專利名稱：掃描鏡控制的制作方法
掃描鏡控制
背景技術(shù)：
使用掃描光束來為包括諸如移動顯微投影器、汽車平視顯示器和頭戴式顯示器的應(yīng)用的各種應(yīng)用，產(chǎn)生顯示圖像。通過使用鏡子的角運動來偏轉(zhuǎn)調(diào)制光束以覆蓋所需視野， 從而產(chǎn)生顯示。通過繞兩個正交軸移動鏡子，能產(chǎn)生矩形視野，其在小型和便攜式組件中提供與光柵顯示相似的外觀。在控制鏡子偏轉(zhuǎn)以正確地產(chǎn)生所需角運動方面提出了相當(dāng)大的工程挑戰(zhàn)。這部分是由于鏡子是在不同諧振頻率下顯示出振動模式的機械設(shè)備而造成的。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的掃描光束投影系統(tǒng)；圖2示出產(chǎn)生圖1的掃描軌跡的光束偏轉(zhuǎn)波形；圖3示出具有微機電系統(tǒng)(MEMS)掃描鏡的掃描平臺的平面圖；圖4和5示出圖3的MEMS掃描鏡的兩種振動模式；圖6示出圖3的MEMS掃描鏡的線性響應(yīng)；圖7示出使用諧波系數(shù)加權(quán)陣列，迭代地確定諧波系數(shù)的掃描鏡慢掃控制回路；圖8示出使用牛頓法近似，迭代地確定諧波系數(shù)的掃描鏡慢掃控制回路；圖9示出包括數(shù)字信號處理器的掃描鏡控制回路；圖10和11示出包括兩個回路的掃描鏡慢掃控制系統(tǒng)；圖12示出橋接T型補償器的操作的根軌跡圖；圖13示出快掃消音(tone removal)塊；圖14示出圖11的內(nèi)反饋回路的開環(huán)響應(yīng)；圖15示出圖11的內(nèi)反饋回路的閉環(huán)響應(yīng)；圖16示出組合單/雙回路慢掃控制系統(tǒng)；圖17示出根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的移動設(shè)備；以及圖18和19示出根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的方法的流程圖。
具體實施例方式在下述詳細描述中，對通過示例，示出可以實施本發(fā)明的具體實施例的附圖進行說明。充分地描述這些實施例以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能實現(xiàn)本發(fā)明。應(yīng)理解到本發(fā)明的各個實施例，盡管不同，但不一定是互斥的。例如，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 結(jié)合一個實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特性可以在其他實施例內(nèi)實現(xiàn)。此外，應(yīng)理解到在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以改變每個公開的實施例內(nèi)的各個元件的位置或排列。因此，下述詳細描述不應(yīng)當(dāng)從限定的意義上理解，以及本發(fā)明的范圍僅由適當(dāng)解釋的附加權(quán)利要求以及權(quán)利要求有權(quán)的等效的整個范圍限定。在圖中，在若干視圖中，相同的數(shù)字示出相同或類似的功能性。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的各個實施例的掃描光束投影系統(tǒng)。如圖1所示，掃描光束投影系統(tǒng)100包括光源110，其可以是諸如激光二極管等等的能發(fā)出作為激光光束的光束 112的激光源。光束112撞擊在包括基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的掃描儀等等的掃描平臺114 上，并且從掃描鏡116反射出來以生成受控輸出光束124。掃描鏡控制電路130提供一個或多個驅(qū)動信號來控制掃描鏡116的角運動，以便使輸出光束IM在投影表面1 上生成光柵掃描126。在一些實施例中，通過將快掃軸(水平軸)上的正弦分量與慢掃軸(垂直軸)上的鋸齒分量組合，形成光柵掃描126。在這些實施例中，受控輸出光束IM在正弦模式中從左到右地前后掃描，以及在鋸齒模式中垂直地(從上到下)掃描，并且在回掃(flyback)(從下到上)期間顯示消隱。圖1示出當(dāng)光束垂直地從上到下掃描(swe印)時的快掃正弦模式， 但是其不示出從下到上的回掃。根據(jù)由掃描鏡控制電路130提供的信號，偏轉(zhuǎn)掃描鏡116，以及在134，將鏡子位置信息送回掃描鏡控制電路130。