CN110426181B - 扫描镜的扫描参数测量方法 - Google Patents

Abstract

扫描镜的扫描参数测量方法，包括：获得扫描参数的初始值；其中，所述扫描参数包括初始相位和振幅；基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，其中，已知各个探测器单元的安装位置；根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值。本发明能够在无需位置传感器等专门的测量仪器的情况下，获得扫描镜振幅、初始相位的精确值，有利于缩小测量仪器的体积、并节省成本。

Description

扫描镜的扫描参数测量方法

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，特别是涉及一种扫描镜的扫描参数测量方法。

背景技术

扫描镜作为一种传统的光学元件，在光学成像、投影显示和条码识别等领域有着重要的应用。由于具有体积小、重量轻、成本低及功耗小等诸多显著优点，扫描镜在光通信、投影显示、物体识别、数据存储及生物医学等领域有着广泛的应用前景。

扫描镜的机电性能会受到环境的影响。具体的，在特定频率信号驱动下，由于受到环境温度、湿度及周围电磁信号的干扰，扫描镜的机电特性会发生微小的变动，这影响了扫描镜工作的稳定性。

为了克服这种影响，实时监测扫描镜的机电特性进而研制出扫描镜闭环控制系统成为提高扫描镜工作稳定性的必要手段。

扫描镜的机电特性主要和幅值(振幅)相关，则幅值的测量成为技术难点，而扫描镜的偏转角度(初始相位)可通过幅值获取。现有技术中，测量幅值和扫描镜偏转角度的方式通常是采用位置传感器(psd)等专门的仪器来进行测量。但这些专门的测量仪器通常体积较大、且价格高昂。

发明内容

本发明解决的技术问题是：如何在无需位置传感器等专门的测量仪器的情况下，获得扫描镜幅值(振幅)、偏转角度(初始相位)的精确值。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种扫描镜的扫描参数测量方法，包括：

基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，其中，已知各个探测器单元的安装位置；

根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值。

可选的，所述获得扫描参数的初始值包括：根据一个探测器单元的测量数据，计算得到扫描镜的扫描参数，作为扫描参数的初始值。

可选的，所述根据一个探测器单元的测量数据，计算得到扫描镜的扫描参数，作为扫描参数的初始值，所述测量方法步骤包括：

驱动扫描镜振动；

驱动激光器打点；

通过多个探测器单元中的一个探测器单元来检测回波信号，分别记录该探测器单元被扫描镜连续扫描到4次的4个时刻；

计算扫描参数的初始值。

可选的，所述驱动扫描镜振动具体是：根据出厂的初始参数驱动扫描镜振动；所述驱动激光器打点具体是：以正常值一倍或多倍的速度驱动激光器打点。

可选的，所述计算扫描参数的初始值包括：

T＝(t3+t4-t1-t2)/2；

f＝1/T；

b＝(t1+t2+t3+t4)/2-3T/4；

A＝a/cos(2πf×((t2-t1+t4-t3)/4))；

其中，T表示周期，t1、t2、t3、t4分别表示该探测器单元被扫描镜连续扫描到4次的4个时刻，f表示频率，b表示初始相位，A表示振幅，a为已知参数，用于描述该探测器单元的安装位置。

可选的，采用单点测量的方式来得到所述扫描参数的初始值。

可选的，基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻的步骤包括：

基于所述扫描参数的初始值、以及各个探测器单元的安装位置，计算激光器分别打点在多个不同位置的探测器单元的时刻；

选择所述多个不同位置的探测器单元中的至少两个探测器单元分别进行如下操作：在扫描镜扫描进入和退出该探测器单元的时刻分别打点，调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等；

就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻。

可选的，所述调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等的步骤包括：

若tr回波信号强度＞tf回波信号强度，则表示tc<(tr+tf)/2，若tr回波信号强度＜tf回波信号强度，则表示tc＞(tr+tf)/2，调整光斑位置直到tr回波信号强度等于tf回波信号强度；

其中，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，tr表示扫描镜进入该探测器单元的时刻，tf表示扫描镜退出该探测器单元的时刻。

可选的，所述就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻的步骤包括：

根据公式tc＝(tr+tf)/2，就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，其中，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，tr表示扫描镜进入该探测器单元的时刻，tf表示扫描镜退出该探测器单元的时刻。

可选的，根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值的步骤包括：

根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻、以及公式a＝Asin[2πf(tc+b)]构建二元方程组，计算得出扫描参数的精确值；

其中，a为已知参数，用于描述该探测器单元的安装位置，A表示振幅，f表示频率，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，b表示初始相位。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

