本發明屬于微光機電(MOEMS)領域，具體涉及一種微扭轉鏡的位置檢測系統及方法。

背景技術：

諧振式微振鏡與傳統光束偏轉元件相比，具有尺寸小、重量輕、慣性小、功耗低、響應快、易集成等優點，在激光掃描領域有廣泛的應用。

諧振式微振鏡的振動幅值與相位會隨驅動電壓、環境溫度、濕度、大氣壓力等的變化而變化，為了保證微扭轉鏡始終可以穩定工作，需要對掃描鏡的振動情況進行實時檢測。目前常用的檢測方式有光電檢測、電容檢測、壓阻檢測等方法。其中光電檢測方法系統封裝工藝復雜，封裝體積大；電容檢測的信號微弱，信噪比低；壓阻檢測需要在微振鏡上集成壓阻模塊，制作工藝復雜。

微振鏡工作時，鏡面快速轉動，其附近的空氣受到擠壓或摩擦產生聲音。該聲音的頻率與微振鏡工作頻率一致，聲音幅值與振鏡工作幅值成正比，聲音與微振鏡工作狀態之間有相位差。這樣，可以利用麥克風獲取聲音信息，并計算出微振鏡的運動信息。

2009年，美國德州儀器公司公開了一個利用麥克風反饋的專利，但沒有提到如何用麥克風的信息來計算微振鏡的運動信息。

鑒于以上技術問題，實有必要提供一種微扭轉鏡的聲音檢測方法，以解決以上技術問題。

技術實現要素：

本發明提供了一種微振鏡的反饋系統及方法，通過聲音計算振鏡的運動信息。

本發明采用以下技術方案：

一種微振鏡的反饋系統，通過采集麥克風的聲音信號，得到微振鏡運動的幅值和相位；具體方法如下：

(1)根據微振鏡的幅值θ_m與測量的聲音幅值A_s之間的線性關系θ_m＝A_s·k，標定比例k；

(2)根據公式θ_m＝A_s·k計算微振鏡的幅值；

(3)根據標定系數和b，其中，為微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之差，ω為微振鏡的振動頻率；

(4)根據公式計算微振鏡的運動相位。

步驟(3)中，微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之差包括兩部分，一是微振鏡運動相位與產生聲音的相位之間的差值另一個是因聲音傳播產生的相位差值

當僅有一個麥克風時，微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之差根據公式通過對微振鏡和麥克風進行一次相位差與頻率的線性關系標定而確定系數和b，其中，ω為振鏡振動的頻率。

當有兩個麥克風時，微振鏡運動相位與產生聲音的相位之間的差值根據公式標定，其中，ω為振鏡振動的頻率；兩個麥克風的聲音傳播產生的相位差值分別根據公式和標定，其中，l₁和l₂分別為微振鏡與兩個麥克風之間的距離，和分別為兩個麥克風接收的聲音相位。

當有兩個麥克風時，分別對兩個麥克風產生的聲音幅值與振鏡的幅值進行標定，計算時，以兩次計算結果的平均作為最終幅值。

一種微振鏡的反饋系統，包括微振鏡、麥克風、微振鏡驅動系統，以及麥克風檢測系統，其中，微振鏡和麥克風的感測區域的中心距離小于10mm。

所述麥克風的感測區域直接與微振鏡的可動區域相鄰。

所述麥克風的采樣頻率大于微振鏡振動頻率的10倍。

當有兩個麥克風時，兩個麥克風之間的距離小于5mm。

與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：本發明首先通過麥克風采集振鏡振動時的聲音信息，然后通過聲音與振鏡運動之間的關系計算出振鏡的運動信息，檢測方法簡單，且準確度較高。

