CN107003178A - 对扫描镜的振动幅度的测量 - Google Patents

Abstract

为了用于测量在机动车车头灯的投影系统中的扫描镜的振动幅度，由激光源生成的激光束对准扫描镜并且被所述扫描镜反射，使得这样被反射的激光束落到具有多个探测元件（Q1，Q2，Q3，Q4）的探测装置（20）上并且在那里由于所述扫描镜的振动运动而画出一个曲线（P）。所述曲线（P）关于其中心点相对于探测装置（20）的中心偏置了一个偏移（x_offset，y_offset）。确定其中所述曲线分别穿过一个探测区（R_X，R_Y）的时长（t_ON,X，t_ON,Y），所述探测区（R_X，R_Y）分别对应于所要测定的坐标；并且在使用这样确定的时长（t_ON,X，t_ON,Y）与振动周期的总时长（T）之比以及所述偏移（x_offset，y_offset）的情况下确定在相应的坐标方向上的振动幅度（x_p，y_p）。

Description

对扫描镜的振动幅度的测量

技术领域

本发明涉及一种用于测量扫描镜的振动幅度的方法，其中由激光源生成的激光束对准扫描镜并且被该扫描镜反射，而且这样被反射的激光束落到探测装置上。对振动运动的分析在此借助于探测装置来进行。

背景技术

这类方法尤其是用在车头灯的激光投影系统以及类似的照明系统中。激光投影系统可以通过经由所谓的微扫瞄器使激光束偏转来实现。所述微扫瞄器例如可以被实施成以MEMS或MOEMS技术（微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System）或微光机电系统（Micro-Opto-Electro-Mechanical System））来制造的微镜，所述微镜仅仅具有几毫米直径并且可以在一个或两个轴向上被置于振动。对于这种激光投影系统的按规定的功能来说，非常重要的是，检测微扫瞄器的当前偏转（角度的大小）并且以电子方式来处理，使得对激光流的调制可以与镜振动精确地同步，以便能够生成例如以静止的光分布的形式的确定的图像。

基本上，必须分析镜振动的两个特征参量，即振动幅度（也就是镜振动的幅度）、以及相移或相位（也就是过零点的移动）。振动幅度确定所生成的光图像的宽度，并且必须被调节到精确的值，通常以电子方式被调节到精确的值。相移导致在微扫瞄器的激励信号与实际的镜振动之间的时间差，所述相移可用于激光调制的最优的同步。

为了测量镜偏转，可以动用不同的传感器，所述不同的传感器的分析常常是非常高成本的。在此，区分直接集成在微扫描器中的内部传感器（例如电感式传感器、压电式传感器）和可以与实际的微扫描器无关地来使用的外部传感器。针对外部传感器，大多使用PSD（“位置灵敏探测器（Position Sensitive Detector）”）。

外部传感器对被微扫描器偏转的经瞄准的激光束的位置进行测量，但是该激光束没有被用于实际的图像生成，而是仅仅并且单独地被用于位置测量（“测量激光束”）。

如电容式反馈测量、PSD或基于压电式传感器的分析那样的公知的解决方案导致以电子方式高成本的分析，因为在所有这些传感器的情况下必须测量非常小的电流或电压，因此必须使用放大电路，所述放大电路常常可能是非常易受干扰的。

在使用PSD的情况下，必须高电子成本地运行，以便变换PSD的信号，使得所述信号可以以电子方式来分析（电流放大器等等）。明显更简单的解决方案在于使用象限二极管。象限二极管是众所周知的；所述象限二极管包含对四个扁平光电二极管的布置，所述四个扁平光电二极管一样大并且并排地以“象限式”布置来定位，使得在它们之间只留有一个狭窄的十字形缝隙。这些二极管虽然提供取决于入射光的强度的光电流，但是对于这里所考虑的目的来说，该光电流适合于对激光束恰好处在四个象限中的哪个象限的数字分析。由此，对相位的测量确定无疑是可能的。但是，对于实现激光投影系统所需的幅度测量在通过对象限二极管的常规应用的情况下是不可能的。

