一种基于光学超表面的MEMS微振镜监测装置及方法与流程

本发明涉及mems微振镜监测技术领域，尤其涉及一种基于光学超表面的mems微振镜监测装置及方法。

背景技术：

微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级。mems器件可被用于快速光学扫描领域，在投影显示、条形码扫描、激光打印机、医疗成像、光通讯等领域具有广泛应用。近年来，由于mems微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置，毫米级尺寸的微振镜大大减小了激光雷达的尺寸，无论从美观度、车载集成度还是成本的角度，mems微振镜具有明显的优势。

mems微振镜主要用于反射激光器发射的光束，将光束快速、均匀地投射在被测空间内，完成被测物表面光信号的全覆盖。但当mems微振镜由于机械、破损等故障时，会造成mems微振镜停止工作、扫描范围缺失等情况，进而激光器发射的光束会连续聚焦于一点，会造成人身伤害和信号缺失。

现有技术中缺乏一种检测mems微振镜是否有故障的方法。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的问题，提供一种基于光学超表面的mems微振镜监测装置及方法。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种基于光学超表面的mems微振镜监测装置，包括：光源，用于发射光信号；mems微振镜，用于将所述光源投射至所述mems微振镜的光信号向被测空间的被测物投射，所述被测物反射的第一光信号反馈至光束传感器；所述mems微振镜上设置光学超表面，用于将所述光源投射至所述光学超表面的光信号反射的第二光信号反馈至所述光束传感器；光束传感器，用于接收反馈的所述第一光信号和所述第二光信号；处理器，用于：提取所述光束传感器接收的所述第一光信号计算第一深度信息；提取所述光束传感器接收的所述第二光信号计算第二深度信息并根据所述第二深度信息对所述第一深度信息进行标定；根据所述第二光信号出现的时序和规律，监测所述mems微振镜的位置和工作状态。

在本发明的一种实施例中，还包括基架和万向架，用于支撑所述mems微振镜通过二维偏转振荡将所述光源的光信号向被测空间的所述被测物投射。所述万向架围绕所述基架的中心轴偏转振荡，所述mems微振镜围绕所述万向架的中心轴进行偏转振荡。所述mems微振镜通过第一铰链和第二铰链与所述万向架铰接，所述mems微振镜沿着所述第一铰链与所述第二铰的第一连线方向振荡偏转；所述万向架通过第三铰链和第四铰链与所述基架铰接，所述万向架沿着所述第三铰链与所述第四铰链的第二连线方向振荡偏转；所述第一连线方向与所述第二连线方向不平行。

在本发明的另一种实施例中，所述光源发射周期性的短脉冲光束；所述基架以一定的倾斜角度固定使得所述光源发射的光信号经过所述mems微振镜向外投射至被测空间的被测物上，所述被测物反射的第一光信号经相同光路入射至所述光束传感器上。所述处理器还用于获取所述光束传感器接收所述第一光信号时的时间并与所述mems微振镜偏转振荡的偏振角的偏振角度状态进行配准。

在本发明的再一种实施例中，所述光学超表面包括纳米结构。所述光源包括脉冲激光二极管，所述光束传感器包括雪崩光电二极管。

本发明还提供一种基于光学超表面监测mems微振镜的方法，包括如下步骤：

s1：控制光源发射光信号；s2：控制mems微振镜将所述光源投射至所述mems微振镜的光信号向被测空间的被测物投射，所述被测物反射的第一光信号反馈至光束传感器；控制设置在所述mems微振镜上的光学超表面将所述光源投射至所述光学超表面的光信号反射的第二光信号反馈至所述光束传感器；s3：控制所述光束传感器接收反馈的所述第一光信号和所述第二光信号；s4：提取所述光束传感器接收的所述第一光信号计算第一深度信息；提取所述光束传感器接收的所述第二光信号计算第二深度信息并根据所述第二深度信息对所述第一深度信息进行标定；根据所述第二光信号出现的时序和规律，监测所述mems微振镜的位置和工作状态。

本发明又提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

本发明的有益效果为：提供一种基于光学超表面的mems微振镜监测装置及方法，在mems微振镜上设置光学超表面，通过对扫描镜及光学超表面反射的信号进行双采样，通过检测信号出现的时序和规律，还原mems微振镜的方位姿态，进而对信号的时间延迟进行补偿，即可消除光源与光束传感器的时间延迟造成的系统误差，以对mems微振镜的位置及工作状态进行及时监测，提高了mems微振镜的安全性及信号的完整性。

