基于MEMS反射鏡顯示系統(tǒng)的激光束控制算法

閆思齊 姜藶峰

摘要：本文對一種基于表面微加工技術(shù)反射鏡的顯示系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。顯示系統(tǒng)由一個簡單的兩薄膜結(jié)構(gòu)微鏡所組成，該微鏡采用表面微加工工藝，即多晶硅的多用途MEMS制造工藝。微鏡具有四個靜電排斥力驅(qū)動單元，微鏡可通過該驅(qū)動單元進(jìn)行平移運(yùn)動，且可以圍繞兩個軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，查找表控制法和掃描速度控制法相結(jié)合的控制算法被證明是更為實(shí)用的，使更復(fù)雜的圖像顯示時不失真，且能有效利用系統(tǒng)內(nèi)存，減少運(yùn)算時間。

關(guān)鍵詞：反射鏡顯示系統(tǒng)；激光束；控制算法

1 MEMS反射鏡顯示系統(tǒng)原理

四個靜電斥力執(zhí)行器相互正交圍放在鏡板四周，并由旋轉(zhuǎn)支撐梁支撐，具有較大掃描角。靜電斥力執(zhí)行器固定在外邊緣，在施加驅(qū)動電壓時引起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。每個驅(qū)動器可以單獨(dú)控制旋轉(zhuǎn)鏡板。為了實(shí)現(xiàn)最大的旋轉(zhuǎn)。

所有的橋梁最初都是在200 V的平面上開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。降低或改變一個或多個執(zhí)行器的電壓，指端的合力會使鏡板朝著理想的方向傾斜。

2 MEMS反射鏡顯示系統(tǒng)激光控制算法

微鏡的閉環(huán)控制可以提高圖像質(zhì)量[1] [3]；然而，閉環(huán)控制系統(tǒng)需要額外的光學(xué)傳感單元，大大增加了顯示系統(tǒng)的復(fù)雜性，使裝配過程中尺寸和對準(zhǔn)要求更為嚴(yán)格，同時成本也進(jìn)一步增加。此外，顯示和傳感需要更高水平的激光功率。通過對上訴種種弊端的考慮，本文著重對顯示系統(tǒng)采用開環(huán)控制。先采用一種以查找表為基礎(chǔ)的算法控制微鏡。再實(shí)施額外的控制增強(qiáng)算法來彌補(bǔ)較大的超調(diào)量，先找出即將超調(diào)的臨界點(diǎn)，當(dāng)激光束要超出臨界點(diǎn)時，驅(qū)動器控制鏡板的旋轉(zhuǎn)速度使激光停留在臨近點(diǎn)。

2.1 查找表控制法

從實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果表明，顯示失真是由于輸入電壓和微鏡的旋轉(zhuǎn)角度之間是一種非線性關(guān)系。尋找描述這種非線性關(guān)系的解析表達(dá)式在實(shí)際工程應(yīng)用中來說太麻煩了。此外，每一個新制作出來的微鏡都需要對這個表達(dá)式進(jìn)行校準(zhǔn)。解決這個問題的最可行的解決方案是利用查找表（LUT），即任何所需的微鏡位置對應(yīng)的一套執(zhí)行器相應(yīng)的四個驅(qū)動器的電壓。LUT是通過一系列的電壓施加到微鏡，并使用PSD測量每組電壓下激光點(diǎn)的位置。獲得本實(shí)驗(yàn)的LUT時，各執(zhí)行單元的電壓從0到200 V每25 V遞增，形成一個17×17網(wǎng)格模式。網(wǎng)格中每個點(diǎn)對應(yīng)的電壓為每個驅(qū)動器的電壓。通過線性插值得到相應(yīng)電壓即可定位各個點(diǎn)。使用基于LUT開環(huán)控制系統(tǒng)的微鏡顯示裝置，顯示率為35幀/秒。