发明内容

因此，本发明应该提供一种方法，该方法即使在使用如常规结构形式的象限二极管那样的简单的探测装置的情况下也允许测量微扫描器的振动幅度。特别地，应该能使用如下探测装置，所述探测装置具有并排的探测元件（探测域），像光电二极管那样，所述探测元件在例如有以激光束的形式的光落到其上时提供信号。在此，该信号表明相应的表面是否被照明（数字信号，开启/关闭（On/Off））应该已经足够。

该任务由一种方法来解决，在所述方法中，根据本发明使用如下探测装置，所述探测装置具有多个并排地围绕着所述探测装置的中心来布置的光电探测元件，其中激光束由于扫描镜的振动运动而通过所述探测元件画出围绕着中心点走向的曲线；关于分别由一个探测元件或一组紧挨着地并排的探测元件形成并且要么对应于（能预先给定或者例如在探测装置上成像或在探测装置上限定的）坐标的负值域要么对应于所述坐标的正值域的至少一个探测区，通过如下方式进行测量：

- 所述曲线关于其中心点相对于所述探测装置的中心沿着被分配给相应的探测区的坐标偏置了一偏移值；

- 确定其中所述曲线分别穿过探测区的时长；

- 在使用这样确定的时长与振动周期的总时长之比以及所述偏移值的情况下确定振动幅度的值。

在此，优选地可以使用象限探测器、尤其是象限二极管作为探测装置，其中围绕着所述象限二极管的中心布置地存在四个探测域，其中所述象限探测器的每两个相邻的域形成一个探测区，所述每两个相邻的域被分配给如下坐标，所述两个域贴靠在所述坐标两侧。

所述根据本发明的解决方案以令人意想不到地高效的方式解决所提出的任务，并且能够实现毫无问题的电子分析。本发明使得能够利用像象限二极管那样的探测装置来测量振动幅度。因为象限二极管或基于光电元件的探测器是低成本的并且这些探测器的电子分析与其它传感器（例如电容测量、PSD中的低光电二极管电流的测量）相比非常简单，所以有利地得到更加一目了然的测量方法和用于执行根据本发明的测量方法的测量设备的成本降低。根据本发明的方法特别适合于测量扫描镜在机动车（KFZ）车头灯的投影系统中的振动幅度。

根据本发明的方法的一个改进方案规定了用于多个、优选地两个坐标方向的实施方案。在此，所述坐标方向会彼此成一个角度、优选地直角，其中给每个坐标方向分别分配一个探测区并且借助于所述探测区来针对分别被分配的坐标方向确定振动幅度的值。在此，振动可以以不同频率在不同的坐标方向上进行。

为了实现被提高的故障安全性，可以是有利的是：形成第一信号，所述第一信号描述所述曲线穿过相应的探测区，以及形成第二信号，所述第二信号描述所述曲线穿过能在探测装置上与相应的探测区互补的区域；并且通过所述第一信号与经取反的第二信号的逻辑与运算形成一个反馈信号，依据所述反馈信号来确定所述曲线穿过相应的探测区的相应的时长。

