[发明专利]扫描反射器设备和用于驱动反射器系统的方法

说明书

本文公开了扫描反射器设备和反射器系统驱动方法。设备包括反射器系统和反馈电路。系统包括支承件；反射器；和弹簧结构，从支承件悬挂反射器，用于反射器在两种正交振荡模式下的扫描运动。各模式具有以初始带宽在固有谐振频率达到峰值的频率响应。系统包括：第一换能器结构，用于机械致动反射器；及第二换能器结构，用于生成表示反射器机械运动的感测信号。电路被配置成从第二换能器结构的换能器接收感测信号并且基于接收的感测信号向第一换能器结构的换能器生成驱动信号。对于各模式，电路被配置成：将驱动信号的振幅和频率调整到非线性振动范围，在该范围中，峰值频率处的频移是初始带宽的至少十倍；与调制信号波形成比例地改变驱动信号振幅。

技术领域

本公开内容涉及扫描反射器系统，并且更特别地涉及使得能够在两种正交振荡模式下进行扫描运动的设备和方法。

背景技术

扫描微机电(MEMS)反射器可以用在诸如光检测与测距传感器(LIDAR)的成像装置中。扫描MEMS反射器可以包括至少一个移动反射器，所述至少一个移动反射器可以将来自激光发射器的光束朝周围环境反射。附加的反射器或透镜可以被包括在移动反射器与环境之间的光路中。返回光束可以由反射出射光束的同一反射器或透镜向内朝光电检测器反射。

扫描MEMS反射器的成像区域(即视场)部分地由移动反射器可以倾斜的程度和移动反射器可以以何种方式倾斜来确定。这在图1中进行说明，图1示出了反射器系统的简化的二维简图。激光发射器11发射光束111。移动反射器12被悬挂在扭力梁上并且可以绕z轴旋转。用实线示出已经旋转至其逆时针极端位置处的反射器12。从该位置反射的光束121也用实线示出。用虚线示出已经旋转至其顺时针极端位置处的反射器12。从该位置反射的光束122也用虚线示出。在该简化简图中，zy平面中的反射器的成像区域将是一条线，该线的长度由两个光束121和122之间的角α来确定。如在图1中可看见的，α的大小由反射器12可以获得的倾斜角θ的范围来确定。对于多向扫描运动，需要更复杂的移动，其涉及以适当地协调且定时的顺序使各个反射器侧面上升和下沉。

可以利用图2中示意性示出的系统来生成多向扫描运动。图2示出了在yz平面中的圆形反射器21。该反射器21通过固定在围绕反射器21的边缘的对称定位的位置处的四个致动器221、222、223及224悬挂在框架22上。每个致动器由电压控制，并且每个致动器可以在该致动器被固定至边缘的点处使反射器边缘向上上升或使反射器边缘向下下沉。

通过适当地协调每个致动器的上升移动和下沉移动，反射器表面可以在任何方向上远离yz平面地倾斜。例如，如果致动器224使其被固定至的边缘上升，而致动器222使其被固定至的边缘下沉，并且221和223二者均使它们被固定至的边缘保持在中间位置，则反射器移动模拟关于y轴的倾斜。如果致动器221上升而223下沉，并且222和224二者均停留在中间位置，则反射器移动模拟关于z轴的倾斜。如果致动器222和221上升而223和224下沉，则反射器移动模拟关于y轴和z轴二者的组合倾斜。

对于多向扫描模式，移动反射器12可以被布置成围绕两个正交旋转轴振荡。两个振荡都可以被同时激励和驱动，并且反射器的最终位置是两种振荡模式的叠加。由此使该反射器在两种正交振荡模式下进行扫描运动。有利地，这些振荡模式被谐振地操作。

如果驱动反射器以谐振频率振荡，则最大倾斜角可以写为

θ＝2QF/(π²Mfres²r).

其中，Q是存储在反射器中的能量/每个振动周期的能量损失，M是反射器的质量，r是反射器的半径，f_res是谐振频率，并且F是驱动力。驱动力F可以写为

F＝ηV

其中η是致动器的转换因子并且V是施加的电压。因此，为了实现大的倾斜角θ，系统必须具有大的Q值，或者必须使用非常大的电压来驱动倾斜。使用非常大的驱动电压是不实际的，但是当反射器被真空封装到结构系统元件中时，可以实现约1000-10000量级或者甚至更大的Q值。