用于控制微機械執(zhí)行器的調節(jié)器、控制系統(tǒng)和方法以及微鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制微機械執(zhí)行器的調節(jié)器、用于控制微機械執(zhí)行器的控制系 統(tǒng)、微鏡系統(tǒng)和用于控制微機械執(zhí)行器的方法。
【背景技術】
[0002] 當今在許多應用中均使用微機械執(zhí)行器。例如在被安裝在很小結構空間上的投影 單元中使用微鏡。
[0003] 在這樣的投影單元中通常使用微鏡，也就是所謂的MEMS(Micr〇-Electro-Mechani cal-System:微機電系統(tǒng)）。這樣的MEMS鏡通常具有多個可以相應地被電激發(fā)的機械共振 點--也稱作模態(tài)或者傳遞函數(shù)中的極點。此外，這樣的MEMS鏡還具有反共振模態(tài)--也 稱作傳遞函數(shù)中的零點或者凹口（notch)。
[0004] MEMS鏡的這些模態(tài)可區(qū)分為有效模態(tài)和干擾模態(tài)。干擾模態(tài)的激發(fā)尤其負面地損 壞所投影的圖像的質量。
[0005] 所述MEMS鏡構成所謂的慣性彈簧質量系統(tǒng)，其在第一近似中可以被建模為二階 低通（PT2元件）。在此通過慣性彈簧質量系統(tǒng)的第一模態(tài)定義其角頻率（Eckfrequenz)。
[0006] 可以使這種MEMS鏡或者共振運行在一種或者多種有效模態(tài)上或者準靜態(tài)運行。 準靜態(tài)控制借助低頻信號實現(xiàn)并且避免了這些模態(tài)的激發(fā)。
[0007] 圖9中以波特圖示出不同的MEMS微鏡的傳遞函數(shù)。在上面的圖中示出在頻率上 的單位為dB的衰減。在下面的圖中示出在頻率上的單位為度的相位。在上面的圖中可以 看出，其傳遞函數(shù)被示出的五個微鏡具有許多共振模態(tài)和反共振模態(tài)。它們在該圖中通過 尖峰示出，這些尖峰是向上或者向下。此外在下面的圖中可以看出，這些微鏡根據(jù)頻率分別 具有不同的相位特性曲線。尤其一些鏡子分別具有一個至少直至一定的頻率位于_〇°和 -180°之間的相位特性曲線，而在另一些鏡子中相位特性曲線超過-180°。
[0008] 對于借助MEMS鏡的圖像構建而言通常需要兩個MEMS鏡，其中，共振地控制這些 MEMS鏡中的一個，而準靜態(tài)運行這些MEMS鏡中的一個。在此，共振運行的MEMS鏡負責圖像 的行投影，而準靜態(tài)運行的MEMS鏡負責逐行的圖像構建。另一種可能性在于使用一種2D 鏡，其既在豎直方向上也在水平方向上運行。
[0009] 必須如此控制在準靜態(tài)的狀態(tài)中運行的MEMS鏡，使得微鏡的共振模態(tài)不被激勵。
[0010] 通常在此借助鋸齒波信號作為基準參量（FiihnmgsgrSBe)控制在準靜態(tài)的狀 態(tài)中的MEMS鏡，以便例如產(chǎn)生60Hz的幀速率。在此，該鋸齒波信號在頻域中具有基頻的偶 次的和奇次的高次諧波的多倍。在附圖10的圖中以虛線和實線表示兩種可能的具有不同 返回時間（RUcklaufzeit)的鋸齒波信號，在橫軸上示出時間，在縱軸上示出鋸齒波信號的 振幅。在附圖10中上升的邊沿是逐行控制MEMS鏡的邊沿。下降的邊沿表示MEMS鏡返回 到初始位置。附圖11中示出在頻域中的相應的鋸齒波信號。
[0011] 如在圖11中看出的那樣，鋸齒波信號在頻域中具有60Hz的頻率分量和60Hz的多 倍，亦即120Hz、180Hz等。在借助這樣的鋸齒波信號控制MEMS鏡的情況下基頻的多倍中的 一個能夠激勵相應MEMS鏡的一個共振模態(tài)。
