一种用于光声扫描的电热式微镜的步进扫描控制装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种用于光声扫描的电热式微镜的步进扫描控制装置及控制方法，装置包括接收外部时钟信号和运算输出二进制电压值的FPGA核心运算单元、数模转换模块、放大电路、以及过压保护与滤波模块；所述FPGA核心运算单元在接收到外部时钟信号后，在时钟前沿触发，输出经过特定算法运算得出的二进制电压值，该电压信号经过数模转换模块转换成模拟电压信号，用放大电路放大的信号通过过压保护与滤波模块后，供应给电热式微镜的执行器，继而驱动微镜做出相应的偏转动作；本发明针对不同版的微镜只需更改控制算法所用到的电压‑机械偏转角关系函数，就可灵活适用。另外，本发明还适用于光学扫描需要与外围设备同步协作的应用场合，有利于整个装置精度的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及光声扫描的研究领域，特别涉及一种电热式微镜的步进扫描控制装置及控制方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Sustem，MEMS)是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，可以批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信和电源等于一体(至少包含一个可运动结构满足某种机械作用)的微型器件或系统。MEMS微镜就是一种通过电压或电流或静电等的作用，使得可以活动的微型精满减发生转动或者平，从而改变输入光的传播方向或相位。电热式微镜系统主要包括镜面、支撑臂、驱动臂三个部分，驱动臂作为执行器依靠电热效应产生形变来驱动镜子偏转。

电热式微镜包括两组驱动臂对称框绕微镜，x组驱动臂分别是x+驱动臂和x-驱动臂，用于驱动微镜做转动动作；y组驱动臂分别是y+驱动臂和y-驱动臂，用于驱动微镜做俯仰动作；给任一驱动臂施加一定电压，则微镜镜面向该侧驱动臂偏转。

现有电热式微镜控制系统技术方案没有考虑外部时钟同步来驱动微镜进行步进扫描，但是在多种需要精确逐点扫描的应用场合，比如光声成像应用mems微镜时需要激光束步进扫描各个检查点，需要与脉冲激光器、光声换能器和数据采集卡同步。这就需要电热式微镜的控制系统能够提供外部时钟触发的微镜步进扫描控制。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于光声扫描的电热式微镜的步进扫描控制装置及控制方法，适用于光声扫描需要与外围设备同步协作的应用场合，有利于整个装置精度的提高。

为了达到上述目的本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种用于光声扫描的电热式微镜的步进扫描控制装置，包括接收外部时钟信号和运算输出二进制电压值的FPGA核心运算单元、数模转换模块、放大电路、以及过压保护与滤波模块；所述FPGA核心运算单元在接收到外部时钟信号后，在时钟前沿触发，输出经过特定算法运算得出的二进制电压值，该电压信号经过数模转换模块转换成模拟电压信号，用放大电路放大的信号通过过压保护与滤波模块后，供应给电热式微镜的执行器，继而驱动微镜做出相应的偏转动作；

所述的FPGA核心运算单元根据储存其内的处理运算算法，输出每次外部时钟到来后的微镜下一步偏转角对应驱动臂所需电压；

所述的特定算法是储存于FPGA核心运算单元中的微镜控制电压计算算法，该算法通过对外部时钟沿计数，结合所控制微镜的电压-机械偏转角关系函数，得出驱动臂电压值的十进制数值；继而将该十进制数值转换成符合数模转换芯片的编码需求的二进制序列；

所述的数模转换模块同时将FPGA核心运算单元的输出数字信号转换成模拟电压信号；

所述的放大电路利用运算放大器将电压放大至微镜需要的电压；

所述的过压保护与滤波模块是对欲施加给微镜执行器的模拟电压信号进行电压幅值的限制，以及对控制信号滤波除噪、并进行电流的放大。

作为优选的技术方案，所述FPGA核心运算单元是采用Cyclone4EP4CE6E22C8N芯片的、具有50MHz晶振的FPGA核心板；该FPGA芯片内含逻辑单元、寄存器、乘法器资源。

