CC BY
7УДК 621.38.049.77
Измерение угла отклонения микрозеркала с помощью фоточувствительной матрицы
И.М.Бритков, С.С.Евстафьев, Д.О.Злобин, О.М.Бритков, С.П.Тимошенков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ.»
В последнее время появилась новая область применения микромеханики - микрооптоэлек-тромеханические системы (МОЭМС), оптические компоненты или оптоэлектронные устройства и системы, включающие дифракционные решетки, волноводы, подвижные зеркала и др.[1] Микрозеркала производятся в основном на кристалле кремния, активизируются электростатическими, тепловыми, электромагнитными средствами и предназначены для отклонения луча на заданный угол.
МЭМС и МОЭМС требуют контроля параметров при различных физических воздействиях, изменении температур и прочих условиях, определяющих функциональность устройства. Необходимо определить максимальное отклонение микрозеркала от стандартного положения. Существует система автоматического тестирования для аналоговых микрозеркальных устройств, но она требует специального оборудования и программного обеспечения [2]. Для этой системы автоматического тестирования обязательно наличие позиционно-чувствительного устройства и компьютера с необходимым программным обеспечением для тестирования микрозеркала.
В настоящей работе предложен другой способ измерения характеристик микрозеркал, отличающийся отсутствием компьютерных средств и специализированного программного обеспечения, что значительно упрощает процесс тестирования микрозеркальных устройств.
В данном способе луч света, излучаемый лазером и проходящий через диафрагму, отражается от микрозеркала на фоточувствительную матрицу. Задавая первое приближение максимальных углов отклонения микрозеркала и зная размеры фоточувствительной матрицы, можно определить приближенное расстояние от микрозеркала до матрицы. Необходимо установить расстояние между матрицей и микрозеркалом в два раза меньше рассчитанного для того, чтобы весь сигнал, отраженный от микрозеркала, падал на матрицу фотоаппарата и не выходил за ее границы. Далее проводится тестирование микрозеркала по всем параметрам в разных условиях, после которого считывается изображение с матрицы (рис.1,а).
Для того чтобы нанести на матрицу прямую линию при случайном повороте матрицы вокруг оси (рис. 1,6), проходящей через центр матрицы и перпендикулярной ее плоскости, достаточно рассчитать углы а1 и а2.
Вычислив максимальные отклонения от центра матрицы и проведя несколько итераций установки зеркала и тестирования, однозначно определяются максимальные углы отклонения микрозеркала а1 и а2 по следующим формулам:
(
а! = агС;§
Ж
р
- А 1+-
АУ ^ - Ау )) Г Бу - Ау 1
Ах 11 V Бх - Ах )
+1
-1 ^
Е
-1
( (
а 2 = агС:§
Жр 2
- А 1+-
Ау Г Нр - АУ ) )) Г Бу -А Ау
Ах V 2 V Бх - Ах )
+1
Б - Ах)
Л ^
Г Бу - Ау )
V Бх - Ах ,
+1
) )
где ЖР - ширина кадра; ИР - высота кадра; (АХАУ) - координаты точки А в декартовой системе координат; (ВХ,ВУ) - координаты точки В в декартовой системе координат; Ь - расстояние от микрозеркала до матрицы.
