Precision angle measurement of MEMS scanning systems

Abstract

MEMS mirrors and its laser scanning systems have received much attention in high precision scanning systems, for various applications such as lidars and augmented reality head up displays in automotive markets. High accuracy and precision are required for high resolution and reliable operation of the MEMS-based laser scanning system. To achieve such high accuracy and precision, an appropriate characterisation of MEMS mirror is crucial. This thesis discusses the development of an accurate and precise characterisation system for MEMS-based laser scanning systems. A new characterisation system is designed to allow an accurate mechanical angle measurements for a large mechanical range with a large tolerance of the working distance errors. The new characterisation system is composed by a lens system with a 2/3 inch CMOS image sensor, which allows the required performance. For three-lens systems, conventional lens disposition (CLD) and unusual lens disposition (ULD) are considered for the chosen lens system configuration. Once the lenses are properly selected, the parameters of the characterisation system arrangement are determined for each lens disposition case, using the software Zemax OpticStudio and Matlab. Then, the characterisation system designed for both lens disposition cases is developed in the laboratory and aligned in an experimental setup so that it is possible to perform the measurement of the mechanical angle of a galvanometer-based scanning mirror. For two lens disposition cases, numerical simulation by Zemax OpticStudio and experimental results by the characterisation system are analysed and compared to evaluate the developed lens-based characterisation system. Finally, only the ULD case allows mechanical angle measurements up to +-7º with a tolerance of working distance error for +-5mm, which corresponds to 16.17% where the maximum error in the mechanical angle measurement does not surpass the required accuracy of 0.1º, which is verified by both numerical and experimental results. The mechanical angles +-7º are larger than the maximum mechanical angles that the 2/3 inch sensor can measure when it is placed at the same working distance of the characterisation system. This show that the lens-based characterisation system with ULD of the three lens system configuration enables a proper mechanical angle measurement for a large mechanical range with high tolerance against the errors in working distance.

Espejos en MEMS y sus sistemas de escaneo láser reciben mucha atención para sistemas de escaneo de alta precisión en varias aplicaciones como "lidars" o "headup displays" en el mercado del automóvil. Se requiere alta precisión y exactitud para una alta resolución y operación fiable de un sistema de escaneo láser basado en espejo de MEMS. Con el fin de conseguir tal precisión y exactitud, una adecuada caracterización de los espejos de MEMS es crucial. En este TFG se discute el desarrollo de un sistema de caracterización preciso y exacto para los sistemas de escaneo láser basados en espejos de MEMS. Un nuevo sistema de caracterización es diseñado para obtener medidas del ángulo mecánico para un rango de ángulos mecánicos extenso con una tolerancia de los errores de la distancia de trabajo considerable. El nuevo sistema de caracterización está compuesto por un sistema de lentes y un sensor CMOS de tamaño 2/3 pulgadas, permitiendo el funcionamiento requerido. Para sistemas de tres lentes, se considera una disposición convencional de las lentes (CLD) y una disposición inusual de las lentes (ULD) para la configuración escogida del sistema de tres lentes. Una vez que las lentes se han elegido adecuadamente, los parámetros de la disposición del sistema de caracterización se determinan para las dos disposiciones de las lentes consideradas, utilizando el software Zemax OpticStudio y el Matlab. Entonces, el sistema de caracterización diseñado para las dos disposiciones de las lentes se establece en el laboratorio y se alinea en un montaje experimental de forma que sea posible medir el ángulo mecánico de un espejo que oscila. Para las dos disposiciones de lentes, los resultados numéricos por simulaciones utilizando Zemax OpticStudio y los resultados experimentales del sistema de caracterización son analizados y comparados para evaluar el sistema de caracterización basado en lentes que se ha diseñado. Finalmente, sólo el caso ULD permite la medida de ángulos mecánicos hasta +-7º con una tolerancia del error de la distancia de trabajo de +-5 mm, que corresponde a un 16.17% donde el máximo error en la medida de ángulos mecánicos no sobrepasa la exactitud requerida de 0.1º, verificado por los resultados numéricos y experimentales. Los ángulos mecánicos +-7º son mayores que los máximos ángulos mecánicos que el sensor de tamaño 2/3 pulgadas puede medir cuando está a la misma distancia de trabajo del sistema de caracterización. Esto muestra que el sistema de caracterización basado en lentes, cuando se considera el caso ULD por el sistema de tres lentes, permite una medida adecuada de los ángulos mecánicos para un rango de ángulos mecánicos extenso con una tolerancia contra los errores de la distancia de trabajo considerable.

Miralls en MEMS i els seus sistemes d'escaneig làser reben molta atenció per sistemes d'escaneig d'alta precisió en varies aplicacions com "lidars" o "head up displays" en el mercat de l'automòbil. Es requereix alta precisió i exactitud per una alta resolució i operació fiable d'un sistema d'escaneig làser basat en mirall de MEMS. Per tal d'aconseguir tal precisió i exactitud, una adequada caracterització dels miralls de MEMS és crucial. En aquest TFG es discuteix el desenvolupament d'un sistema de caracterització precís i exacte pels sistemes d'escaneig làser basats en miralls de MEMS. Un nou sistema de caracterització és dissenyat per obtindre mesures de l'angle mecànic per un rang d'angles mecànics extens amb una tolerància dels errors de la distància de treball considerable. El nou sistema de caracterització està compost per un sistema de lents i un sensor CMOS de mida 2/3 polzades, permetent el funcionament requerit. Per sistemes de tres lents, es considera una disposició convencional de les lents (CLD) i una disposició inusual de les lents (ULD) per la configuració escollida del sistema de tres lents. Un cop les lents s'han triat adequadament, els paràmetres de l'arranjament del sistema de caracterització es determinen per les dues disposicions de les lents considerades, utilitzant el software Zemax OpticStudio i el Matlab. Llavors, el sistema de caracterització dissenyat per les dues disposicions de les lents s'estableix en el laboratori i s'alinea en un muntatge experimental de manera que sigui possible mesurar l'angle mecànic d'un mirall que oscil·la. Per les dues disposicions de lents, els resultats numèrics per simulacions utilitzant Zemax OpticStudio i els resultats experimentals del sistema de caracterització són analitzats i comparats per evaluar el sistema de caracterització basat en lents que s'ha disenyat. Finalment, només el cas ULD permet la mesura d'angles mecànics fins a +-7º amb una tolerància del error de la distància de treball de +-5 mm, que correspon a un 16.17% on el màxim error en la mesura d'angles mecànics no sobrepassa l'exactitud requerida de 0.1º, verificat pels resultats numèrics i experimentals. Els angles mecànics +-7º són majors que el màxims angles mecànics que el sensor de mira 2/3 polzades pot mesurar quan és a la mateixa distància de treball del sistema de caracterització. Això mostra que el sistema de caracterització basat en lents, quan es considera el cas ULD pel sistema de tres lents, permet una mesura adequada dels angles mecànics per un rang d'angles mecànics extens amb una tolerància contra els errors de la distància de treball considerable.