在以单点测量的方式获得扫描参数的初始值的基础上，基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值，从而在无需位置传感器等专门的测量仪器的情况下，获得扫描镜振幅、初始相位的精确值，有利于缩小测量仪器的体积、并节省成本。

进一步的，选择所述多个不同位置的探测器单元中的至少两个探测器单元分别进行如下操作：在扫描镜扫描进入和退出该探测器单元的时刻分别打点，调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等；就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，从而可以根据实际需要的扫描参数的精确值的精确程度，来确定测量时的投入，参与测量的探测器单元的数量越多、光斑距离探测器单元中心位置的误差越小，则最终得出的扫描参数的精确值更精确。

附图说明

图1为本发明实施例中扫描镜的扫描参数测量方法流程图；

图2为本发明实施例中关于扫描镜参数的正弦模型示意图；

图3为本发明实施例中计算扫描参数的初始值的步骤流程图；

图4为本发明实施例中获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻的步骤流程图。

图5为本发明实施例中探测器单元上的光斑示意图。

具体实施方式

根据背景技术部分的分析可知，扫描镜的机电性能会受到环境的影响。为此，需要实时监测扫描镜的机电特性，主要是测量扫描镜的幅值(振幅)、以及偏转角度(初始相位)。

现有技术中，通常采用位置传感器(psd)等专门的仪器来测量扫描镜的幅值和偏转角度，但这些专门的测量仪器通常体积较大、且价格高昂。

本发明中，在以单点测量的方式获得扫描参数的初始值的基础上，基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值，从而在无需位置传感器等专门的测量仪器的情况下，获得扫描镜振幅、初始相位的精确值，有利于缩小测量仪器的体积、并节省成本。

为使本领域技术人员更好地理解和实现本发明，以下参照附图，通过具体实施例进行详细说明。

如下所述，本发明实施例提供一种扫描镜的扫描参数测量方法。

参照图1所示的扫描镜的扫描参数测量方法流程图，以下通过具体步骤进行详细说明：

S101，获得扫描参数的初始值。

获得扫描参数的初始值；其中，所述扫描参数包括初始相位和振幅。

在一些实施例中，可以根据一个探测器单元的测量数据，计算得到扫描镜的扫描参数，作为扫描参数的初始值。

可以理解的是，系统中总共有多个探测器单元，本实施例的实施需要用到至少两个探测器单元(参考后续步骤)，各个探测器单元的安装位置是已知的。

单点测角原理：测量的目的是得到扫描镜的幅值(振幅)A，进而得到扫描镜的扫描参数(即扫描痕迹的正弦曲线，也就是谐振状态)，扫描镜的扫描参数为正弦曲线(如图2所示，x轴是时间轴，y轴代表扫描镜的幅度，也就是竖直方向上的角度值)。

获得扫描参数以后即可以得到扫描镜任意时刻的角度a，也可以根据扫描镜角度知道扫描到该探测点的时间，从而根据反馈对扫描镜的扫描进行对应的调节，得到想要的脉冲序列。

在一些实施例中，首先根据出厂的初始参数驱动扫描镜振动起来，直接利用一个探测器进行测量，来获取扫描镜的初始参数，进而再调节。假设探测器的安装位置为a，也就是在扫描镜在竖直方向的角度，最后我们获得A的值，就可以得到该正弦曲线(即扫描镜的扫描参数)a＝Asin[2πf(t+b)]，其中，b为初始相位，也即可以得到任意时刻扫描镜的角度。

在一些实施例中，所述根据一个探测器单元的测量数据，计算得到扫描镜的扫描参数，作为扫描参数的初始值的步骤具体可以包括以下子步骤：

S1011，驱动扫描镜振动。

在具体实施中，可以根据出厂的初始参数驱动扫描镜振动。

S1012，驱动激光器打点。

在具体实施中，可以以正常值一倍或多倍的速度驱动激光器打点。

当初始化、或者是短暂失锁时，需要尽快找回相位，并且搜索时间要尽可能短，例如在2个周期以内完成。在此情况下，算法根据出厂的初始参数驱动扫描镜振动起来，可以以正常值的一倍或多倍(例如可以是2倍)的速度驱动激光器打点，采取较快速度打点，则打点的密度较高探测器收到信号的可能性较大。接收侧固定一个通道(也就是固定一个探测器)打开检测回波信号。如果回波信号不够强，不能取得可信的参数，则换一个通道继续检测；如果完成了一次测量，也就是根据上面的单点测角原理获得了初始扫描参数之后，则进入后续步骤。