附图说明

在下文，本发明连同其它细节和优势依据在随附的附图中示出的实施例进一步予以阐述。所述附图中：

图1以示意性形式示出了具有扫描镜的激光投影系统的总览图；

图2以示意性形式示出了具有象限二极管的用于根据X坐标进行根据本发明的分析的电路图；

图3以示意性形式示出了具有图2的象限二极管的、但用于根据Y坐标进行分析的电路图；

图4以示意性形式示出了在象限二极管上作为激光束光斑的曲线而生成的光图像；

图5以示意性形式示出了图4的光图像的信号变化过程；

图6以示意性形式示出了类似于在图4中的、但具有距中心的偏移的光图像；以及

图7以示意性形式示出了图6的光图像的信号变化过程。

具体实施方式

该实施例作为激光投影系统的典型的、尽管非限制性的示例涉及对在机动车车头灯中的MOSFET扫描器的运动的监视和控制。

图1示出了在机动车车头灯中的激光投影系统10的示意性总览图。第一激光器11（有效激光器或主激光器）生成第一激光束12，所述第一激光束12通过镜13对准转换元件14；所述镜13以本身公知的方式被实施成MOEMS扫描器并且在两个角度方向上都能运动（在图1中只勾画出一个角度方向）。因此，由于镜13的运动，在转换元件14上借助于其上被反射的激光束12'通过将激光辐射转换成优选的白光来生成光图像。通过包括至少一个透镜的成像系统15，该光图像为了照明目的而向外投影（例如投影到车道上）。

此外，为了监视和控制镜13的位置还设置有第二激光器21（测量激光器或控制激光器）。测量激光器21可以根据其任务而具有比有效激光器11明显更低的功率，并且必要时也可以在另一频谱范围内工作。测量激光器21的激光束22通过镜13偏转到探测装置23上。落到探测装置23上的测量激光束22'因此受到如下偏转，所述偏转尽管在不同的首次射线变化过程的情况下仍直接对应于第一激光束12'的所述偏转。如果需要，测量激光束22'可以借助于（未示出的）光学器件被聚焦到探测装置23上。探测装置23基于测量激光束22'的入射位置来生成信号，所述信号被输送给微控制器24并且在那里被分析。微控制器24将相对应的信号转交给第一激光器11的控制单元25，以便这样根据镜振动来调节激光器11的电调制。镜的振动运动优选地通过谐振激励来生成，但是在需要时可以附加地通过控制单元、例如通过控制激励信号的频率或强度来控制（未示出）。

在该实施例中，探测装置23被构造成象限二极管20。象限二极管20的各个探测面（光电二极管）如图2和3中可看出的那样沿逆时针的旋转方向被连续编号为Q1、Q2、Q3、Q4。例如，在光电二极管Qn（n=1, ..., 4）中生成的电流可以被引导经过电阻，并且降落的（与时间有关的）电压un(t)直接被转交给微控制器24的输入端或者被转交给连接在所述微控制器24之前的逻辑电路。所述象限二极管Q1、Q2、Q3、Q4的每个探测面因此都提供信号u1(t), ..., u4(t)，该信号根据象限的表面是否恰好被照明而要么是1（象征性地表示信号电压u_s>0）要么是0。X方向的信号变化过程通过象限Q1和Q4的信号的逻辑或运算u1(t)∨u4(t)来形成，所述象限Q1和Q4因此共同表示针对X坐标的探测区R_X。Y方向的信号变化过程以相对应的方式基于由象限Q1和Q2构成的探测区R_Y，使得与探测区R_Y相对应的信号通过象限Q1和Q的信号的逻辑或运算u1(t)∨u2(t)而生成。附加地，有利的是，在使用逻辑与运算的情况下询问分别剩余的象限的（经取反的）状态。这允许排除诸如由于残余光造成的干扰，并且允许可靠地分析如下状态：在所述状态下，由激光束生成的光斑落到在两个相邻的域之间的交界线上并且这样导致对两个（或更多个）域或探测区的同时照明。换言之，一方面形成所选择的探测区R_X、R_Y的信号，而另一方面生成与相应的探测区R_X、R_Y互补的区域S_X、S_Y的信号，并且通过第一信号与经取反的第二信号的逻辑与运算来形成“反馈信号”。

图2和3示出了根据上述内容处理象限二极管20的信号的示意性示例。图2示出了用于根据X坐标、即激光束的位置是否为X坐标的正值x>0来进行分析的可能的接线图。这对应于如下符号运算：

