掃描反射鏡性能測試方案設計及仿真

王興海

（上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海，201203）

1 背景技術

掃描反射鏡在光電垂向位置測量系統中起到調制光信號的作用，可以認為是整個光電垂向位置測量系統的關鍵。截至目前，還未有一套獨立的、成熟的、精確量化的測量裝置，對掃描反射鏡的性能進行測試。目前掃描反射鏡的性能只能同分系統的性能耦合在一起進行判斷，如果掃描反射鏡存在問題，有可能到分系統測試階段才能發現，造成了人力、物力、時間上的浪費。所以需要開發一套專用的測試裝置。

掃描反射鏡由鏡座、反射鏡片、轉軸、磁鐵、電磁線圈、鐵芯，導線等組成。鏡座提供掃描反射鏡整體固定安裝接口及安裝固定基準，可以分為一體或分成幾個裝配組件；反射鏡片對入射光束進行反射；轉軸與反射鏡片固定為一體，鐵芯與轉軸固定為一個整體；磁鐵產生恒定磁場。

導線在電磁線圈通電后，貼近會產生磁性，并在磁鐵磁場的作用下，根據磁鐵同性相斥，異性相吸的原理使磁鐵轉動，并由鐵芯帶動轉軸及反射鏡發生相應的偏轉；通過控制電磁線圈電流的大小，可控制反射鏡轉動幅度，通過控制電磁線圈電流方向，控制掃描反射鏡轉動方向；通過周期性施加不同方向的電流，就可以使得反射鏡產生周期性的擺動。

2 測試方案

測試需求：

掃描反射鏡的測試平臺需求包括：振幅穩定性（≤0.02%）測試功能，頻率穩定性（≤0.02%）測試功能，非掃描方向機械位置穩定性測試功能，數據自動采集、計算、分析的功能。

測試方案：

方案一：在鏡軸上安裝電磁傳感器，當振鏡工作的時候，傳感器會產生相應的電磁信號，根據電磁信號的穩定性來判斷掃描反射鏡的振幅穩定性。

分析：這種測試方式需要對被測物進行加工，有悖測試初衷。

方案二：使用光源通過狹縫將光打到棱鏡上面，通過棱鏡一方面將光反射到掃描反射鏡上面，另一方面將光打到CCD上，這樣可以通過CCD來監控光源的變化的同時也可以將光通過掃描反射鏡打到光電傳感器上，由于掃描反射鏡的作用，光會在光電傳感器上形成一個按照周期性變化的信號。

分析：

最大單方向擺角：mθ

掃描反射鏡擺動頻率：f

傳感器到掃描反射鏡距離：L

反射光在傳感器探測面上軌跡：S，則

由于不需要在掃描反射鏡本體結構上面增加東西，對掃描反射鏡自身的結構沒有影響，不會引入更多的不確定因素，所以選擇方案二進行接下來的仿真與實驗。

3 測試原理

為了得到2?θm?L，有兩種方法：

捕捉邊界：

傳感器選擇線陣CCD，使用高分標率普通的CCD需要進行較長時間的曝光積分，邊界特征以及受外界情況影響需要進一步的分析評估。

記錄整個軌跡：

選用光電二極管陣列，探測出軌跡關鍵點，構建出整個軌跡的模型。

關鍵點定義，反射光與探測器中心重合時，探測器探測到的能量最大，這時候該反射光軌跡點作為關鍵點。

由于探測器之間的位置是固定的，記錄非邊緣探測器探測到的Peak值對應的時間，再使用擬合函數對采樣值進行擬合，擬合出正弦波，計算正弦波的幅值，就是掃描反射鏡的振幅。

4 仿真

由于光能量為高斯分布，采用半高寬度約1mm；選取12路傳感器，單個探測器寬度為0.9mm；mθ為1.875mrad；頻率為3.4kHz；采樣周期為3μs；按照上述參數進行計算，可以得出振幅為3.75mm。

使用Matlab軟件通過函數擬合正弦波計算出來的振幅為3.7499mm,符合要求范圍。

準確獲取原始波形關鍵點對應的時間，測量的振幅重復性會更準確。

提高獲取關鍵點對應時間參數的實現方法：

減小采樣點間隔時間的方法（耗時長）；

尋找一種函數擬合方法（波形非對稱性，準確性不夠）；

減少采樣點間隔時間與函數擬合相結合的方法；

減小采樣點時間間隔的方法：

單次采集波形點數、采樣間隔時間有限；

通過多次采集波形合并的方法，可構建采樣間隔時間很小的波形，可以為10—25ns級別。

采樣間隔仿真，通過降低采樣間隔，減小獲取關鍵點對應的時間偏差，仿真可以看到，在10ns的采樣偏差下，振幅相對偏差在0.02%范圍內。

圖2 Matlab仿真圖

根據以上仿真可得出，10ns以內的偏差可以保證振幅的相對偏差≤0.02%。

表1 采樣時間偏差與振幅相對偏差仿真結果

尋找一種函數準確獲取極值對應時間的方法：

在進行仿真的過程中發現信號波形具有非對稱特點，計算準確性受到影響因素較多，比如采樣點密集程度、極值周邊采樣點所占比例等。通過多次采集數據合并，采用4次方函數擬合求解，數據篩選等方法，使關鍵點對應時間求解仿真結果可以達到10ns的量級。

表2 采樣多種措施進行后對數據進行仿真的結果

5 總結與展望

根據需求找到了一種測試掃描反射鏡振幅穩定性的方法，通過仿真驗證了改種方法的可行性，為后續掃描反射鏡測試平臺的開發提供了有力的支撐。