[發明專利]掃描反射器設備和用于驅動反射器系統的方法

有效

• 申請號: 201811398803.1
• 申請日: 2018-11-22
• 公開（公告）號: CN109991732B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 塔帕尼·拉克索寧;康斯塔·烏加;米科·平內寧
• 申請（專利權）人: 株式會社村田制作所
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10;G02B26/08
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 高巖;楊林森

本文公開了掃描反射器設備和反射器系統驅動方法。設備包括反射器系統和反饋電路。系統包括支承件；反射器；和彈簧結構，從支承件懸掛反射器，用于反射器在兩種正交振蕩模式下的掃描運動。各模式具有以初始帶寬在固有諧振頻率達到峰值的頻率響應。系統包括：第一換能器結構，用于機械致動反射器；及第二換能器結構，用于生成表示反射器機械運動的感測信號。電路被配置成從第二換能器結構的換能器接收感測信號并且基于接收的感測信號向第一換能器結構的換能器生成驅動信號。對于各模式，電路被配置成：將驅動信號的振幅和頻率調整到非線性振動范圍，在該范圍中，峰值頻率處的頻移是初始帶寬的至少十倍；與調制信號波形成比例地改變驅動信號振幅。

技術領域

本公開內容涉及掃描反射器系統，并且更特別地涉及使得能夠在兩種正交振蕩模式下進行掃描運動的設備和方法。

背景技術

掃描微機電(MEMS)反射器可以用在諸如光檢測與測距傳感器(LIDAR)的成像裝置中。掃描MEMS反射器可以包括至少一個移動反射器，所述至少一個移動反射器可以將來自激光發射器的光束朝周圍環境反射。附加的反射器或透鏡可以被包括在移動反射器與環境之間的光路中。返回光束可以由反射出射光束的同一反射器或透鏡向內朝光電檢測器反射。

掃描MEMS反射器的成像區域(即視場)部分地由移動反射器可以傾斜的程度和移動反射器可以以何種方式傾斜來確定。這在圖1中進行說明，圖1示出了反射器系統的簡化的二維簡圖。激光發射器11發射光束111。移動反射器12被懸掛在扭力梁上并且可以繞z軸旋轉。用實線示出已經旋轉至其逆時針極端位置處的反射器12。從該位置反射的光束121也用實線示出。用虛線示出已經旋轉至其順時針極端位置處的反射器12。從該位置反射的光束122也用虛線示出。在該簡化簡圖中，zy平面中的反射器的成像區域將是一條線，該線的長度由兩個光束121和122之間的角α來確定。如在圖1中可看見的，α的大小由反射器12可以獲得的傾斜角θ的范圍來確定。對于多向掃描運動，需要更復雜的移動，其涉及以適當地協調且定時的順序使各個反射器側面上升和下沉。

可以利用圖2中示意性示出的系統來生成多向掃描運動。圖2示出了在yz平面中的圓形反射器21。該反射器21通過固定在圍繞反射器21的邊緣的對稱定位的位置處的四個致動器221、222、223及224懸掛在框架22上。每個致動器由電壓控制，并且每個致動器可以在該致動器被固定至邊緣的點處使反射器邊緣向上上升或使反射器邊緣向下下沉。

通過適當地協調每個致動器的上升移動和下沉移動，反射器表面可以在任何方向上遠離yz平面地傾斜。例如，如果致動器224使其被固定至的邊緣上升，而致動器222使其被固定至的邊緣下沉，并且221和223二者均使它們被固定至的邊緣保持在中間位置，則反射器移動模擬關于y軸的傾斜。如果致動器221上升而223下沉，并且222和224二者均停留在中間位置，則反射器移動模擬關于z軸的傾斜。如果致動器222和221上升而223和224下沉，則反射器移動模擬關于y軸和z軸二者的組合傾斜。

對于多向掃描模式，移動反射器12可以被布置成圍繞兩個正交旋轉軸振蕩。兩個振蕩都可以被同時激勵和驅動，并且反射器的最終位置是兩種振蕩模式的疊加。由此使該反射器在兩種正交振蕩模式下進行掃描運動。有利地，這些振蕩模式被諧振地操作。

如果驅動反射器以諧振頻率振蕩，則最大傾斜角可以寫為

θ＝2QF/(π²Mfres²r).

其中，Q是存儲在反射器中的能量/每個振動周期的能量損失，M是反射器的質量，r是反射器的半徑，f_res是諧振頻率，并且F是驅動力。驅動力F可以寫為

F＝ηV

其中η是致動器的轉換因子并且V是施加的電壓。因此，為了實現大的傾斜角θ，系統必須具有大的Q值，或者必須使用非常大的電壓來驅動傾斜。使用非常大的驅動電壓是不實際的，但是當反射器被真空封裝到結構系統元件中時，可以實現約1000-10000量級或者甚至更大的Q值。