專利名稱：控制使用光電檢測器計時的共振掃描反射鏡的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)反射鏡，尤其涉及僅用激光光束偏轉(zhuǎn)計時來控制共振掃描鏡的方法。
背景技術(shù)：
在僅給定光束偏轉(zhuǎn)計時信息的情況下，在MEMS反射鏡技術(shù)領(lǐng)域中需要而且最好是提供一種技術(shù)用于控制振動鏡式檢流計(galvanometer)偏轉(zhuǎn)的激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移。
發(fā)明概述本發(fā)明針對在僅給定光束偏轉(zhuǎn)計時(timing)信息的情況下，用于控制由振動鏡式檢流計偏轉(zhuǎn)的激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移(offset)的系統(tǒng)和方法。
根據(jù)一實施例，控制共振掃描鏡的方法包括以下步驟根據(jù)共振掃描鏡的移動測量與由共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光束相關(guān)的偏轉(zhuǎn)計時；以及根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來控制激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移。
根據(jù)另一實施例，控制共振掃描鏡的方法包括以下步驟提供兩個與共振掃描鏡的偏轉(zhuǎn)范圍中心隔開相同間距的光檢測器；測量在兩個光檢測器之間響應(yīng)共振掃描鏡的移動而移動的激光束的時間增量；以及根據(jù)時間增量的測量來控制激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移。
根據(jù)本發(fā)明的再一實施例，用于控制由振動鏡式檢流計偏轉(zhuǎn)的激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的系統(tǒng)包括共振掃描鏡；一對與共振掃描鏡的偏轉(zhuǎn)范圍中心隔開相同間距的光檢測器；用于計算在這對光檢測器之間移動的偏轉(zhuǎn)激光束的時間和和/或時間差的計時檢測邏輯；用于根據(jù)時間和和/或時間差來計算控制作用力的數(shù)字處理器；用于將該控制作用力轉(zhuǎn)換為電壓的一對數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)；用于根據(jù)該控制作用力來產(chǎn)生正弦波的正弦波產(chǎn)生器；以及用于根據(jù)該正弦波產(chǎn)生共振掃描鏡的電機線圈電壓的電壓放大器。
附圖概述結(jié)合附圖閱讀以下詳細說明將更清楚本發(fā)明，本發(fā)明的其它方面、特點和優(yōu)點也更易理解，，其中

圖1是說明靠近偏轉(zhuǎn)激光束的共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)范圍兩端的兩個光檢測器的圖示；圖2是說明在偏轉(zhuǎn)的激光束從一側(cè)掃到另一側(cè)時由圖1中描述的兩個光檢測器產(chǎn)生的數(shù)字脈沖的波形圖；圖3是說明針對圖2所示的數(shù)字脈沖的偏轉(zhuǎn)的激光束幅度和波形計時之間的關(guān)系的示意圖；圖4是說明針對圖1所示的系統(tǒng)的確定時間tsum和激光束偏轉(zhuǎn)幅度及偏移之間的函數(shù)關(guān)系的三維圖；圖5是說明針對圖1所示的系統(tǒng)的確定時間tdiff和激光束偏轉(zhuǎn)幅度及偏移之間的函數(shù)關(guān)系的三維圖；圖6是說明用于控制偏轉(zhuǎn)的激光束的幅度和偏移并適于與圖1所示的系統(tǒng)一起使用以便通過測量從初始檢測到激光束在左傳感器處到檢測到激光束在右傳感器處的時間來控制偏轉(zhuǎn)的激光束的幅度和偏移的完整系統(tǒng)的簡化的原理圖；圖7示出圖6所示的計時檢測邏輯電路的更詳細的原理圖；圖8示出圖7所示的狀態(tài)機信號調(diào)節(jié)器(state machine signal conditioner)的更詳細的原理圖；圖9是說明用于保持和圖6-8所示的系統(tǒng)相關(guān)的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的電子控制回路的拓撲的系統(tǒng)框圖；圖10是說明兩個反射鏡和單個激光檢測器的實物圖，每個反射鏡靠近和偏轉(zhuǎn)激光束的共振掃描鏡相關(guān)的偏轉(zhuǎn)范圍的一端；圖11是描述由激光檢測器觀察到的共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光束的正弦位移，以及由圖10所示的共振掃描鏡的作用力函數(shù)(forcing function)產(chǎn)生的窗函數(shù)(window function)的波形圖；圖12描述了利用圖11所示的窗函數(shù)和檢測器輸出信號產(chǎn)生的兩個輸出信號；圖13與圖3類似，并示出偏轉(zhuǎn)的激光束幅度和圖12所示的正向脈沖的長度之間的關(guān)系；圖14示出圖6所示并適于通過圖10所示的系統(tǒng)使用的計時檢測邏輯電路的另一個更詳細的原理圖；以及圖15示出圖14所示的狀態(tài)機信號調(diào)節(jié)器的更詳細的原理圖。