© И.М.Бритков, С.С.Евстафьев, Д.О.Злобин, О.М.Бритков, С.П.Тимошенков, 2014
2
2
2
2
Е
Рис.1. Отражение микрозеркалом на матрицу светового пучка в виде произвольной прямой линии: а - оптическая схема (1 - фотоаппарат; 2 - матрица; 3 - диафрагма; 4 - лазер; 5 - микрозеркало; А,В - точки падения луча, отраженного от микрозеркала; С - точка крепления микрозеркала; Б - центр матрицы; аьа2 - углы падения луча); б - результат отражения (А,В,0,Б,Е,К - координаты точек на кадре; - ширина кадра (в пикселях); ИР - высота кадра (в пикселях); а - угол поворота матрицы вокруг оси, проходящей
перпендикулярно через ее центр)
В ходе исследований была использована матрица БХ-формата, размер которой составляет 12x18 мм. Матрицы таких размеров наиболее часто используются в цифровых зеркальных фотоаппаратах [3]. Пропорции БХ-изображения составляют 2:3. Взяв микрозеркало, предельные углы которого будут равны 12°, и приняв, что для тестируемого зеркала первое приближение его предельных углов составляет 15°, определим расстояние, на которое следует установить 12 мм
микрозеркало: -« 22 мм . При тестировании микрозеркала по всем параметрам на мат-
(15°) • 2
рице получена световая линия, отклоненная от центра матрицы на 770 пикселей. После нескольких итераций получен угол 12,2°. Далее микрозеркало устанавливалось на такое расстояние, чтобы в его предельных положениях световой луч падал на края матрицы: 12 мм
Ь =-= 55 мм . После установки микрозеркала на расстояние Ь от матрицы снова прово-
^ё(12,2°)
дилось его тестирование по частоте. Снова считывалась линия, засвеченная на матрице, и рассчитывался предельный угол падения луча, равный 12°. Эксперимент проводился при комнатной температуре +22 С°.
Данный способ позволил получить характеристики микрозеркала, не требуя больших вычислительных ресурсов, сложного и дорогостоящего оборудования, значительных затрат при настройке схемы стенда и энергозатрат.
В ходе тестирования использовались микрометр с абсолютной погрешностью измерения ЛЬ = 0,01 мм; микрозеркала с диапазоном максимальных углов отклонения 1-45°; матрица, позволявшая получать снимки с разрешением ЖхН пикселей (пусть Ж = 1920, И = 1080), а максимальная абсолютная погрешность определения крайних координат отраженной на матрице линии ограничивалась ЛР = 15 пикселями. Приведенную погрешность определения максимального угла отклонения можно рассчитать по формуле
5а =V5 L2 +5P 2
где SL - абсолютная ошибка установки расстояния от микрозеркала до матрицы; SP - абсолютная ошибка определения крайних координат отраженной на матрице линии.
Можно показать, что SP =-—P-< 1,5%, а SL =——— < 0,1%, где min(L) - мини-
min(W, H ) min(L)
мальное расстояние от матрицы до микрозеркала. Из рассматриваемых микрозеркал с диапазоном максимальных углов отклонения 1-45°, расстояние L будет минимальным у микрозеркала с максимальным углом отклонения 45°. Тогда приведенная погрешность для углов отклонения составит менее 2%.
Предложенный способ измерения предельных углов отклонения микрозеркала не требует наличия таких специальных технических средств, как позиционно-чувствительное устройство, компьютер и специализированное программное обеспечение. Способ позволяет снизить материальные и временные затраты для тестирования микрозеркал.
Литература
1. ЧаплыгинЮ.А. Нанотехнологии в электронике. - М.: Техносфера, 2013. - 448 с.
2. PillaiN.S. Automatic test system for an analog micromirror device // Pat. № 6889156 USA, G06F19/00. - 2005.
3. СкоттКелби. Цифровая фотография. Т. 1. - М.: Изд. дом «Вильямс», 2010. - 256 с.
Поступило 21 ноября 2013 г.
Бритков Игорь Михайлович - инженер кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: электростатические двигатели, микрозеркальные оптические системы, ро-бототехнические системы. E-mail:b_i_m@mail.ru
Евстафьев Сергей Сергеевич - инженер кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: тепловые микроактюаторы, микрозеркальные оптические системы.
Злобин Дмитрий Олегович - инженер кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: компьютерное зрение, робототехнические системы.
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: разработка конструкций и технологий изготовления малогабаритных преобразователей линейного ускорения (микроакселерометров), угловой скорости (микрогироскопов), инклинометров, микроповоротных зеркал, систем позиционирования и элементов навигационных блоков, блоков инерциаль-ной информации на основе кремниевых чувствительных элементов.