本发明还公开了一种用于光声扫描的电热式微镜的步进扫描控制方法，包括下述步骤：

S1、约定电热式微镜的两组驱动臂为x和y，x组包括x+驱动臂和x-驱动臂，y组包括y+驱动臂和y-驱动臂；

S2、根据欲控制微镜的标定数据，拟合出需要施加给执行器的电压与微镜机械偏转角度的函数关系：V＝g(D)，其中V是需要施加给电热式微镜某一个驱动臂的电压值，D指的是：在四个驱动臂中仅该驱动臂受电压后，微镜偏转的角度；

S3、检测到开始信号后，且在没有重置信号到来的情况下，FPGA核心运算单元对接收到的外部时钟前沿计数；

S4、计数值除以欲扫描点阵的列数值，结果的余数作为下一步要扫描的检查点所在的列坐标，其中，扫描起始列坐标为零；

S5、计数值除以欲扫描点阵的列数值，结果的模作为下一步要扫描的检查点所在的行坐标，其中，扫描起始行坐标为零；

S6、判断行坐标的奇偶性，如果行坐标是偶数，那么用欲转动光学角度范围的半程减去转动光学角度分辨力与列坐标的乘积，差值除以2，其结果作为x+驱动臂侧电致微镜偏转角度与x-驱动臂侧电致微镜偏转角度的差值，设为ΔDx；如果行坐标是奇数，则ΔDx与行坐标为偶数的情况的相应值符号相反；

S7、判断ΔDx的符号，如果其符号为正，则定义x+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDx的值，而x-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0；如果ΔDx的符号为负，则定义x+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0，而x-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDx的绝对值；

S8、同时计算y+驱动臂侧电致微镜偏转角度与y-驱动臂侧电致微镜偏转角度的差值，设为ΔDy，它是俯仰光学角度分辨力与行坐标的乘积减去欲俯仰光学角度范围的半程所得的差值除以2的结果；

S9、判断ΔDy的符号，如果其符号为正，则定义y+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDy的值，而y-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0；如果ΔDy的符号为负，则定义y+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0，而y-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDx的绝对值；

S10、对每一步得到的四个驱动臂的电致微镜偏转角度代入步骤S2中获取的函数关系式：V＝g(D)，从而得到应当施加给四个驱动臂的电压值；

S11、FPGA核心运算单元对欲输出的四个电压值进行后续DAC模块适用的二进制编码后，输出给后继DAC电路模块、放大电路和过压保护及滤波模块，最终的控制器输出分别对应接电热式微镜的四个驱动臂引脚和公共地。

作为优选的技术方案，步骤S1中还包括约定微镜的电致偏转的步骤，约定微镜的电致偏转是仅对四个驱动臂中的一个驱动臂上电后，微镜的偏转；电致偏转区别于微镜的被动偏转：微镜某驱动臂侧并未受电，但是由于同组中对称位置的驱动臂对微镜产生了电致偏转，导致该未受电驱动臂侧产生了被迫角位移。

作为优选的技术方案，步骤S2中所述的标定数据，主要是指对欲控制微镜的驱动臂施加电压对应该微镜的电致偏转角度。

作为优选的技术方案，步骤S3中，还包括下述步骤：

设置该计数值在达到所有欲扫描的检查点个数总和时候，归零；如果FPGA核心运算单元运作过程中，接收到重置信号，则计数值归零。

作为优选的技术方案，微镜对欲检查点阵列的扫描是弓字形扫描。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用外部时钟触发的步进式微镜扫描技术手段，从而达到了光声扫描便于与其它诸如激光器、超声发射接收器、数据采集器等外围设备进行同步，提高光声扫描的扫描精度的技术效果；

2、本发明采用了极其低廉且工业广泛使用的FPGA核心板、DAC模块、简单的运算放大器IC和常见的限压滤波电路，从而达到用于光声成像领域的微镜扫描方案的设计简明，实现成本极低，适合推广的技术效果；