雖然以上附圖闡述了具體實施方式
，但在討論中注意到，本發(fā)明的其它實施例也被考慮到。在所有的情況下，這里揭示的是代表性但非限制本發(fā)明的實施例。本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練的技術(shù)人員可以設(shè)計在本發(fā)明原理的范圍和精神內(nèi)的多種其它的修改和實施方式。
較佳實施例的詳細說明以下參考圖1-9討論的本發(fā)明的特殊實施例。針對在僅給定光束偏轉(zhuǎn)計時信息的情況下，用于控制振動鏡式檢流計偏轉(zhuǎn)的激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的系統(tǒng)和方法。
首先參看圖1，圖示說明了靠近偏轉(zhuǎn)激光束的共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)范圍兩端的兩個光檢測器10、12。已知每個光檢測器10、12與偏轉(zhuǎn)中心18的距離相同。當光束從一側(cè)20掃到另一側(cè)22時，光檢測器10、12將產(chǎn)生如圖2所示的脈沖。
圖2是說明當偏轉(zhuǎn)激光束16從一側(cè)20掃到另一側(cè)22的時候，圖1所示的兩個光檢測器10、12產(chǎn)生的數(shù)字脈沖的波形圖。偏轉(zhuǎn)幅度和偏移通過以下的關(guān)系式和傳感器10、12時間關(guān)聯(lián)det pos＝ref＝Acos(ωtn)+b。
(1)如果檢測器10、12位于接近所需的完全偏轉(zhuǎn)幅度的70％處，則隨后每個檢測器10、12的脈沖出現(xiàn)在不同的單位圓象限中。對每個分別的象限，方程(1)變?yōu)?ref-b)A=cos(-ωt0),]]>(ref-b)A=cos(ωt1),]]>(ref+b)A=cos(π-ωt2),]]>以及(ref+b)A=cos(ωt3-π)]]>當偏轉(zhuǎn)幅度很小時，從t0到t1的時間和從t2到t3的時間將變短。同樣地，當偏轉(zhuǎn)幅度很大時，這些時間增量將變大；所以測量這些時間將產(chǎn)生一作為幅度的函數(shù)的值。圖3是說明針對圖2所示的數(shù)字脈沖的偏轉(zhuǎn)的激光束幅度和波形計時之間關(guān)系的示意圖。該函數(shù)可以簡明地寫為tleft=t1-t0=1w(cos-1(ref-bA)+cos-1(ref-bA))]]>=2wcos-1(ref-bA)]]>tright=2wcos-1(ref+bA)]]>隨后，定義為tsum的值可以寫為tsum=tleft+tright=2w(cos-1(ref-bA)+cos-1(ref+bA)).......(2)]]>可以看到，當對光束16的偏轉(zhuǎn)有正偏移時，計時tleft將增加而計時tright將降低。鑒于以上所述，隨后可以將記錄偏轉(zhuǎn)偏移tdiff的值可以定義為tdiff＝tleft-tright(3)解方程(2)得到A并解方程(3)得到b，隨后，示出計時測量和幅度及偏移之間的關(guān)系為A=refcos(ω4tsum)cos(ω4tdiff)........(4)]]>b=reftan(ω4tsum)tan(ω4tdiff)........(5)]]>隨后可以示出在理想工作點(當偏移b為0且基準值為偏轉(zhuǎn)幅度A的70.7％時)附近，方程(4)和(5)可以分別近似為A≈refcos(ω4tsum)]]>以及b≈reftan(ω4tdiff)]]>圖4是說明針對圖1所示的系統(tǒng)拓撲所定義時間tsum和激光束偏轉(zhuǎn)幅度A及偏移b之間的函數(shù)關(guān)系的三維圖。圖5是說明針對圖1所示的系統(tǒng)所定義的時間tdiff和激光束偏轉(zhuǎn)幅度A及偏移b之間的函數(shù)關(guān)系的三維圖。在這種情況下，偏轉(zhuǎn)以反射鏡14旋轉(zhuǎn)的角度來測量；而時間是以1MHz為時鐘周期。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)實際上，更高的頻率周期可以用來增加分辨率。參看圖4和5，可以看到在某些振幅A或偏移b處，偏轉(zhuǎn)的激光束16將不會同時通過檢測器10、12；因此只能產(chǎn)生4個檢測器脈沖中的兩個。在這種情況下，失去的tleft或tright值被定義為0。隨后的結(jié)果是存在控制器必須考慮的三種狀態(tài)。它們可以描述為1)沒有檢測操作開環(huán)并逐步增加幅度控制；2)只有左或右的檢測幅度和偏移增益為～半(half)，因此將控制器增益加倍；和3)可得到兩個檢測器時間使用以上描述的增益。