[0012] 通常使用線性驅動器或者數(shù)字驅動器來控制準靜態(tài)狀態(tài)中的MEMS鏡。為了實現(xiàn) 控制時的充分的精度或者為了提高線性偏移，在閉合調節(jié)回路（closedloop:閉環(huán)）中調 節(jié)微鏡。在此可以使用不同的調節(jié)器，例如自適應ro調節(jié)器、前饋結構中的電流調節(jié)器和 位置調節(jié)器、LMS諧波控制器、迭代諧波系數(shù)確定等等。所使用的調節(jié)器的共同點在于，它 們需要非常高的系統(tǒng)帶寬并且因此需要非常高的計算能力。
[0013] 在US7, 952, 783B2中公開了一種按照"迭代諧波系數(shù)確定"工作的控制裝置。
[0014] 具有MEMS鏡和調節(jié)器的系統(tǒng)例如通常需要IMHz的調節(jié)器帶寬，以便精確調節(jié)每 一個圖像行。此外，已知的調節(jié)器方案中的一些還需要MEMS鏡的附加的狀態(tài)信息，所述附 加的狀態(tài)信息在現(xiàn)實中難以檢測或者估計。
[0015] 高的系統(tǒng)帶寬和高的計算能力在控制IC中意味著高的面積需求，例如用于模擬 數(shù)字轉換器、微控制器、數(shù)字模擬轉換器、驅動器級等等。

【發(fā)明內容】

[0016] 本發(fā)明公開一種具有權利要求1的特征的用于控制微機械執(zhí)行器的調節(jié)器，具有 權利要求7的特征的用于控制微機械執(zhí)行器的控制系統(tǒng)、具有權利要求8的特征的微鏡系 統(tǒng)和具有權利要求9的特征的方法。
[0017] 據(jù)此設置：
[0018] -種用于控制微機械執(zhí)行器的調節(jié)器，所述調節(jié)器：具有第一信號輸入端，所述第 一信號輸入端構造用于接收參考信號；具有第二信號輸入端，所述第二信號輸入端構造用 于接收測量信號，所述測量信號表征所記錄的、所述微機械執(zhí)行器對控制信號的響應；具有 第一調節(jié)器元件，所述第一調節(jié)器元件構造用于在所接收的參考信號中濾波和/或衰減預 給定的頻率模態(tài)和/或預給定的頻率分量并且輸出經(jīng)濾波的和/或經(jīng)衰減的參考信號；具 有第二調節(jié)器元件，所述第二調節(jié)器元件構造用于修改所接收的測量信號并且輸出所修改 的測量信號，所述修改的方式是，通過在閉合調節(jié)回路中處理所接收的測量信號使微機械 執(zhí)行器的第一模態(tài)的和/或其他模態(tài)的品質最小化；具有第三調節(jié)器元件，所述第三調節(jié) 器元件構造用于將經(jīng)濾波的和/或經(jīng)衰減的參考信號和所接收的測量信號之間的調節(jié)偏 差最小化并且輸出經(jīng)最小化的參考信號；具有第四調節(jié)器元件，所述第四調節(jié)器元件構造 用于對于至少一個預給定的頻率旋轉經(jīng)最小化的參考信號和所修改的測量信號的差的相 位并且將所修改的參考信號作為控制信號向微機械執(zhí)行器傳輸。
[0019] 此外設置：
[0020] 一種用于控制微機械執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，其具有信號發(fā)生器，所述信號發(fā)生器構 造用于輸出參考信號；具有根據(jù)本發(fā)明的調節(jié)器，所述調節(jié)器構造用于接收所述參考信號 和輸出用于所述微機械執(zhí)行器的控制信號；具有第一信號預處理單元，所述第一信號預處 理單元構造用于預處理并且向所述微機械執(zhí)行器傳輸所述控制信號；具有第二信號預處 理單元，所述第二信號預處理單元構造用于記錄所述微機械執(zhí)行器對所述控制信號的響應 并且向所述調節(jié)器傳輸表征所記錄的響應的測量信號。
[0021] 此外設置：
[0022] -種微鏡系統(tǒng)，其具有至少一個微鏡；和具有至少一個根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)，所 述控制系統(tǒng)構造用于控制微鏡。
[0023] 最后設置：