S1013，通过多个探测器单元中的一个探测器单元来检测回波信号，分别记录该探测器单元被扫描镜连续扫描到4次的4个时刻。

S1014，计算扫描参数的初始值。

在具体实施中，可以采用以下步骤来计算扫描参数的初始值：

理论上，只需要一个探测点，被扫描镜来回扫描到4次，就可以算出扫描镜的扫描参数：

T＝(t3+t4-t1-t2)/2；

f＝1/T；

当f,T落在置信区间内，我们就成功完成一次单点测量。标准正弦波的参数都可以推导出来，只是精度不够高而已(此处称为扫描参数的初始值)。

b＝(t1+t2+t3+t4)/2-3T/4；

A＝a/cos(2πf×((t2-t1+t4-t3)/4))；

其中，T表示周期，t1、t2、t3、t4分别表示该探测器单元被扫描镜连续扫描到4次的4个时刻，f表示频率，b表示初始相位，A表示振幅，a为已知参数，用于描述该探测器单元的安装位置。

S102，基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻。

基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，其中，已知各个探测器单元的安装位置。

虽然我们已经搜索到扫描镜初始相位和幅度的初始值，其数据的可信度仍然有限，这时我们需要增加测量数据。根据初始相位和幅度以及探测器的角度，可以知道激光器打点在某一探测器的时间，从而控制激光器的打点时刻，确保所有角度上的探测器均可以接收到信号，进而得到同步模式下的多个探测器的参数模式。

假定两个周期内有64×2＝128组测量数据，每组数据含4个时间t1～t4，其中有n组数据的f,T在置信区间，且n≥4。那么我们可以剔除误差较大的数据，计算平均值。然后进入下一阶段。如果n<4，那么我们需要延长搜索周期，直到累计足够可信的数据，才能进入下一阶段。这里所提到的测量数据的组数和n的值都可以根据需求变化。

在一些实施例中，所述基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻的步骤可以包括以下子步骤：

S1021，基于所述扫描参数的初始值、以及各个探测器单元的安装位置，计算激光器分别打点在多个不同位置的探测器单元的时刻。

S1022，选择所述多个不同位置的探测器单元中的至少两个探测器单元分别进行如下操作：在扫描镜扫描进入和退出该探测器单元的时刻分别打点，调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等。

我们已经通过对每个探测器单元做单点测量并且完成上述步骤后，就可靠地锁定了扫描镜的相位和幅度，这时需要进一步提高测角精度。

这时我们可以挑选一部分回波信号较好(不能太强导致饱和，也不能太弱误差较大)的探测器单元，在扫描镜扫描进入和退出该单元的时候先后打两个点。如果tr回波信号强度>tf回波信号强度，则像元的中心位置对应扫描时刻tc<(tr+tf)/2，反之亦反。调整光斑位置直到tc＝(tr+tf)/2，也就是将所有探测器接收光斑的位置调整到使其可以接受到的信号最多，在tc时刻打点。已知打点时间t和该探测器的角度，则可以得到A的值。

为了增加鲁棒性，需要轮流挑选多个单元做上述的精细测量，直至扫描镜扫描能精确锁定足够(>＝2)单元的中心点。

算法在具体实现的时候，应该给出当前锁定的相对可信度，方便系统监控和调试。

如附图5所示，图中椭圆表示光斑、矩形表示探测器单元，c表示探测器单元中心位置，r(或f)表示进入探测器单元的位置，f(或r)表示退出探测器单元的位置，可以看到此时两个光斑与该探测器单元的中心位置的距离不等，后续进行微调(可以是手动调整)直到两个光斑与该探测器单元的中心位置的距离相等。

在具体实施中，可以通过以下方式来调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等：若tr回波信号强度＞tf回波信号强度，则表示tc<(tr+tf)/2，若tr回波信号强度＜tf回波信号强度，则表示tc＞(tr+tf)/2，调整光斑位置直到tr回波信号强度等于tf回波信号强度；

其中，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，tr表示扫描镜进入该探测器单元的时刻，tf表示扫描镜退出该探测器单元的时刻。

S1023，就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻。

在具体实施中，可以根据公式tc＝(tr+tf)/2，就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，其中，与之前类似的，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，tr表示扫描镜进入该探测器单元的时刻，tf表示扫描镜退出该探测器单元的时刻。

S103，根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值。

根据正弦曲线的通式：a＝Asin[2πf(t+b)]，其中，A和b分别是扫描参数中的振幅和初始相位(即为待测值)。可以理解的是，由于是二元方程式，因而需要至少两个探测器单元的测量数据。

上述通式中的其它参数是已知的，具体的：

a表示探测器单元的位置，如前所述，已知各个探测器单元安装的位置；

f表示频率，也就是周期T的倒数，在步骤S101获得扫描参数的初始值的过程中已经同时获得了周期T和频率f(参考子步骤S1014)。

t即测量值，将先前的步骤S102中最终得到的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻tc(参考子步骤1023)代入。