鏡子位置信息可以描述在垂直慢掃方向、水平快掃方向或兩者中的角位置。掃描鏡控制電路130接收位置信息，確定適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號，并且驅(qū)動掃描鏡 116。圖2示出產(chǎn)生圖1的光柵掃描軌跡的光束偏轉(zhuǎn)波形。垂直偏轉(zhuǎn)波形210是鋸齒波形，并且水平偏轉(zhuǎn)波形220是正弦波形。鋸齒垂直偏轉(zhuǎn)波形210包括下降部分，其對應(yīng)于從上到下的光柵掃描126的掃描；并且鋸齒垂直偏轉(zhuǎn)波形210還包括上升部分，其對應(yīng)于從下到上的回歸。在回掃后，垂直掃描在每一軌跡上基本上遍歷相同的路徑。很重要的是，注意到圖2的波形示出了與提供給掃描鏡的驅(qū)動信號相對比所需的反射鏡偏轉(zhuǎn)。如果掃描鏡具有極佳的平的自然響應(yīng)而沒有共振，那么掃描鏡控制電路130 能驅(qū)動信號210和220，如所示。在實際實現(xiàn)中，掃描鏡116具有共振特性，其具有多個不同的振動模式。掃描鏡控制電路130改變驅(qū)動信號，力圖使掃描鏡116根據(jù)圖2中所示的波形偏轉(zhuǎn)，由此對受控光束1 進行掃描來生成光柵掃描126。為便于示例，圖1和2示出了對于每一慢掃周期的相對少量的快掃周期。在一些實施例中，對于每一慢掃周期，存在更多快掃周期。例如，慢掃掃描可以在60Hz附近操作， 以及快掃掃描可以以上到18kHz來進行操作。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到本發(fā)明的各個實施例可以有利地應(yīng)用于任何掃描系統(tǒng)，而與慢掃和快掃頻率間的關(guān)系無關(guān)。盡管圖1和2示出用于慢掃偏轉(zhuǎn)的鋸齒波形，但本發(fā)明的各個實施例不限于此。例如，慢掃偏轉(zhuǎn)波形可以是三角形、有限諧波正弦、或任何其他形狀，而不背離本發(fā)明的范圍。圖3示出具有微機電系統(tǒng)(MEMS)掃描鏡的掃描平臺的平面圖。掃描平臺114包括平衡環(huán)340和掃描鏡116。平衡環(huán)340通過彎曲部310和312耦合到掃描平臺114，以及掃描鏡116通過彎曲部320和322耦合到平衡環(huán)340。平衡環(huán)340具有連接到驅(qū)動線路350 的驅(qū)動線圈。被驅(qū)動進入驅(qū)動線路350的電流在驅(qū)動線圈中產(chǎn)生電流。掃描平臺114還包含一個或多個集成壓阻位置傳感器。在一些實施例中，掃描平臺114包括用于每一軸的一個位置傳感器?；ミB360中的兩個耦合到驅(qū)動線路350。剩余互連提供給用于每一軸的集成位置傳感器。在操作中，外部磁場源(未示出)將磁場強加在驅(qū)動線圈上。由外部磁場源施加在驅(qū)動線圈上的磁場在線圈的平面中具有分量，并且其相對于兩個驅(qū)動軸，以約45°來定向。線圈繞組中的面內(nèi)電流與面內(nèi)磁場相互作用，以便在導(dǎo)體上產(chǎn)生面外洛倫茲力。由于驅(qū)動電流在平衡環(huán)340上形成回路，因此，電流在掃描軸上反號。這意味著在掃描軸上，洛倫茲力也反號，導(dǎo)致在與磁場垂直的面中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。該組合轉(zhuǎn)矩根據(jù)轉(zhuǎn)矩的頻率內(nèi)容在兩個掃描方向中產(chǎn)生響應(yīng)。

選擇所應(yīng)用的轉(zhuǎn)矩的頻率分量，以便激勵水平鏡共振( 18kHz)并且為垂直鏡運動(60Hz，120Hz, 180Hz···)提供斜坡驅(qū)動。鏡子116和平衡環(huán)340的頻率響應(yīng)特性用來將轉(zhuǎn)矩分量分成它們各自的運動。在圖4和5中示出了掃描儀的兩種共振模式。圖4中所示的第一模式是整個平衡結(jié)構(gòu)的垂直共振模式，以及圖5中所示的第二模式是掃描鏡116的水平共振模式。在圖4 所示的垂直共振模式中，平衡環(huán)340在彎曲部310和312上旋轉(zhuǎn)；而在圖5所示的水平共振模式中，鏡116在彎曲部320和322上旋轉(zhuǎn)。許多其他的共振模式可以存在，但這兩種示出兩個軸上所需的角運動。各種共振模式的頻率可以基于被選的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)而改變。例如，圖5中所示的共振模式的頻率可以通過改變掃描鏡116的慣性質(zhì)量，或通過改變彎曲部310和312的屬性而增加或減小。