繼續(xù)參考圖4和5，可以看到和幅度相關(guān)的tsum表面的斜率是約40時鐘節(jié)拍/度(clock/degree)；而和偏移相關(guān)的tdiff表面的斜率是約60時鐘節(jié)拍/度(靠近理想工作點)。因此，可以看到充分測量可以用來控制激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移。
鑒于以上所述，現(xiàn)在，在下面闡述關(guān)于MEMS反射鏡14的線圈驅(qū)動器的討論。如果光束偏轉(zhuǎn)方程被重新安排來根據(jù)光束通過工作區(qū)域的時間的話，即從t1到t2，則幅度可以表示為A=refsin(ωt2-t12)......(6)]]>因此，如果檢測器10、12的偏轉(zhuǎn)角度和反射鏡14的掃描頻率是已知的，則可以計算使光束從左側(cè)檢測器10掃到右側(cè)檢測器12所需時間的幅度。
由于改變幅度的系統(tǒng)的靈敏度可以由方程(6)計算，則必須保持的幅度中的變化如下所示來確定，如果已知可以允許的周期變化并且如果該周期約為ΔT。
T=2ωsin-1(yA)=2ωsin-1(a)]]>對于 y＝aAdTdA=-2yω2A2(1-y2A2)12]]>dT=-2ωa(1-a2)12dAA]]>如果使檢測器10、12位于完全偏轉(zhuǎn)的70.7％處，則隨后幅度的百分數(shù)變化可以如下表示為計時增量變化的函數(shù)。
dAA=πfdT=6283dT..........(7)]]>
而對于10個毫微秒的時間變化，dT，方程(7)變?yōu)閐AA≈2-14]]>因此，放大器上至少14比特的分辨率對于控制反射鏡14的偏轉(zhuǎn)是必要的。
圖6是說明用于控制偏轉(zhuǎn)的激光束16的幅度并適于與圖1所示的系統(tǒng)一起使用以便通過測量從初始檢測到激光束20在左檢測器10處到檢測到激光束22在右傳感器12處的時間來控制偏轉(zhuǎn)的激光束16的幅度的完整系統(tǒng)100的簡化的原理圖。系統(tǒng)100包括左光檢測器10；右光檢測器12；計算左和右檢測器10、12的時間和和差的計時檢測邏輯102；用于計算控制作用力的數(shù)字處理器104；將控制作用力值轉(zhuǎn)換為電壓的幅度DAC106和偏移DAC108；通過控制作用力來調(diào)制其幅度的正弦波產(chǎn)生器110；以及用于驅(qū)動反射鏡電機線圈114的電壓放大器112。根據(jù)一個實施例，線圈114由利用晶體控制的PWM信號來產(chǎn)生正弦驅(qū)動波形的H橋(H-bridge)電壓放大器驅(qū)動，其中，例如，驅(qū)動信號的幅度通過16比特的DAC控制。
圖7示出圖6所示的計時檢測邏輯電路102的更詳細的原理圖。計時檢測邏輯電路102能用于測量上述tleft和tright時間間隔(該時間是從左檢測器10到左檢測器10以及從右檢測器12到右檢測器12)。
圖8示出圖7所示的狀態(tài)機信號調(diào)節(jié)器116的更詳細的示意圖。該狀態(tài)機信號調(diào)節(jié)器116的設(shè)計是根據(jù)以下所示的真值表1的。
真值表1
圖9是說明用于保持和圖6-8所示的系統(tǒng)相關(guān)的偏轉(zhuǎn)幅度的5階數(shù)字控制回路的拓撲的系統(tǒng)框圖。虛線下的框表示由代碼實現(xiàn)的功能。
圖10是說明包括遠反射鏡202、近反射鏡204和單個激光檢測器206的系統(tǒng)200的實物圖，其中每個反射鏡都靠近和偏轉(zhuǎn)由激光產(chǎn)生器產(chǎn)生的激光束210的共振掃描鏡208有關(guān)的偏轉(zhuǎn)范圍的一端。共振掃描鏡208產(chǎn)生大于打印機光學(xué)裝置212的范圍的激光束210正弦位移。當偏轉(zhuǎn)的激光束(圖10中標為230和240)通過遠或近反射鏡202、204(它們是固定位置的反射鏡)時，光束214、216反射到單個激光檢測器206。
圖11是描述由激光檢測器206觀察到的共振掃描鏡208偏轉(zhuǎn)的激光束的正弦位移，以及由圖10所示的共振掃描鏡208的作用力函數(shù)產(chǎn)生的窗函數(shù)242的波形圖。
圖12描述了利用圖11所示的窗函數(shù)242和檢測器206輸出信號250產(chǎn)生的兩個輸出信號244、246。如果圖11所示的正弦波252的振幅由正向的脈沖244、246從“在或超過(At or Beyond)”信號算起的長度表示，則脈沖變長表示幅度增大。
