基于MEMS双轴反射镜的三维形貌扫描测量技术研究

本项目提出一种基于MEMS双轴反射镜的三维形貌测量新方法，采用MEMS技术研制带压阻传感器的电磁型双轴反射镜，探索低电压驱动下的大角度二维扫描技术和偏转角的高精度检测技术；同时结合激光测量技术，开展目标三维形貌扫描测量理论模型与仿真技术研究；最后采用光机电一体化集成技术，构建MOEMS目标三维形貌测量系统，并针对远距离大尺寸目标进行表面形貌扫描测量的实验研究。与传统机电式扫描机构相比，本项目研制的MEMS双轴反射镜具有体积小、功耗低、扫描频率高和扫描范围大等优点，将其应用于目标表面形貌测量技术中，以探索基于MEMS技术的三维形貌测量新方法和MOEMS目标三维形貌测量系统。本项目的研究工作将对提高微型化集成化的快速实时表面形貌测量技术，探索其在装备制造业发展中的应用具有积极意义。

本研究课题受国家自然科学基金青年基金项目资助，目标主要是研制基于MEMS微型二维扫描镜的微型化激光扫描测量系统，研究压电型MEMS微型二维扫描镜的改进方案和性能指标，探索低电压驱动的电磁型MEMS二维扫描镜设计，并对激光二维扫描理论进行研究。通过这些研究工作，为进一步探索基于MEMS微型二维扫描镜以及微型化目标形貌测量技术打下了基础。.研究工作介绍了激光扫描测量技术的研究现状以及激光探测结合MEMS微反射镜的研究方向。归纳和总结了国内外几种微反射镜的工作原理，阐述了它们的特点和适用范围。基于MEMS微型二维扫描镜，进行了微型化激光扫描测量系统的设计、集成与测试研究。介绍了微型化激光扫描测量系统的组成和测量原理，对半导体激光模组和光电接收器进行了选型，设计了信号处理单元，理论计算了远程测量参数，并完成了系统各组成部分的设计与集成，研制出了微型化激光扫描测量系统集成模块，并对系统的性能指标进行了测量。.针对已有MEMS微型二维扫描镜器件进行了改进设计，完成了四种方案芯片的测试，分别对其谐振频率、扫描范围、压阻特性等性能指标进行测试，对MEMS微型二维扫描镜的工作原理进行进一步的验证，对扫描镜偏转角的压阻测试方案进行验证，并对测量结果和性能进行了分析。同时研究了电磁型MEMS微型二维扫描镜的设计，介绍了电磁型MEMS二维扫描镜的工作原理，设计了器件的结构参数，进行了有限元仿真，设计了工艺流程，完成了加工版图的绘制，对进一步完善电磁型MEMS微型二维扫描镜的设计，进行器件的加工、封装及测试等后续工作打下了良好的基础。.针对微型化目标形貌测量技术，对MEMS激光二维扫描特性及其扫描覆盖性进行了研究，主要内容包括MEMS微型二维扫描镜二维扫描轨迹的分析，扫描图形中交点最大间距的计算，以及视场全覆盖的条件，并验证了微型化目标形貌测量系统的参数设计能够实现对目标表面扫描区域的全视场覆盖，为其实际应用提供了理论依据。