同樣地，圖4中所示的共振模式的頻率也可以通過改變彎曲部320和322的屬性，或通過改變平衡環(huán)340和掃描鏡116的慣性質(zhì)量而增加或減小。在2005年2月觀日在線公布的Randall B· Sprague等人所著的Bi—axial Magnetic Drive for Scanned Beam Display Mirrors, Proc. SPIE, Vol. 5721，1(2005 年 1 月 24 日)；DOI :10.1117/12. 596942 中描述了具有不同共振特性的示例性的MEMS鏡。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到通過本發(fā)明的各個實施例，可以利用具有任何共振屬性的任何掃描鏡。圖3-5中所示的掃描鏡是“線圈驅(qū)動鏡”的例子，以及更具體地說，是“運動線圈” 設(shè)計，因為線圈在存在磁場時運動。在其他實施例中，鏡子具有附著到其上的一個或多個磁鐵，以及線圈是固定的。在又一實施例中，利用其他類型的驅(qū)動機制(例如，電容驅(qū)動MEMS 鏡)。用來使鏡子運動的驅(qū)動機制的類型在本發(fā)明中不受限定。圖6示出圖3的MEMS掃描鏡的線性響應(yīng)。掃描鏡顯示出795Hz的主慢掃共振， 以及18kHz的主快掃共振。795Hz的主慢掃共振使得平衡環(huán)340在慢掃(垂直)方向中振蕩，如圖4所示。18kHz的主快掃共振使得掃描鏡在快掃(水平)方向中振蕩，如圖5所示。 1. 9kHz,2. 9kHz和6. 5kHz的輔助振動模式產(chǎn)生通常不期望的水平/垂直運動的組合。各種共振模式對掃描鏡控制電路130提出了挑戰(zhàn)。例如，為產(chǎn)生斜坡波形210 (圖 2)，掃描鏡控制電路除在795Hz的共振外，可以驅(qū)動60Hz (60Hz、120Hz、180Hz，…)的諧波。 在795Hz的鏡子顯示出的機械增益使得以一些諧波振動被衰減，由此使得斜坡被失真。本發(fā)明的各個實施例提供反饋回路，其改變掃描鏡驅(qū)動信號以在存在高機械增益和產(chǎn)生另外的運動失真的非線性特性時，產(chǎn)生所需的掃描鏡行為。在一些實施例中，響應(yīng)所測量的鏡子的行為，改變每個諧波驅(qū)動信號的振幅和相位。此外，可以以不同比率(“學(xué)習(xí)率”)來改變每一諧波信號。通常地，在高機械增益的區(qū)域中的諧波信號比在低機械增益的區(qū)域中的諧波信號更緩慢地改變(具有更低的學(xué)習(xí)率)。在一些實施例中，學(xué)習(xí)率是自適應(yīng)的。圖7示出了掃描鏡慢掃控制回路，其使用諧波系數(shù)加權(quán)陣列來迭代地確定諧波系數(shù)。慢掃控制回路700包括迭代諧波系數(shù)確定塊710、輸入波形生成器712、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 720、低通濾波器730和740、掃描鏡732、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 750、加法緩沖器760、和快速傅里葉變換(FFT)塊770。掃描鏡732可以是任何掃描鏡，包括上述參考圖3所述的例子。操作中，將諧波驅(qū)動系數(shù)提供給輸入波形生成器712。諧波驅(qū)動系數(shù)被表示為
權(quán)利要求
1.一種方法，包括檢測掃描鏡的循環(huán)運動，以產(chǎn)生位置信息；執(zhí)行傅里葉變換，以產(chǎn)生描述位置信息的頻率內(nèi)容的返回諧波系數(shù)； 將所述返回諧波系數(shù)與諧波系數(shù)目標(biāo)進行比較以獲得誤差值；以及響應(yīng)所述誤差值，以不同比率修改多個驅(qū)動系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述不同比率指定為固定值。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述不同比率與掃描鏡傳遞函數(shù)倒數(shù)地相關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，自適應(yīng)確定所述不同比率。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，以所述不同比率修改所述多個驅(qū)動系數(shù)包括應(yīng)用牛頓法離散近似。