圖13描述了類似于圖3所示的示意圖，并示出偏轉(zhuǎn)的激光束幅度和圖12所示的正向脈沖244、246之間的關(guān)系。隨后，正弦波252的總幅度表示為遠反射鏡202的脈沖長度加上近反射鏡204的脈沖長度的長度。從某個預(yù)期的總長度減去該結(jié)果來產(chǎn)生隨后可以反饋到控制器以便通過修改共振掃描鏡208上的作用力函數(shù)的幅度來管理正弦波252幅度的幅度誤差。
如果正弦波252不在遠和近反射鏡202、204之間的中心，則來自遠和近反射鏡202、204的脈沖244、246的寬度將在長度上不同。從一個脈沖長度減去另一個脈沖長度得到從圖10所示的中心220的正弦波的有效偏移。該偏移可以類似地被反饋到控制器，以便通過修改共振掃描鏡208上的作用力函數(shù)的偏移來管理正弦波252的偏移。
圖14示出圖6所示的計時檢測邏輯電路102的另一個實施例的更詳細的原理圖。當計時檢測邏輯電路102使用圖14所示的結(jié)構(gòu)時，控制系統(tǒng)100也適于通過圖10所示的檢測器200系統(tǒng)使用。可以看到，檢測器系統(tǒng)200響應(yīng)單個檢測器信號250和窗信號242。
圖15示出圖14所示的狀態(tài)機信號調(diào)節(jié)器300的更詳細的原理圖。該狀態(tài)機信號調(diào)節(jié)器300的設(shè)計是根據(jù)以下所示的真值表2的。
真值表2
鑒于以上所述，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明提出了MEMS反射鏡控制器的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的重要的改進。此外，為了向共振掃描鏡控制器的技術(shù)領(lǐng)域的熟練的技術(shù)人員提供應(yīng)用該新穎的原理和構(gòu)建和使用這種特別的部件所需的信息，相當詳細的描述了本發(fā)明。鑒于先前的描述，明顯的是本發(fā)明提供了在構(gòu)建及操作方面與現(xiàn)有技術(shù)之間有存在重大改變。但是，雖然此處詳細地描述了本發(fā)明的特殊的實施例，但可以理解的是如所附權(quán)利要求所定義的，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進行各種變化、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種控制共振掃描鏡的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟測量與響應(yīng)共振掃描鏡的移動來由共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光束相關(guān)的偏轉(zhuǎn)計時；以及根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來控制所述激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量與響應(yīng)共振掃描鏡的移動而由共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光束相關(guān)的偏轉(zhuǎn)計時的步驟包括測量兩個從共振掃描鏡的偏轉(zhuǎn)范圍中心以相同間距隔開的光檢測器之間的時間增量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來控制所述激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的步驟包括通過將增益應(yīng)用到激光束穿越和第一光檢測器相關(guān)的預(yù)定視野場的時間和激光束穿越和第二光檢測器相關(guān)的預(yù)定視野場的時間的和來計算偏轉(zhuǎn)幅度，其中所述兩光檢測器與共振掃描鏡的偏轉(zhuǎn)范圍中心隔開大體相同間距。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來控制所述激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的步驟包括通過將增益應(yīng)用到激光束橫過和第一光檢測器相關(guān)的預(yù)定視野場的時間和激光束橫過和第二光檢測器相關(guān)的預(yù)定視野場的時間的差來計算偏轉(zhuǎn)偏移，其中所述兩光檢測器與共振掃描鏡的偏轉(zhuǎn)范圍中心隔開大體相同間距。