[0024] 一種用于控制微機械執(zhí)行器的方法，其具有以下步驟：接收參考信號；接收測量 信號，所述測量信號表征所記錄的、所述微機械執(zhí)行器對控制信號的響應；在所述參考信號 中濾波和/或衰減預給定的頻率模態(tài)和/或預給定的頻率分量；修改所接收的測量信號，其 方式是，通過在閉合調節(jié)回路中處理所接收的測量信號使微機械執(zhí)行器的第一模態(tài)的和/ 或其他模態(tài)的品質最小化；將經(jīng)濾波的和/或經(jīng)衰減的參考信號和所接收的測量信號之間 的調節(jié)偏差最小化并且輸出經(jīng)最小化的參考信號；對于至少一個預給定的頻率旋轉經(jīng)最小 化的參考信號和所修改的測量信號的差的相位并且將所修改的參考信號作為控制信號向 微機械執(zhí)行器傳輸，并且將經(jīng)最小化的參考信號和所修改的測量信號的具有所旋轉的相位 的差作為控制信號向微機械執(zhí)行器傳輸。
[0025] 發(fā)明所基于的認識在于，用于控制微機械執(zhí)行器的已知的調節(jié)器的調節(jié)器結構非 常復雜，因此在實現(xiàn)方面的耗費很大。
[0026] 本發(fā)明所基于的思想現(xiàn)在在于，考慮這一認識并且設置根據(jù)本發(fā)明的模塊化的多 反饋調節(jié)器結構，其具有僅四個線性的調節(jié)器元件。
[0027] 此外本發(fā)明建議，由第一調節(jié)器元件處理參考信號，其在所接收的參考信號中濾 除或者衰減預給定的頻率模態(tài)和/或預給定的頻率分量。由如此預處理的參考信號和表征 微機械執(zhí)行器的當前位置的測量信號組成的差由第三調節(jié)器元件處理，所述第三調節(jié)器元 件將經(jīng)濾波的和/或經(jīng)衰減的參考信號和所接收的測量信號之間的調節(jié)偏差最小化。
[0028] 最后，由第四調節(jié)器元件對于至少一個預給定的頻率旋轉經(jīng)最小化的參考信號和 所修改的測量信號的差的相位并且將其作為控制信號向微機械執(zhí)行器傳輸，所修改的測量 信號由第二調節(jié)器元件修改，其方式是，在閉合調節(jié)回路中處理所接收的測量信號使微機 械執(zhí)行器的第一模態(tài)的和/或其他模態(tài)的品質最小化。
[0029] 尤其本發(fā)明的所有調節(jié)器元件都能夠作為線性的調節(jié)器元件實現(xiàn)。
[0030] 本調節(jié)器結構例如將微鏡的第一共振模態(tài)最小化。另外，如果所控制的微鏡在其 相位特生曲線中具有在-180°和-360°之間的相位變化過程，則在調節(jié)對象中執(zhí)行一次 相位旋轉。最后抑制該微鏡的在調節(jié)器帶寬之外的所有共振模態(tài)并且為將調節(jié)偏差最小化 而使用傳統(tǒng)的調節(jié)器。
[0031] 本發(fā)明設置一種模塊化的調節(jié)器結構，其與相應地使用的微機械執(zhí)行器相關地能 夠非常簡單地匹配于相應的應用。
[0032] 此外，通過使用一階到更高階的線性的調節(jié)器元件提供具有小的復雜性的非常簡 單的調節(jié)器，其能夠非常簡單地例如集成在ASIC中。
[0033] 通過本發(fā)明使得可能的是，利用具有微小的系統(tǒng)帶寬（微機械執(zhí)行器的第一共振 模態(tài)的10到30倍）的調節(jié)器，因為不需要各個圖像行的任何調節(jié)。此外，各個調節(jié)器元件 的可匹配性能夠實現(xiàn)高的調節(jié)器品質。
[0034] 有利的實施方式和擴展由從屬權利要求以及從參考附圖的描述得知。
[0035] 在一種實施方式中，第四調節(jié)器元件構造用于將相位從-180°到-360°旋轉到 0°到-180°。這使得可能的是，能夠以足夠的帶寬或者足夠的增益和相位余量始終穩(wěn)定地 運行由調節(jié)器、微鏡等組成的系統(tǒng)。
[0036] 在一種實施方式中，第二調