，

其中为更好的可读性起见，信号un(t)的时间依赖性已经被抑制。类似地，根据Y坐标的正值y>0按照如下符号运算进行分析：

，

这示例性地在图3中予以图解说明。替代通过逻辑门电路来实现，逻辑分析当然也可以在微控制器24中例如以程序控制的方式进行。

按照常规的测量方法，会使用一个象限二极管，使得由位置激光器和微扫描器生成的通常被写入到矩形中的光分布P（“矩形光分布”，例如利萨如图（Lissajou-Figur））恰好射到象限二极管中心，这如图4中所示。光分布P对应于在所述象限二极管的探测面上生成的激光光斑所穿过的曲线。所述光斑例如以第一频率在X方向上（从左向右并返回地）运动并且以第二频率在Y方向上（从上到下并返回地）运动，其中所述第一和所述第二频率一般而言是不同的；大多选择所述两个频率的整数比例，使得得到闭合的利萨如图。通过分析各个象限，得到反馈信号U_X(t)和U_Y(t)，所述反馈信号可以呈现诸如图5中所示出的那样的变化过程。针对每个信号，分别确定接通时长t_ON,X或t_ON,Y，即作为在其期间相应的信号>0的时长。接通时长可以参考镜振动的周期时长T_X或T_Y，并且于是得到例如可以被表达为百分数的相对接通时长t_ON,X/T_X或t_ON,Y/T_Y。与此相应，在其期间信号=0的时长被表示为t_OFF,X或t_OFF,Y（关断时长）。

在矩形光分布的对准探测面的中心的位置的情况下，得到相对接通时长为50%。这仅仅允许确定穿过中心位置的时间点，而对X和Y方向的振动的空间幅度的分析是不可能的。

根据本发明，由位置激光器和微扫描器生成的光分布P的中心点不仅在X方向上而且在Y方向上都配备有微小的偏移x_offset、y_offset，所述偏移的大小精确地被限定。这在图6中示出。所述偏移一次性地针对系统予以设定，其中值x_offset、y_offset被测量，并且例如利用在配置期间使用的相机系统（未示出）来调整到预先限定的值；所述偏移在进行所述配置以后保持不变。替代于预先给定预先限定的值，如果所述中心点处在合适的区域之内，那么也可以测量在配置期间得到的值x_offset、y_offset。这样确定的值例如被存储在微控制器24或被分配给所述微控制器24的存储器中。偏移值x_offset、x_offset因此可提供给如在下文所描述的随后对振动运动的分析。

图7示出了反馈信号U_X(t)和U_Y(t)的所属的信号变化过程的示例。如在这方面可看出的那样，接通时长不同于50%，其中偏差的值现在取决于光分布的最大偏转。由于对激光光斑的运动模式的了解（在利萨如图的情况下为正弦变化过程，所述正弦变化过程通过微扫描器的谐振运动来生成），可以通过测量接通时长（时间测量）简单地回算出微扫描器的振动幅度。

例如，振动幅度x_p可以按如下地来计算：

其中使用下列缩写：

x_p ... 在X方向上的振动幅度；

x_p ... 沿着X方向的镜振动的峰到峰偏转，x_pp=2x_p；

x_offset ... 在光分布的中心点与象限二极管的中心点之间的在X方向上的偏移（偏移矢量朝X方向的投影）；

T_X ... 镜振动的周期时长（T_X=1/f_X，f_X=振动频率）；

T_ON,X ... 反馈信号U_X的接通时长。

该公式可以加以必要的变更地（mutatis mutandis）同样应用于每个任意的坐标方向，其中于是替代于x_p，出现在相关的坐标方向上的振动幅度，而替代于x_offset，出现偏移矢量朝该坐标方向的投影。尤其是，该公式当然可以被应用于在Y方向上的振动幅度：

其中具有对参量y_P、y_PP、y_offset的类似的限定。

因此，时间测量以及换算到振动幅度的值可以根据本发明非常简单地通过分立式逻辑电路模块和/或微控制器借助于数字逻辑分析来实现。（光曲线与比例t_ON,X: t_OFF,X或t_ON,Y : t_OFF,Y之间的相互关系在图7中象征性地示出，因为由于固有的非线性，所述相互关系不是直接地、而是仅仅以一级近似地对应于图形比例）。

