基于MEMS反射鏡顯示系統的激光束控制算法

閆思齊 姜藶峰

摘要：本文對一種基于表面微加工技術反射鏡的顯示系統進行性能分析。顯示系統由一個簡單的兩薄膜結構微鏡所組成，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動單元，微鏡可通過該驅動單元進行平移運動，且可以圍繞兩個軸進行旋轉運動。實測數據表明，查找表控制法和掃描速度控制法相結合的控制算法被證明是更為實用的，使更復雜的圖像顯示時不失真，且能有效利用系統內存，減少運算時間。

關鍵詞：反射鏡顯示系統；激光束；控制算法

1 MEMS反射鏡顯示系統原理

四個靜電斥力執行器相互正交圍放在鏡板四周，并由旋轉支撐梁支撐，具有較大掃描角。靜電斥力執行器固定在外邊緣，在施加驅動電壓時引起旋轉運動。每個驅動器可以單獨控制旋轉鏡板。為了實現最大的旋轉。

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

2 MEMS反射鏡顯示系統激光控制算法

微鏡的閉環控制可以提高圖像質量[1] [3]；然而，閉環控制系統需要額外的光學傳感單元，大大增加了顯示系統的復雜性，使裝配過程中尺寸和對準要求更為嚴格，同時成本也進一步增加。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采用開環控制。先采用一種以查找表為基礎的算法控制微鏡。再實施額外的控制增強算法來彌補較大的超調量，先找出即將超調的臨界點，當激光束要超出臨界點時，驅動器控制鏡板的旋轉速度使激光停留在臨近點。

2.1 查找表控制法

從實驗測試的結果表明，顯示失真是由于輸入電壓和微鏡的旋轉角度之間是一種非線性關系。尋找描述這種非線性關系的解析表達式在實際工程應用中來說太麻煩了。此外，每一個新制作出來的微鏡都需要對這個表達式進行校準。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的一套執行器相應的四個驅動器的電壓。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的位置。獲得本實驗的LUT時，各執行單元的電壓從0到200 V每25 V遞增，形成一個17×17網格模式。網格中每個點對應的電壓為每個驅動器的電壓。通過線性插值得到相應電壓即可定位各個點。使用基于LUT開環控制系統的微鏡顯示裝置，顯示率為35幀/秒。

2.2 定點控制法

使用基于LUT的開環控制算法，微鏡顯示系統能夠顯示高質量的圖像，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）現象，這是執行器在大角度引導激光，使其形成銳角圖形時，超調量過大所導致的。為了減少圖像中明顯的振鈴現象，采納了在角落和端點處定點的想法。[4]在系統恢復圖像的其余部分之前，使激光停留或等候在頂點和拐點處一段時間。停留時間的多少是通過反復試驗和糾錯中總結歸納的，并根據不同的因素而變化。這些因素包括激光的掃描速度，圖像的總路徑長度，幀速率，和轉角處的角度。

采用基于LUT的開環控制系統與定點法集合的算法能夠糾正尖角處的扭曲。然而，會有一個亮點總是出現在定點的位置。這是因為激光束停留在頂點的時間比其他地點的時間更長。由此看來，定點法還需要更廣泛的測試，使激光束停留在定點的時間校對的更為精準。

2.3 掃描速度控制法

為了克服定點控制法算法的局限性，采用掃描速度控制法與LUT開環控制系統相結合的算法。激光在尖角處超調量過大，使圖像失真的問題，可以通過控制微鏡的掃描速度，即減緩激光束在轉彎處的轉向速度。為了實現掃描速度的控制，采用四分之一正弦波函數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，在尖角處轉彎與下一個直線掃描路程相連接。

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

3 MEMS反射鏡顯示系統激光控制算法分析

在控制算法中實現開環配置，以改善大幅度超調的顯著問題，特別是在激光顯示圖形的尖角處。一種算法是定點法，例如讓激光束停留在尖角處。雖然它能改善一些圖像質量，但是復雜的圖像使此算法很難校準激光束駐留的時間。并且由于激光束較長時間被聚焦在某一點上，這種算法會在駐留位置產生亮點。下一個算法是掃描速度控制法，即當激光束接近尖角和轉彎處，減慢激光掃描速度，可盡量減少可見超調量。這種算法被證明是更為實用的，使更復雜的圖像顯示時不失真。此外，據理論推測，變化的掃描速度會影響激光束的光強，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到能使圖像質量急劇下降的量。

參考文獻：

[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.