如前所述，由于是关于A和b的二元方程式，因而需要至少两个探测器单元的tc，以此来构建方程组，然后求解得到A和b。

上述过程不需要借助psd等部件，而是在初始值的基础上，通过子步骤S1022中的微调、测得微调后回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻tc、并结合已知量进行计算，得到关于幅值(即振幅)和扫描镜偏转角度(即初始相位)的精确值。

通过以上对技术方案的描述可以看出：本实施例中，在以单点测量的方式获得扫描参数的初始值的基础上，基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值，从而在无需位置传感器等专门的测量仪器的情况下，获得扫描镜振幅、初始相位的精确值，有利于缩小测量仪器的体积、并节省成本。

进一步的，选择所述多个不同位置的探测器单元中的至少两个探测器单元分别进行如下操作：在扫描镜扫描进入和退出该探测器单元的时刻分别打点，调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等；就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，从而可以根据实际需要的扫描参数的精确值的精确程度，来确定测量时的投入，参与测量的探测器单元的数量越多、光斑距离探测器单元中心位置的误差越小，则最终得出的扫描参数的精确值更精确。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中，全部或部分步骤是可以通过程序指令相关的硬件来完成的，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，包括：

获得扫描参数的初始值；其中，所述扫描参数包括初始相位和振幅；

基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，其中，已知各个探测器单元的安装位置，其中，分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻的步骤包括：基于所述扫描参数的初始值、以及各个探测器单元的安装位置，计算激光器分别打点在多个不同位置的探测器单元的时刻，且就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻；

根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值。

2.如权利要求1所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，所述获得扫描参数的初始值包括：根据一个探测器单元的测量数据，计算得到扫描镜的扫描参数，作为扫描参数的初始值。

3.如权利要求2所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，所述根据一个探测器单元的测量数据，计算得到扫描镜的扫描参数，作为扫描参数的初始值的步骤包括：

驱动扫描镜振动；

驱动激光器打点；

通过多个探测器单元中的一个探测器单元来检测回波信号，分别记录该探测器单元被扫描镜连续扫描到4次的4个时刻；

计算扫描参数的初始值。

4.如权利要求3所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，所述驱动扫描镜振动具体是：根据出厂的初始参数驱动扫描镜振动；所述驱动激光器打点具体是：以正常值一倍或多倍的速度驱动激光器打点。

5.如权利要求3所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，所述计算扫描参数的初始值包括：

T＝(t3+t4-t1-t2)/2；

f＝1/T；

b＝(t1+t2+t3+t4)/2-3T/4；

A＝a/cos(2πf*((t2-t1+t4-t3)/4))；

所述扫描镜的扫描曲线为：a＝Asin[2πf(t+b)]；

其中，T表示周期，t1、t2、t3、t4分别表示该探测器单元被扫描镜连续扫描到4次的4个时刻，f表示频率，b表示初始相位，A表示振幅，a为已知参数，用于描述该探测器单元的安装位置。

6.如权利要求1所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，采用单点测量的方式来得到所述扫描参数的初始值。

7.如权利要求1所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，基于所述扫描参数的初始值，就至少两个探测器单元分别获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻的步骤包括：

选择所述多个不同位置的探测器单元中的至少两个探测器单元分别进行如下操作：在扫描镜扫描进入和退出该探测器单元的时刻分别打点，调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等。

8.如权利要求7所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，所述调整光斑位置直到两者与该探测器单元的中心位置的距离相等的步骤包括：

若tr回波信号强度＞tf回波信号强度，则表示tc<(tr+tf)/2，若tr回波信号强度＜tf回波信号强度，则表示tc＞(tr+tf)/2，调整光斑位置直到tr回波信号强度等于tf回波信号强度；

其中，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，tr表示扫描镜进入该探测器单元的时刻，tf表示扫描镜退出该探测器单元的时刻。

9.如权利要求7所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，所述就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻的步骤包括：

根据公式tc＝(tr+tf)/2，就所述至少两个探测器单元，分别根据所述扫描镜扫描进入和退出探测器单元的时刻，获得回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，其中，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，tr表示扫描镜进入该探测器单元的时刻，tf表示扫描镜退出该探测器单元的时刻。

10.如权利要求1所述的扫描镜的扫描参数测量方法，其特征在于，根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，计算得出扫描参数的精确值的步骤包括：

根据所述至少两个探测器单元的回波信号在探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻、以及公式a＝Asin[2πf(tc+b)]构建二元方程组，计算得出扫描参数的精确值；

其中，a为已知参数，用于描述该探测器单元的安装位置，A表示振幅，f表示频率，tc表示回波信号在该探测器单元中心位置时所对应的扫描时刻，b表示初始相位。

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