附图说明

图1为根据本发明提供的一种基于光学超表面的mems微振镜监测装置的结构示意图。

图2为根据本发明提供的又一种基于光学超表面的mems微振镜监测装置的结构示意图。

图3为根据本发明提供的一种光学超表面的结构示意图。

图4为根据本发明提供的一种基基于光学超表面监测mems微振镜的方法的示意图。

图5为根据本发明提供的一种监测mems微振镜的的信号曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1是本发明提供的一种mems微振镜监测装置的结构示意图。mems微振镜监测装置100包括光源101、mems微振镜102、光束传感器103以及处理器(未示出)。光源101，用于发射光信号至mems微振镜102；mems微振镜102上设置有光学超表面104，光源101发射出的光信号投射至mems微振镜102上时，投射至光学超表面104上的光信号会直接进行反射得到第二光信号并反馈至光束传感器103；未经过光学超表面104上的光信号直接投射在mems微振镜102上，则经过mems微振镜102通过二维偏转振荡向被测空间的被测物进行均匀投射，被测物反射的第一光信号反馈至光束传感器103。光束传感器103，用于接收反馈回的第一光信号和第二光信号；处理器，用于提取光束传感器103接收的第一光信号计算第一深度信息；提取光束传感器103接收的第二光信号计算第二深度信息并根据第二深度信息对第一深度信息进行标定；根据第二光信号出现的时序和规律，监测mems微振镜的位置和工作状态。

在一个实施例中，mems微振镜监测装置100还包括基架105和万向架106，基架105可由半导体衬底形成，用于支撑mems微振镜102进行二维偏转振荡。其中，万向架106围绕基架105的中心轴进行快速偏转振荡，mems微振镜102围绕万向架106的中心轴进行高速偏转振荡，进而实现mems微振镜102的二维偏转振荡，可将光信号投射至空间的任意位置。

图2为根据本发明提供的一种mems微振镜监测装置具体结构示意图，mems微振镜监测装置200还包括第一铰链201、第二铰链202、第三铰链203以及第四铰链204。mems微振镜102通过第一铰链201和第二铰链202与万向架106铰接，使mems微振镜102沿着第一铰链201与第二铰链202的第一连线方向高速振荡偏转，可将激光束反射投影至一定范围内的任意空间位置；万向架106通过第三铰链203和第四铰链204与支架105铰接，使万向架106沿着第三铰链203与第四铰链204的第二连线方向快速振荡偏转，从而实现mems微振镜位置监测装置200的二维振荡偏转。可以理解的是，第一连线方向与第二连线方向不平行，即呈现一定夹角才能实现mems微振镜位置监测装置200的二维振荡偏转。在一种优选的实施例中，第一连线方向和第二连线方向相互垂直。

在一个实施例中，光源101包括脉冲激光二极管，光束传感器103包括雪崩光电二极管，但是任何其他合适类别的发出和感测部件可另选地适用于装置100中，在本发明中不作限制。

在一个实施例中，光源101发射周期性的短脉冲光束，基架105以一定的倾斜角度固定，以使得光源101发射的光信号恰好能经过mems微振镜102向外投射，mems微振镜102通过二维偏转振荡，实现将光源101发射的脉冲光束反射至被测空间的被测物上，被测物反射光束经相同光路入射至光束传感器103上。mems微振镜102上的设置有光学超表面104，光学超表面104具有不同空间法向角的反射面，用于将光源101投射至光学超表面104的光信号直接反射进入光束传感器103，而未经被测空间反射。处理器提取光束传感器103接收到的光信号，其中，光源101发射经mems微振镜102而未经光学超表面104反馈回的光信号具有被测物空间位置信息，处理器提取该光信号进行处理可得到深度信息，该深度信息具有光源101和光束传感器103间的时间延迟造成的误差；光源101发射经光学超表面104而未经mems微振镜102反馈回的光信号具有光学超表面104的空间方位角信息，处理器提取该光信号进行处理可得到深度信息，该深度信息可用来标定、消除由光源101和光束传感器103间的时间延迟造成的深度误差，还原被测表面的三维深度。

图3为本发明提供的一种光学超表面结构示意图。mems微振镜102上的光学超表面104可重新定向光的方向。光学超表面104内包括许多纳米结构(纳米天线)，是一种均质材料，如纳米结构301。光学超表面104可根据纳米结构301与背景环境(例如任何周围的界面材料)之间的折射率对比限制和重新定向入射光。应当理解的是，光学超表面104可以是一层或多层，纳米结构301的尺寸、取向和形状可根据具体的实际情况制备，此处不作限制。