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括 由驅(qū)動系數(shù)產(chǎn)生時域波形；以及使所述時域波形通過補償電路，以基本上對在由所述驅(qū)動系數(shù)占用的頻帶中的掃描鏡的共振模式進行補償。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，進一步包括使所述時域波形通過濾波器，以消除在由所述驅(qū)動系數(shù)占用的頻帶外的共振頻率的頻譜能量。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括 將所述時域波形轉(zhuǎn)換成模擬驅(qū)動信號；以及通過所述模擬信號，驅(qū)動所述掃描鏡。
9.一種裝置，包括掃描鏡，所述掃描鏡具有快掃軸和慢掃軸，所述慢掃軸具有位置檢測器； 外控制回路，所述外控制回路在頻域中進行操作，以響應(yīng)從所述位置檢測器接收的位置信息，來確定驅(qū)動信號的諧波系數(shù)；以及內(nèi)控制回路，所述內(nèi)控制回路在時域中進行操作，以便對在由驅(qū)動信號的諧波系數(shù)占用的頻帶內(nèi)的頻率的掃描鏡共振模式進行補償。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述內(nèi)回路包括對所述掃描鏡共振模式進行補償?shù)臉蚪覶型補償器。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述內(nèi)回路包括濾波，以消除在由所述驅(qū)動信號的諧波系數(shù)占用的頻帶外的一個或多個共振頻率的頻譜能量。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述內(nèi)回路進一步包括最小均方(LMS)消音電路，所述最小均方(LMS)消音電路消除對應(yīng)于所述快掃軸上的掃描鏡運動的頻譜能量。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中，所述外回路包括迭代諧波確定塊，所述迭代諧波確定塊在每次迭代時，按不等量修改所述驅(qū)動系數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，按與掃描鏡頻率響應(yīng)的倒數(shù)成比例的量，修改所述驅(qū)動系數(shù)的每一個。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述迭代諧波確定塊利用牛頓法離散近似來修改所述驅(qū)動系數(shù)的每一個。
16.一種移動設(shè)備，包括 通信收發(fā)信機；掃描鏡；以及慢掃掃描鏡控制系統(tǒng)，所述慢掃掃描鏡控制系統(tǒng)具有在頻域中操作的外回路，和在時域中操作的內(nèi)回路。
17.如權(quán)利要求16所述的移動設(shè)備，其中，所述外回路使用牛頓法離散近似來確定掃描鏡諧波驅(qū)動系數(shù)。
18.如權(quán)利要求16所述的移動設(shè)備，其中，所述內(nèi)回路包括補償電路，所述補償電路對在用來驅(qū)動掃描鏡的慢掃軸的頻帶內(nèi)的掃描鏡共振模式進行補償。
19.如權(quán)利要求16所述的移動設(shè)備，其中，所述內(nèi)回路包括最小均方(LMS)消音電路， 所述最小均方(LMS)消音電路消除快掃頻率處的頻譜能量。
全文摘要
一種掃描光束投影系統(tǒng)(100)，包括具有快掃軸和慢掃軸的掃描鏡(116)。由慢掃掃描鏡控制系統(tǒng)(130)控制慢掃軸上的運動?？刂葡到y(tǒng)接收描述鏡子的角位移的位置信息?？刂葡到y(tǒng)的外回路在頻域中操作，以及確定用于掃描鏡驅(qū)動信號的諧波驅(qū)動系數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的內(nèi)回路在時域中操作，并對在由諧波驅(qū)動系數(shù)占用的頻帶內(nèi)的頻率的掃描鏡共振模式進行補償。
文檔編號G02B26/08GK102159982SQ200980137029
公開日2011年8月17日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月22日
發(fā)明者克林特·查爾斯·羅林斯, 利福德·麥克勞克蘭, 布魯斯·C·羅薩爾, 斯蒂夫·霍姆斯, 格里高利·施奈德, 瑪格麗特·K·布朗, 羅伯特·詹姆士·杰克遜, 邁克爾·李·沙夫, 麥魯比·麥魯比奧格魯 申請人:微視公司