基于MEMS反射镜显示系统的激光束控制算法

闫思齐 姜苈峰

摘要：本文對一种基于表面微加工技术反射镜的显示系统进行性能分析。显示系统由一个简单的两薄膜结构微镜所组成，该微镜采用表面微加工工艺，即多晶硅的多用途MEMS制造工艺。微镜具有四个静电排斥力驱动单元，微镜可通过该驱动单元进行平移运动，且可以围绕两个轴进行旋转运动。实测数据表明，查找表控制法和扫描速度控制法相结合的控制算法被证明是更为实用的，使更复杂的图像显示时不失真，且能有效利用系统内存，减少运算时间。

关键词：反射镜显示系统；激光束；控制算法

1 MEMS反射镜显示系统原理

四个静电斥力执行器相互正交围放在镜板四周，并由旋转支撑梁支撑，具有较大扫描角。静电斥力执行器固定在外边缘，在施加驱动电压时引起旋转运动。每个驱动器可以单独控制旋转镜板。为了实现最大的旋转。

所有的桥梁最初都是在200 V的平面上开始进行旋转运动。降低或改变一个或多个执行器的电压，指端的合力会使镜板朝着理想的方向倾斜。

2 MEMS反射镜显示系统激光控制算法

微镜的闭环控制可以提高图像质量[1] [3]；然而，闭环控制系统需要额外的光学传感单元，大大增加了显示系统的复杂性，使装配过程中尺寸和对准要求更为严格，同时成本也进一步增加。此外，显示和传感需要更高水平的激光功率。通过对上诉种种弊端的考虑，本文着重对显示系统采用开环控制。先采用一种以查找表为基础的算法控制微镜。再实施额外的控制增强算法来弥补较大的超调量，先找出即将超调的临界点，当激光束要超出临界点时，驱动器控制镜板的旋转速度使激光停留在临近点。

2.1 查找表控制法

从实验测试的结果表明，显示失真是由于输入电压和微镜的旋转角度之间是一种非线性关系。寻找描述这种非线性关系的解析表达式在实际工程应用中来说太麻烦了。此外，每一个新制作出来的微镜都需要对这个表达式进行校准。解决这个问题的最可行的解决方案是利用查找表（LUT），即任何所需的微镜位置对应的一套执行器相应的四个驱动器的电压。LUT是通过一系列的电压施加到微镜，并使用PSD测量每组电压下激光点的位置。获得本实验的LUT时，各执行单元的电压从0到200 V每25 V递增，形成一个17×17网格模式。网格中每个点对应的电压为每个驱动器的电压。通过线性插值得到相应电压即可定位各个点。使用基于LUT开环控制系统的微镜显示装置，显示率为35帧/秒。

2.2 定点控制法

使用基于LUT的开环控制算法，微镜显示系统能够显示高质量的图像，仅限于圆形和无尖角图像。然而，在显示带有尖角图案的图形时，观察到了失真（振铃）现象，这是执行器在大角度引导激光，使其形成锐角图形时，超调量过大所导致的。为了减少图像中明显的振铃现象，采纳了在角落和端点处定点的想法。[4]在系统恢复图像的其余部分之前，使激光停留或等候在顶点和拐点处一段时间。停留时间的多少是通过反复试验和纠错中总结归纳的，并根据不同的因素而变化。这些因素包括激光的扫描速度，图像的总路径长度，帧速率，和转角处的角度。

采用基于LUT的开环控制系统与定点法集合的算法能够纠正尖角处的扭曲。然而，会有一个亮点总是出现在定点的位置。这是因为激光束停留在顶点的时间比其他地点的时间更长。由此看来，定点法还需要更广泛的测试，使激光束停留在定点的时间校对的更为精准。

2.3 扫描速度控制法

为了克服定点控制法算法的局限性，采用扫描速度控制法与LUT开环控制系统相结合的算法。激光在尖角处超调量过大，使图像失真的问题，可以通过控制微镜的扫描速度，即减缓激光束在转弯处的转向速度。为了实现扫描速度的控制，采用四分之一正弦波函数控制激光束沿直线的扫描速度，使激光束接近于直线末端时的扫描速度逐渐降至零，在尖角处转弯与下一个直线扫描路程相连接。

扫描速度控制算法的结果与前两种算法的结果进行比较表明，扫描速度控制算法能有效地纠正尖角处的失真，副作用小，转角处额外出现的亮点并不明显。此外，扫描速度控制算法不需要进行广泛的测试校准，就可以很容易地实现。因此，控制微镜显示系统采用查找表控制法和扫描速度控制法相结合的控制算法。

3 MEMS反射镜显示系统激光控制算法分析

在控制算法中实现开环配置，以改善大幅度超调的显著问题，特别是在激光显示图形的尖角处。一种算法是定点法，例如让激光束停留在尖角处。虽然它能改善一些图像质量，但是复杂的图像使此算法很难校准激光束驻留的时间。并且由于激光束较长时间被聚焦在某一点上，这种算法会在驻留位置产生亮点。下一个算法是扫描速度控制法，即当激光束接近尖角和转弯处，减慢激光扫描速度，可尽量减少可见超调量。这种算法被证明是更为实用的，使更复杂的图像显示时不失真。此外，据理论推测，变化的扫描速度会影响激光束的光强，然而，这种影响是微乎其微的，人眼无法察觉，扫描速度的变化还未达到能使图像质量急剧下降的量。

参考文献：

[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.