可以理解的是，mems微振镜监测装置转到某一个特定位置时，mems微振镜装置上的光学超表面的镜面法相角垂直于光源所在平面，使光源发射的光束在该特定位置时，部分光经mems微振镜(未经光学超表面)向被测物发射，经被测物反射后进入光束传感器；另一部分光则经光学超表面的直接反射进入光束传感器，而不经过被测物。

图4是本发明提供的一种基于光学超表面监测mems微振镜的方法的流程示意图，包括以下步骤：

s1：控制光源发射光信号；

s2：控制mems微振镜将光源投射至mems微振镜的光信号向被测空间的被测物投射，被测物反射的第一光信号反馈至光束传感器；控制设置在mems微振镜上的光学超表面将光源投射至光学超表面的光信号反射的第二光信号反馈至光束传感器；

s3：控制光束传感器接收反馈的第一光信号和第二光信号；

s4：提取光束传感器接收的第一光信号计算第一深度信息；提取光束传感器接收的第二光信号计算第二深度信息并根据第二深度信息对第一深度信息进行标定；根据第二光信号出现的时序和规律，监测mems微振镜的位置和工作状态。

更具体地，在步骤s2中，光源向mems微振镜发射光信号，mems微振镜通过二维偏转振荡将光信号进行投射，当mems微振镜处于特定的空间位置时，光源发射经mems微振镜未经光学超表面的光信号向被测物投射，然后通过被测物的反射经相同的光路进入光束传感器；光源发射经过mems微振镜上的光学超表面未经mems微振镜的光信号，则不经被测物的反射，直接反射进入光束传感器；当mems微振镜处于其余位置时，则光信号不会直接反射进入光束传感器，仅经被测物的反射进入光束传感器。

步骤s3中，光束传感器接收经mems微振镜投射反馈回的光信号，光信号包括第一光信号和第二光信号，第一光信号被设置为经mems微振镜进行二维偏转向被测物投射后反馈回至光束传感器的光信号，第二光信号被设置为mems微振镜在特殊的空间位置时，光源发射出的光信号经过mems微振镜上的光学超表面直接反射进入光束传感器的光信号。

在步骤s4中，处理器提取光束传感器接收到的第一光信号和第二光信号，第一光信号具有被测物的空间位置信息，空间位置信息包含了光束传感器传感器和光源之间由于时间延迟造成的误差，第二光信号包含了mems微振镜的空间方位信息，可用来被标定，消除第一光信号中由时间延迟造成的误差，得到被测物更为精确的空间位置信息。应当理解的是，在特定位置时，光束传感器接收的第二光信号亦可用于被标定、消除mems微振镜处于其余位置时的由于时间造成的深度误差。

步骤s4中，还包括对被测物反射并被光束传感器所记录深度信息的时间与mems微振镜偏转振荡的偏振角某时刻振荡角度状态进行配准，以准确匹配其深度信息和方位，经被测物反射、光束传感器传感器所记录并处理所提取的深度信息包含一定的系统误差，此时可通过经光学超表面反射的第二光信号的深度信息进行标定，补充、消除这一系统误差。

在一个实施例中，当mems微振镜正常工作时，即mems微振镜绕第一铰链和第二铰链偏转振荡，万向架绕第三铰链和第四铰链偏转振荡将表现为图5所示，第二光信号11在基架和万向架的相对偏转角α角的不同周期内间隔5°间或出现，第一光信号12将一直出现；当mems微振镜异常工作时(如铰链断裂)，图5中的第二光信号11将消失。通过监测第二光信号11出现的时序和规律，可以判断mems微振镜的位置和工作状态，也将能够还原mems微振镜的方位姿态，进而将第二光信号11对第一光信号12的时间延迟进行补偿，即可消除光源与光束传感器的时间延迟造成的系统误差。

本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

本发明达到的有益效果为：本发明在mems微振镜上设置光学超表面，通过对扫描镜及光学超表面反射的信号进行双采样，通过检测信号出现的时序和规律，还原mems微振镜的方位姿态，进而对信号的时间延迟进行补偿，即可消除光源与光束传感器的时间延迟造成的系统误差，以对mems微振镜的位置及工作状态进行及时监测，提高了mems微振镜的安全性及信号的完整性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。