【附圖說明】

圖1：單麥克風檢測系統圖。

圖2：單麥克風最近距離檢測位置圖。

圖3：雙麥克風去噪檢測系統圖。

【具體實施方式】

下面結合附圖和實施例對本發明做詳細闡述：

實施例1

在本實施例中，僅采用一個麥克風，實現微振鏡振動幅值和相位的計算。

請參閱圖1所示，該系統100主要包括微振鏡102，麥克風104，微振鏡驅動系統106，麥克風檢測系統108。

其中微振鏡102和麥克風104的感測區域104-a距離應盡量靠近，中心距L小于10mm，也可如圖2所示，麥克風的檢測點直接與微振鏡的可動區域相鄰。

微振鏡驅動系統106是用來產生驅動微振鏡102的驅動信號，從而驅動微振鏡102工作。

麥克風檢測系統108是用來接收麥克風的數據，并對數據進行處理，得到信號的幅值、相位。

麥克風有模擬輸出和數學輸出兩類。對于模擬輸出，可以對模擬輸出的信號進行模擬數字轉換。對于數字輸出，可以直接讀取。但均要確保采樣率大于微振鏡振動頻率的10倍，來保證后期處理的準確性。對于數據可以用快速傅里葉變換或擬合等方法，求出當前信號的幅值和相位。聲音的頻率與微振鏡的頻率一致，而微振鏡的頻率一般與驅動信號頻率呈倍數關系，是已知量。

但要從聲音的幅值和相位，得到微振鏡的運動狀態，應在系統裝配完成之后對系統進行一次標定，標定兩者的幅值關系和相位關系。

聲音的幅值與微振鏡的運動幅值成正比，應當標定出兩者之間的系數。由于聲音傳播過程中會衰減，故應在微振鏡與麥克風裝配完成后標定。

微振鏡的運動的相位與麥克風接收的聲音相位之間的差是兩個部分的和，一是發出的聲音與微振鏡運動之前的相位差，另一個是聲音傳播帶來的相位差。所以也應該在裝配完成后標定。相位差與微振鏡的頻率和呈近似線性關系，應當標定該線性關系的斜率和截距。

根據這兩個關系，便可以從聲音的幅值和相位得到微振鏡的幅值和相位，即有了微振鏡的位置信息。

具體方法如下：

幅值：

微振鏡的幅值θ_m與測量的聲音幅值A_s是線性關系θ_m＝A_s·k，在這個線性關系中，聲音幅值A_s是可以直接測得的，而比例k會隨著麥克風放置的方向、與微振鏡之間的距離變化而變化。因此，在檢測系統使用之前，需要標定比例k，即：首先測得一組數據θ_m-A_s，然后改變振鏡的驅動參數，再次測得一組數據θ_m-A_s，如此反復幾次，最后采用最小二乘法擬合出比例k。

經過標定的比例k就可以在反饋系統中使用聲音的幅值A_s與比例k的乘積得到微振鏡的幅值θ_m。

相位：

微振鏡的運動相位與測量的聲音相位有一個差值因此，只要得知微振鏡的運動相位與測量的聲音相位之間的差值即可計算出微振鏡的運動相位

這個差值是兩部分的和，一是微振鏡運動相位與產生聲音的相位之間的差值，另一個是因聲音傳播產生的相位差值。這兩個差值均與微振鏡運動頻率ω大致成線性關系。因為聲音傳播產生的相位差與微振鏡和麥克風之間的距離有關，所以最優的方法是：對裝配完畢的微振鏡和麥克風進行一次相位差與頻率的線性關系標定(方法同幅值中比例k的標定，即測得一組相位差與頻率，改變驅動參數，再次測得相位差與頻率，如此反復，最后用最小二乘法擬合系數和b)，得到相關方程中的系數和b。

標定完成后，在反饋系統中，通過測量的聲音相位微振鏡運動頻率ω、標定的參數和b，便可得到微振鏡的運動相位

實施例2

在本實施例中，采用兩個麥克風，實現更精準的微振鏡振動幅值和相位的計算。

請參閱圖3所示，該系統200主要包括微振鏡102，第一麥克風104，第二麥克風204，微振鏡驅動系統106，麥克風檢測系統108。

其中微振鏡102和第一麥克風104的感測區域104-a距離應盡量靠近，中心距L小于10mm，第二麥克風204的感測區域204-a與微振鏡102的距離L₂與第一麥克風104的距離L相比應大一些，但差值應小于5mm。