3、本发明不需要对作为控制目标的微镜做任何形式的更改，从而适用性极强。

附图说明

图1是本发明的装置图；

图2是本发明所指的电热式微镜四个驱动臂示意图；

图3是实施例的光声成像装置示意图；

图4是本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例一种用于光声扫描的电热式微镜的步进扫描控制装置，包括接收外部时钟信号和运算输出二进制电压值的FPGA核心运算单元、数模转换模块、放大电路、以及过压保护与滤波模块；所述FPGA核心运算单元在接收到外部时钟信号后，在时钟前沿触发，输出经过特定算法运算得出的二进制电压值，该电压信号经过数模转换模块转换成模拟电压信号，用放大电路放大的信号通过过压保护与滤波模块后，供应给电热式微镜的执行器，继而驱动微镜做出相应的偏转动作；

所述的FPGA核心运算单元根据储存其内的处理运算算法，输出每次外部时钟到来后的微镜下一步偏转角对应驱动臂所需电压；

所述的数模转换模块同时将FPGA核心运算单元的输出数字信号转换成模拟电压信号；

所述的放大电路利用运算放大器将电压放大至微镜需要的电压；

所述的过压保护与滤波模块是对欲施加给微镜执行器的模拟电压信号进行电压幅值的限制，以及对控制信号滤波除噪、并进行电流的放大。

上述电热式微镜的外触发步进扫描控制装置的扫描控制方法，包括如下步骤：

0.约定电热式微镜的两组驱动臂为x和y，x组包括x+驱动臂和x-驱动臂，y组包括y+驱动臂和y-驱动臂，如图2所示；

约定微镜的电致偏转是对仅对四个驱动臂中的一个驱动臂上电后，微镜的偏转；电致偏转区别于微镜的被动偏转：微镜某驱动壁侧并未受电，但是由于同组中对称位置的驱动臂对微镜产生了电致偏转，导致该未受电驱动臂侧产生了被迫角位移；

1.根据欲控制微镜的标定数据，拟合出需要施加给执行器的电压与微镜机械偏转角度的函数关系：V＝g(D)，其中V是需要施加给电热式微镜某一个驱动臂的电压值，D指的是，在四个驱动臂中仅该驱动臂受电压后，微镜会偏转的角度；

2.检测到开始信号后，且在没有重置信号到来的情况下，FPGA对接收到的外部时钟前沿计数；设置该计数值在达到所有欲扫描的检查点个数总和时候，归零；如果fpga运作过程中，接收到重置信号，则计数值归零；

3.计数值除以欲扫描点阵的列数值，结果的余数作为下一步要扫描的检查点所在的列坐标(扫描起始列坐标为零)；

4.计数值除以欲扫描点阵的列数值，结果的模作为下一步要扫描的检查点所在的行坐标(扫描起始行坐标为零)；

5.判断行坐标的奇偶性，如果行坐标是偶数，那么用欲转动光学角度范围的半程减去转动光学角度分辨力与列坐标的乘积，差值再除以2，其结果作为x+驱动臂侧电致微镜偏转角度与x-驱动臂侧电致微镜偏转角度的差值，设为ΔDx；如果行坐标是奇数，则ΔDx与行坐标为偶数的情况的相应值符号相反；

6.判断ΔDx的符号，如果其符号为正，则定义x+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDx的值，而x-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0；如果ΔDx的符号为负，则定义x+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0，而x-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDx的绝对值；

7.同时计算y+驱动臂侧电致微镜偏转角度与y-驱动臂侧电致微镜偏转角度的差值，设为ΔDy，它是俯仰光学角度分辨力与行坐标的乘积减去欲俯仰光学角度范围的半程所得的差值再除以2的结果；

8.判断ΔDy的符号，如果其符号为正，则定义y+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDy的值，而y-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0；如果ΔDy的符号为负，则定义y+驱动臂侧的电致微镜偏转角度为0，而y-驱动臂侧的电致微镜偏转角度为ΔDx的绝对值；

