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电磁驱动微扫描镜 MEMS振镜简介

电磁驱动微扫描镜(EM-MSM)是一种矢量扫描设备,能使入射光按照特定的方式和时间来发生反射,从而实现扫描成像。

传统的光学扫描镜体积大、成本高且多为散装,相较于传统扫描镜,电磁驱动微扫描镜由于其可靠性高、小型化和重量轻等优点,得以在激光雷达、激光散斑抑制等领域应用。

MEMS微扫描镜根据驱动方式的不同,又可以分为静电驱动式、电热驱动式、电磁驱动式和压电驱动式等,这四种驱动方式的特点对比如下,电磁驱动微扫描镜具有大光学转角、高线性度等优点。

电磁驱动微扫描镜 MEMS振镜简介

电磁驱动微扫描镜采用在镜面背面放置4个线圈(2对,水平和垂直方向),线圈距离磁铁具有一定距离。当其中一对线圈(水平方向)施加频率相同,相位相差90°的交流信号时,线圈产生的磁场的极性恰好相反且交替变化,线圈产生的磁场与磁铁间产生相互作用,产生方向相反的转矩。根据对称性,给垂直方向对应的线圈施加一定电流也会实现同样效果,从而达到二维扫描的目的。

电磁驱动微扫描镜工作原理示意图

电磁驱动微扫描镜 MEMS振镜简介

对慢轴和快轴分别施加不同的正弦信号,可得到不同的扫描图像。
电磁驱动微扫描镜产生的一维和二维Lissajous图形
电磁驱动微扫描镜 MEMS振镜简介
微扫描镜主体部分由反射镜、永久磁铁(汝铁硼磁铁)和绕闸线圈三部分组成,反射镜采用半导体加工工艺(光刻和刻蚀),在硅片基底上进行镀金,最终裂片得到。微扫描镜底部粘有永久磁铁,通过绕闸线圈的电磁感应现象,和永久磁铁间产生排斥力和吸引力,线圈产生的磁场的极性恰好相反且交替变化,产生方向相反的转矩。两组线圈所加的电流相互独立,实现二维扫描。

微扫描镜内含永久磁铁,请勿将微扫描镜放置在磁性材料的物体表面,以免微扫描镜吸附损坏微扫描镜;

使用过程中请勿用力拉扯微扫描镜的FPC软排线,以免损坏内部金线的连接;

请注意微扫描镜的使用环境,禁止将具有磁性的细小颗粒放在在微扫描镜周围,如铁屑、针具等。

 

MEMS振镜基本理论
MEMS振镜是一种基于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)技术制作而成的微小可驱动反射镜。镜面直径通常只有几毫米。与传统的光学扫描镜相比,具有重量轻,体积小,易于大批量生产,生产成本较低的优点。在光学,机械性能和功耗方面表现更为突出。因此,MEMS振镜已经在条形码扫描,高清投影,激光共焦显微系统等领域得到应用。

MEMS振镜分类

MEMS扫描镜可以根据以下方面进行分类:

工作原理:反射、折射或衍射;
驱动原理:静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热电驱动;
制造技术:体微加工,表面微加工和其他微加工等。
从工作方式来看,MEMS微镜可以分为谐振态和准静态(即非谐振态)两类:
a)谐振态MEMS微镜需要工作在谐振频率点下,扫描频率偏离谐振频率点扫描角度会大幅降低至不能正常工作;
b)准静态MEMS微镜的工作频率可以自由调整,从零开始到微镜结构固有谐振频率范围以内均可实时调节,大大提高了MEMS的灵活实用程度;
c)MEMS微镜的动态响应以及固有谐振频率与MEMS微镜的加工制作方式以及镜片尺寸等都有关系。镜片尺寸越大,则MEMS微镜的转动惯量也越大,谐振频率会随之降低。
对于2DMEMS微镜,其在两个方向均可扫描,根据两轴扫描模式不同,其主要可以分为三类:
a)两轴均用准静态扫描方式,这种MEMS微镜两个方向上的工作带宽都从直流驱动到一定频率可调,不能工作在谐振频率下。当用直流电压驱动时,镜面反射光斑可以维持在一个固定的位置,因而可以实现点到点的扫描效果。
b)x轴(也即快轴)采用谐振模式,用正弦波驱动工作在微镜固有的谐振频率点,通常为几KHz,让反射光束在水平方向上快速扫描,然后y轴(也即慢轴)采用准静态模式,用低频三角波或锯齿波驱动扫描,频率通常为几十Hz。
c)两轴均为谐振扫描模式,该模式下两轴都工作在各自狭窄的频率范围内,均用高频正弦波驱动扫描。由于工作在谐振模式下的微镜形变以及扫描角度放大效果十分显著,因而要十分注意输入正弦波的幅度控制,超过一定范围的时候MEMS微镜可能会因为微镜支撑梁形变太大而损毁。该种模式下反射光束的扫描轨迹呈现出的扫描效果为李萨如图形。可以通过x轴和y轴的工作频率之比来调节李萨如图形曲形轨迹。

电磁驱动微扫描镜 MEMS振镜简介
电磁驱动微扫描镜 MEMS振镜简介