微振鏡驅動系統106是用來產生驅動微振鏡102的驅動信號，從而驅動微振鏡202工作。

麥克風檢測系統108是用來接收兩個麥克風的數據，并對數據進行處理，得到信號的幅值、相位。

麥克風有模擬輸出和數學輸出兩類。對于模擬輸出，可以對模擬輸出的信號進行模擬數字轉換。對于數字輸出，可以直接讀取。但均要確保采樣率大于微振鏡振動頻率的10倍，來保證后期處理的準確性。

第一麥克風和第二麥克風放置的距離不同，其接收到的微振鏡發出聲音的幅值和相位不同。但對于外界噪聲來說，兩個麥克風接收到的信號基本一致，可以利用這種差異進行去噪處理，提高麥克風信號的信噪比。具體做法是：對采集到的第一麥克風的聲音信號做傅里葉變換，然后將微振鏡工作頻率對應的值置為0，然后再做反傅里葉變換得到新數據，再拿采集到的第一麥克風的聲音信號減去新數據，得到去噪后的聲音信號。同樣的做法，可以得到去噪的第二麥克風數據。

所述的聲音信號指一些列對應時刻采集的聲音的壓力大小所構成的數據。

振鏡幅值的具體計算如下：

微振鏡的幅值θ_m與測量的聲音幅值A_s是線性關系θ_m＝A_s·k。雙麥克風系統中，對于第一麥克風，存在幅值關系θ_m＝A_s1·k₁；對于第二麥克風，存在幅值關系θ_m＝A_s2·k₂。比例k₁和k₂會隨著麥克風放置的方向、與微振鏡之間的距離變化而變化。裝配完成后應當對比例k₁和k₂進行一次標定(標定方法同實施例1)。

在反饋系統中，可以采用第一麥克風的幅值關系計算微振鏡的幅值，也可以采用第二麥克風的幅值關系計算微振鏡的幅值，也可以用兩次計算結果的平均做為最終幅值：θ_m＝(A_s1·k₁₊A_s2·k₂)/2。離微振鏡的距離越小，檢測到的聲音幅值越大，最優地，應該采用離微振鏡更近的第一麥克風的幅值關系計算微振鏡的幅值。

振鏡相位的計算方法：

微振鏡的運動相位與麥克風接收的聲音相位有一個差值這個差值是兩部分的和，一是微振鏡運動相位與產生聲音的相位之間的差值另一個是因聲音傳播產生的相位差值

聲音傳播產生的相位差值也會隨著聲速的變化而變化，以單麥克風的形式無法消除溫度變化帶來的誤差。以雙麥克風之間距離和接收到的聲音相位，可以計算出因聲音傳播產生的相位差值從而消除溫度變化帶來的誤差。聲音傳播帶來的相位差可以用公式計算：其中l是麥克風距離振鏡的距離，f為聲音頻率，s為聲速。通過測試兩個不同的距離l時的相位差，可以計算出的大小。

聲音傳播產生的相位差與距離l成正比，通過測量微振鏡與兩個麥克風之間的距離l₁和l₂，以及兩個麥克風接收的聲音相位和可以計算出從微振鏡到第一麥克風之間的聲音傳播相位差值微振鏡到第二麥克風之間的聲音傳播相位差值

與微振鏡運動頻率ω大致成線性關系。這個線性關系應當在裝配完成后標定，得到線性關系通過多次獲得ω和最后通過最小二乘法即可得到系數k_c和b_c。

在計算相位時，可以以第一麥克風為基準計算振鏡相位也可以以第二麥克風為基準計算振鏡相位也可以以兩者的結果求平均離微振鏡的距離越小，檢測到的聲音信號越好，最優地，應該采用離微振鏡更近的第一麥克風的幅值關系計算微振鏡的相位。