步骤为：
步骤1：改变外置反光镜的位移距离z，pd接收到的激光强度随着外置反光镜的位移距离z改变。
步骤2：pd接受到的激光强度存在一个阈值点，在阈值点的左侧，随着外置反射镜的位移的变小，pd接收到的激光强度变小；在阈值点的右侧，pd接收到的激光强度随着外置反射镜的距离变大而变小，如图7所示。
步骤3：由步骤2得到pd接收到的激光强度随外置反光镜位移变化曲线，对曲线求一阶导，得到pd随外置反光镜位移变化的峰值点，该峰值点对应的位移即是位移的阈值点。
根据图7所示曲线一阶导数零点，得到的是一个位移阈值点，该位移阈值点即为所得到的光学位移阈值点，为极大值点。
图8为本发明所提供的光学位移阈值检测系统结构图，如图8所示，一种光学位移阈值检测系统，包括：
参数获取模块801，用于获取外置反射镜与激光器之间的当前距离、所述激光器发射的总功率以及光电二极管的半径。
第一变换距离获取模块802，用于按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第一变换距离。
激光面积确定模块803，用于根据所述半径确定所述光电二极管接收到的激光面积；所述激光面积包括在所述当前距离下所述光电二极管接收到的第一激光面积以及在所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的第二激光面积。
所述激光面积确定模块803具体包括：激光面积确定单元，用于根据公式
一束激光的光强确定模块804，用于根据所述总功率确定所述光电二极管接收到的一束激光的光强；所述一束激光为所述外置反射镜反射的多束激光之一；所述一束激光的光强包括在所述当前距离下的第一光强以及在所述第一变换距离下的第二光强。
所述一束激光的光强确定模块804具体包括：一束激光的光强确定单元，用于根据公式
激光总光强确定模块805，用于根据所述激光面积以及所述一束激光的光强确定激光总光强；所述激光总光强包括所述当前距离下所述光电二极管接收到的激光的第一激光总强度以及所述第一变换距离下所述光电二极管接收到的激光的第二激光总强度。
光学位移阈值确定模块806，用于根据所述激光总光强确定光学位移阈值；所述光学位移阈值为光学位移极大值。
所述光学位移阈值确定模块806具体包括：第一判断单元，用于判断所述第一激光总光强是否小于所述第二激光总光强，得到第一判断结果；第二变换距离获取单元，用于若所述第一判断结果表示为所述第一激光总光强小于所述第二激光总光强，在所述第一变换距离的基础上，再次按照移动距离阈值移动所述外置反射镜，获取所述外置反射镜与所述激光器之间的第二变换距离；光学位移阈值确定单元，用于若所述第二判断结果表示为所述第一激光总光强不小于所述第二激光总光强，确定所述外置反射镜移动的总距离为光学位移阈值。
由此可知，(1)本发明中的pd只需要检测pd的信号峰值，因此对电路的放大处理要求较低，引入的噪声较小；可用一个高速时钟对阈值进行检测，其精度取决于时钟精度，能够达到10ppm量级，相比1％的模拟量检测精度有大幅提升。
(2)在本发明的光学位移阈值检测方法及系统中，外置反射镜在周期性振动，振动周期在0.01ms量级，在如此短时间内，可以忽略外界温度等环境因素变化。因此，外界环境的变化不会对阈值检测引入误差。
(3)本发明的光学位移阈值检测方法及系统对vcsel输出的激光高斯波束形状要求不高，不需要对激光波束形状进行测试，其阈值点可以直接用高精度的测振仪等设备进行标定，因此阈值检测具有高可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。