如果所述振动不同于正弦振动，那么替代于正弦或余弦函数可能出现其它与振动形式相对应的函数，利用所述函数进行如下计算：

，

，

在三角形的情况下，例如会使用线性函数f(x) = l-2x。该函数f可以由本领域技术人员容易地根据振动形式来确定。

易于理解的是，该实施例仅仅用于图解说明本发明，而本发明并不限于此。此外，本领域技术人员可以进行各种各样的改动、补充和/或替换，只要这些都落入根据权利要求书的保护范围之内。例如，可能使用如下探测装置，所述探测装置利用超过四个探测面来工作，所述探测面例如以六个、八个或更多个瓣状的表面的形式围绕着该装置的中心来布置。

Claims (6)

1.一种用于测量在机动车车头灯的投影系统（10）中的扫描镜（13）的振动幅度的方法，其中，由激光源（21）生成的激光束（22）对准所述扫描镜（13）并且被所述扫描镜（13）反射，而且这样被反射的激光束（22'）落到探测装置（23）上，

其特征在于，

使用探测装置（23），所述探测装置（23）具有多个并排地围绕着所述探测装置（23）的中心来布置的光电探测元件（Q1，Q2，Q3，Q4），其中所述激光束（22'）由于所述扫描镜（13）的振动运动而通过所述探测元件画出围绕着中心点走向的曲线（P）；而且

关于分别由一个探测元件或一组紧挨着地并排的探测元件形成并且要么对应于坐标的负值域要么对应于坐标的正值域的至少一个探测区（R_X，R_Y）：

- 所述曲线（P）关于其中心点相对于所述探测装置（23）的中心沿着被分配给相应的探测区（R_X，R_Y）的坐标偏置了一偏移值（x_offset，y_offset）；

- 确定其中所述曲线分别穿过所述探测区（R_X，R_Y）的时长（t_ON,X，t_ON,Y）；

- 在使用这样确定的时长（t_ON,X，t_ON,Y）与振动周期的总时长（T）之比以及所述偏移值（x_offset，y_offset）的情况下确定振动幅度（x_p，y_p）的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用象限探测器、尤其是象限二极管（20）作为探测装置（23），所述象限探测器具有围绕着所述象限二极管的中心来布置的四个探测域（Q1 - Q4），其中所述象限探测器的每两个相邻的域形成一个探测区（R_X，R_Y），所述每两个相邻的域被分配给如下坐标，所述两个域贴靠在所述坐标两侧。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法针对多个、优选地两个坐标方向来实施，其中所述坐标方向彼此成一个角度、优选地直角，而且给每个坐标方向分别分配一个探测区（R_X，R_Y），并且借助于所述探测区来针对分别分配的坐标方向确定所述振动幅度（x_p，y_p）的值。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，振动以不同频率在不同的坐标方向上进行。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，形成第一信号，所述第一信号描述所述曲线穿过相应的探测区（R_X，R_Y），以及形成第二信号，所述第二信号描述所述曲线穿过能在所述探测装置上与所述相应的探测区（R_X，R_Y）互补的区域（S_X，S_Y）；并且通过所述第一信号与所述经取反的第二信号的逻辑与运算形成一个反馈信号（U_X，U_Y），依据所述反馈信号（U_X，U_Y）来确定所述曲线穿过所述相应的探测区（R_X，R_Y）的相应的时长（t_ON,X，t_ON,Y）。

6.根据前述权利要求之一所述的方法的应用，所述应用用于测量在机动车车头灯的投影系统（10）中的扫描镜的振动幅度，其中，借助于所述扫描镜使有效激光束（12）对准转换元件（14），并且在那里生成光图像，所述光图像为了照明目的而向外投影。