2.2 定點(diǎn)控制法

使用基于LUT的開環(huán)控制算法，微鏡顯示系統(tǒng)能夠顯示高質(zhì)量的圖像，僅限于圓形和無尖角圖像。然而，在顯示帶有尖角圖案的圖形時，觀察到了失真（振鈴）現(xiàn)象，這是執(zhí)行器在大角度引導(dǎo)激光，使其形成銳角圖形時，超調(diào)量過大所導(dǎo)致的。為了減少圖像中明顯的振鈴現(xiàn)象，采納了在角落和端點(diǎn)處定點(diǎn)的想法。[4]在系統(tǒng)恢復(fù)圖像的其余部分之前，使激光停留或等候在頂點(diǎn)和拐點(diǎn)處一段時間。停留時間的多少是通過反復(fù)試驗(yàn)和糾錯中總結(jié)歸納的，并根據(jù)不同的因素而變化。這些因素包括激光的掃描速度，圖像的總路徑長度，幀速率，和轉(zhuǎn)角處的角度。

采用基于LUT的開環(huán)控制系統(tǒng)與定點(diǎn)法集合的算法能夠糾正尖角處的扭曲。然而，會有一個亮點(diǎn)總是出現(xiàn)在定點(diǎn)的位置。這是因?yàn)榧す馐Ａ粼陧旤c(diǎn)的時間比其他地點(diǎn)的時間更長。由此看來，定點(diǎn)法還需要更廣泛的測試，使激光束停留在定點(diǎn)的時間校對的更為精準(zhǔn)。

2.3 掃描速度控制法

為了克服定點(diǎn)控制法算法的局限性，采用掃描速度控制法與LUT開環(huán)控制系統(tǒng)相結(jié)合的算法。激光在尖角處超調(diào)量過大，使圖像失真的問題，可以通過控制微鏡的掃描速度，即減緩激光束在轉(zhuǎn)彎處的轉(zhuǎn)向速度。為了實(shí)現(xiàn)掃描速度的控制，采用四分之一正弦波函數(shù)控制激光束沿直線的掃描速度，使激光束接近于直線末端時的掃描速度逐漸降至零，在尖角處轉(zhuǎn)彎與下一個直線掃描路程相連接。

掃描速度控制算法的結(jié)果與前兩種算法的結(jié)果進(jìn)行比較表明，掃描速度控制算法能有效地糾正尖角處的失真，副作用小，轉(zhuǎn)角處額外出現(xiàn)的亮點(diǎn)并不明顯。此外，掃描速度控制算法不需要進(jìn)行廣泛的測試校準(zhǔn)，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)。因此，控制微鏡顯示系統(tǒng)采用查找表控制法和掃描速度控制法相結(jié)合的控制算法。

3 MEMS反射鏡顯示系統(tǒng)激光控制算法分析

在控制算法中實(shí)現(xiàn)開環(huán)配置，以改善大幅度超調(diào)的顯著問題，特別是在激光顯示圖形的尖角處。一種算法是定點(diǎn)法，例如讓激光束停留在尖角處。雖然它能改善一些圖像質(zhì)量，但是復(fù)雜的圖像使此算法很難校準(zhǔn)激光束駐留的時間。并且由于激光束較長時間被聚焦在某一點(diǎn)上，這種算法會在駐留位置產(chǎn)生亮點(diǎn)。下一個算法是掃描速度控制法，即當(dāng)激光束接近尖角和轉(zhuǎn)彎處，減慢激光掃描速度，可盡量減少可見超調(diào)量。這種算法被證明是更為實(shí)用的，使更復(fù)雜的圖像顯示時不失真。此外，據(jù)理論推測，變化的掃描速度會影響激光束的光強(qiáng)，然而，這種影響是微乎其微的，人眼無法察覺，掃描速度的變化還未達(dá)到能使圖像質(zhì)量急劇下降的量。

參考文獻(xiàn)：

[1]V. Milanovi′c and K. Castelino， “Sub100 μs settling time and low voltage operation for gimballess twoaxis scanners，” in Proc. IEEE/LEOS Opt.MEMS， Takamatsu， Japan， 2004.

[2]V. Milanovi′c， N. Siu， A. Kasturi， M. Radojièi， and Y. Su， “MEMSEye for optical 3D position and orientation measurement，” in Proc. Transducers，Beijing， China， 2011.