9.对每一步得到的四个驱动臂的电致微镜偏转角度代入步骤1中获取的函数关系式：V＝g(D)，从而知晓应当施加给四个驱动臂的电压值；

10.fpga对欲输出的四个电压值进行后续DAC模块适用的二进制编码后，输出给后继DAC电路模块、放大电路和过压保护及滤波模块，最终的控制器输出分别对应接电热式微镜的四个驱动臂引脚和公共地。

在上述步骤中，其中转动和俯仰是指示一些偏转方向的(转动类似于左右摇头，俯仰类似于点头抬头)，其均为航空领域常用的技术术语。

在本实施例中，以电热式微镜在光声成像上的一个应用为例说明，实施方式如下：

如图3所示，采用532nm二极管泵浦的固体激光器发出重复频率在10KHz的20ns脉宽的脉冲激光，激光经过空间光与光纤耦合器，进入多模或者单模光纤中传输至光声探头部位；在探头内，激光尾纤插芯与自聚焦透镜同轴相邻固定，激光通过自聚焦透镜出射，击打在电热式mems微镜(无锡微奥，wm-u2型)上，经过镜面反射击中空间中的检查点；微镜在本发明所述的微镜控制器的控制下，步进式的，以弓字形路线，遍历每一个检查点。对每一个检查点的击打，都是在外部同步时钟的规范下进行；外部同步时钟供应至少四个外围设备：激光器、mems微镜控制器、超声信号接收器、数据采集模块。

激光器在每一个时钟前沿发出激光脉冲，经过精确试验计算，在激光击中空间中某个检查点后，以及激光器对检查点完成下一次光打击前，另外三个外围设备做出了如下动作：mems微镜控制器控制微镜步进偏转，指向扫描路线上的下一个检查点；光声信号接收器启动接收被超声换能器检到的检查点发出的光声信号；数据采集模块启动针对此次单步扫描的光声信号接收操作、录入上位机处理成像。

如图4所示，其中的微镜控制流程描述如下：

设定转动和俯仰光学角度均是40度，需要通过步进扫描遍历的空间检查点阵规模是101*101；fpga运行时的计数值变量用count表示；检查点阵的行列坐标分别用Row和Col表示；无论时微镜的转动还是俯仰，对应的光学角度分辨力均设定为0.4度；通过拟合标定试验的数据获知需要施加给执行器的电压V与微镜机械偏转角度D的函数关系：V＝g(D)；约定数学上的求余运算符是％，除号是/，乘号是*；约定x+驱动臂侧的电致微镜偏转角度用变量Dxp表示，x-驱动臂侧的电致微镜偏转角度用变量Dxm表示，y+驱动臂侧的电致微镜偏转角度用变量Dyp表示，y-驱动臂侧的电致微镜偏转角度用变量Dym表示；x+驱动臂需施加电压用变量Vxp表示，x-驱动臂需施加电压用变量Vxm表示，y+驱动臂需施加电压用变量Vyp表示，y-驱动臂需施加电压用变量Vym表示；

则在接收到上位机的启动命令后，且无重置信号到来的情况下，微镜控制器从零开始给外部接入的同步时钟计数，计数值是count；

控制器进行如下并行运算：

Col＝count％101；

Row＝(count-Col)/101；

对应

ΔDx＝10-0.2*Col(Row是偶数)

ΔDx＝0.2*Col-10(Row是奇数)

如果ΔDx是正，则Dxp＝|ΔDx|；Dxm＝0；如果ΔDx是负，则Dxp＝0；Dxm＝|ΔDx|；

ΔDy＝0.2*Row-10

如果ΔDy是正，则Dyp＝|ΔDy|；Dym＝0；如果ΔDy是负，则Dyp＝0；Dym＝|ΔDy|；

Vxp＝g(Dxp)；

Vxm＝g(Dxm)；

Vyp＝g(Dyp)；

Vym＝g(Dym)；

依照所使用的数模转换模块的二进制编码需求对以上四个电压值编码，供数模转换模块转换成模拟电压且放大合适倍数，输出给微镜对应四个执行器(驱动臂)，驱动微镜遂按照预定角度偏转。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。