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來控制所述激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的步驟包括以下步驟根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來計算幅度數(shù)據(jù)；將所述幅度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制電壓；以及通過所述控制電壓驅(qū)動和所述共振掃描鏡相關(guān)的電機線圈。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來計算幅度數(shù)據(jù)的步驟包括通過數(shù)字信號處理器來根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量計算幅度數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來控制所述激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的步驟包括以下步驟根據(jù)偏轉(zhuǎn)計時的測量來計算脈沖寬度數(shù)據(jù)；將所述脈沖寬度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制電壓；以及通過所述控制電壓驅(qū)動和所述共振掃描鏡相關(guān)的電機線圈。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將脈沖寬度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制電壓的步驟包括以下步驟通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將脈沖寬度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓；以及通過電壓放大器處理所述電壓來產(chǎn)生共振掃描鏡電機線圈驅(qū)動電壓。
9.一種用于控制振動鏡式檢流計的激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括共振掃描鏡；光檢測器系統(tǒng)，它用來根據(jù)所述共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光束來產(chǎn)生輸出信號；計時檢測邏輯，它用來根據(jù)所述光檢測器的輸出信號來計算和偏轉(zhuǎn)的激光束相關(guān)的時間和和/或時間差；數(shù)字處理器，它用來根據(jù)所述時間和和/或時間差來計算控制作用力；一對數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，它們用來將所述控制作用力轉(zhuǎn)換為電壓；正弦波產(chǎn)生器，它用來根據(jù)所述控制作用力來產(chǎn)生正弦波；以及電壓放大器，它用來根據(jù)所述正弦波產(chǎn)生共振掃描鏡的電機線圈電壓。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述一對數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括第一DAC，它用于控制所述偏轉(zhuǎn)的激光束的幅度；以及第二DAC，它用于控制所述偏轉(zhuǎn)的激光束的偏移。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光檢測器系統(tǒng)包括一對與共振掃描鏡的偏轉(zhuǎn)范圍中心隔開相同間距的光檢測器，其中的計時檢測邏輯用來計算在所述一對光檢測器之間移動的偏轉(zhuǎn)激光束相關(guān)的時間和及時間差。
12.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光檢測器系統(tǒng)包括一對反射鏡，它們與共振掃描鏡的偏轉(zhuǎn)范圍中心隔開相同間距；以及單個光檢測器，它用來根據(jù)由所述共振掃描鏡偏轉(zhuǎn)的激光束來產(chǎn)生輸出信號。
全文摘要
提供了在已知光束偏轉(zhuǎn)計時信息的情況下，用于控制振動鏡式檢流計偏轉(zhuǎn)的激光束的偏轉(zhuǎn)幅度和偏移的系統(tǒng)和方法。
文檔編號H04N1/113GK1493895SQ0315939
公開日2004年5月5日 申請日期2003年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者M·D·哈根, J·E·諾克松, A·M·特納, M D 哈根, 特納, 諾克松 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司