技術領域

本發(fā)明涉及光子學，特別涉及一種微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical-system,MEMS)光子交換機的裝置及方法。

背景技術：

光子交換機的一種類型是三維(three dimensional,3D)微機電系統(tǒng)(MEMS)光子交換機。MEMS光子交換機具有優(yōu)良的性能，例如，可實現(xiàn)高端口計數(shù)(count)。此外，MEMS光子交換機具有優(yōu)異的光學特性，如低損耗、低偏振依賴性、高線性度和低噪聲。與此同時，MEMS光子交換機具有優(yōu)良的關態(tài)特性，如高隔離度和低串擾。

然而，MEMS光子交換機的某些問題，如交換機速度慢、通過復雜的控制方法進行驅(qū)動對其廣泛應用有所限制。而當MEMS光子交換機用于級聯(lián)配置，如三級CLOS交換機，或在整個光子交換機交換網(wǎng)絡中建立中轉(zhuǎn)多個節(jié)點的路徑時，問題尤為突出。另外，控制方法可能導致交換機引入的剩余調(diào)制，這可能干擾交換機的級聯(lián)。

技術實現(xiàn)要素：

一實施例中，一種控制微機電系統(tǒng)(MEMS)光子交換機的方法包括：對所述MEMS光子交換機的第一鏡陣列的初始鏡的一個或多個偏轉(zhuǎn)電極施加電壓，并點亮(illuminating)控制光束。該方法還包括使所述控制光束從所述初始鏡反射，以在所述MEMS光子交換機的第二鏡陣列上形成控制束斑，檢測所述控制束斑的初始位置以產(chǎn)生初始光響應。另外，該方法包括當所述控制束斑的速度不為零時，根據(jù)所述初始光響應調(diào)整所述電壓。

一實施例中，一種微機電系統(tǒng)(MEMS)光子交換機的控制系統(tǒng)包括：第一處理器，和存儲由所述處理器執(zhí)行的編程的第一計算機可讀存儲介質(zhì)。該編程包括指令，以從所述MEMS光子交換機的第一鏡陣列表面的第一多個光電二極管接收第一多個響應，并根據(jù)該第一多個響應確定所述第一鏡陣列的第一控制束斑當前的中心。該編程還包括指令，以根據(jù)所述第一控制束斑當前的中心和所述第一控制束斑先前的中心確定所述第一控制束斑當前的速度，并根據(jù)所述第一控制束斑當前的中心和所述第一控制束斑先前的中心確定所述第一控制束斑當前的加速度。另外，該編程還包括指令，以根據(jù)所述第一控制束斑當前的中心、所述第一控制束斑當前的速度和所述第一控制束斑當前的加速度，確定對所述MEMS光子交換機的第二鏡陣列的第一鏡的第一校正，并根據(jù)所述第一校正調(diào)整所述第一鏡。該系統(tǒng)還包括第一移位寄存器，其配置為存儲所述第一控制束斑當前的中心和所述第一控制束斑先前的中心。

另一實施例中，一種控制微機電系統(tǒng)(MEMS)光子交換機的方法包括：對所述MEMS光子交換機的鏡陣列的鏡的加速電極施加加速電壓，并移除所述加速電壓。該方法還包括：移除所述加速電壓后，對所述MEMS光子交換機的鏡陣列的鏡的減速電極施加減速電壓，其中所述減速電極與所述加速電極相對。

上述內(nèi)容已較為寬泛地概括了本發(fā)明一實施例的特征，使下文對發(fā)明的詳細描述可被更好的理解。本發(fā)明實施例的其他特征和優(yōu)點將會在下文中進行描述，形成本發(fā)明權利要求的主題。本領域的技術人員應該理解，可在所述理念和公開的具體實施例的基礎上修改或設計其他結(jié)構或過程，以實施與本發(fā)明相同的目的。本領域的技術人員還應認識到，此類等同構造并不偏離所附權利要求描述的本發(fā)明的精神和范圍。

附圖說明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，結(jié)合附圖，對下列說明做出引用，其中：

圖1示出了微機電系統(tǒng)(MEMS)光子交換機的一個實施例；

圖2示出了MEMS鏡結(jié)構的一個實施例；

圖3示出了用于MEMS鏡的常平架的一個實施例；

圖4A-4E示出了具有填隙(interstitial)光電二極管的MEMS鏡陣列的實施例；

圖5示出了具有MEMS鏡陣列的系統(tǒng)的一個實施例，該MEMS鏡陣列具有填隙光電二極管；

圖6示出了束斑，該束斑位于作為一實施例且具有填隙光電二極管的MEMS陣列上；

圖7示出了具有消色準直器的MEMS模塊的一個實施例；

圖8示出了MEMS模塊的一個實施例，該MEMS模塊處于控制波長的有效焦距大于其處于業(yè)務波長的有效焦距；

圖9示出了MEMS模塊的一個實施例，該MEMS模塊處于控制波長的有效焦距小于其處于業(yè)務波長的有效焦距；

圖10示出了具有光電二極管的MEMS鏡陣列的一個實施例，該光電二極管集成于鏡上；

圖11A-11C示出了具有填隙光電二極管和集成于鏡上的光電二極管的MEMS鏡陣列的實施例；

圖12示出了用于對準具有集成光電二極管的MEMS鏡的幀結(jié)構的一個實施例；

圖13示出了用于對準具有集成光電二極管的MEMS鏡的控制結(jié)構的一個實施例；

圖14示出了束斑誤差；

圖15示出了MEMS鏡的簧載質(zhì)量模型；

圖16示出了MEMS鏡對所施加電壓的響應；

圖17示出了MEMS鏡對快速邊緣波形的響應；

圖18示出了MEMS鏡的階躍響應；

圖19A-19B示出了簧載質(zhì)量對脈沖的響應；

圖20示出了簧載質(zhì)量對脈沖的響應；

圖21示出了MEMS鏡對各種驅(qū)動波形上升時間的響應；

圖22示出了諧振過沖對MEMS鏡的影響；

圖23示出了具有驅(qū)動電極的MEMS鏡的一個實施例；

圖24示出了移動MEMS鏡的脈沖加速和減速；

圖25示出了用于控制MEMS鏡的控制系統(tǒng)的一個實施例；

圖26示出了光束中心的三角剖分；

圖27示出了使用閉環(huán)控制對MEMS鏡進行控制；

圖28A和28B示出了使用閉環(huán)控制對MEMS鏡進行控制的方法的一個實施例的流程圖；

圖29A和29B示出了用于對MEMS鏡進行閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)的一個實施例；

圖30A和30B示出了用于對MEMS鏡進行閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)的另一實施例；

圖31示出了MEMS鏡對所施加的脈沖的響應；

圖32示出了具有開環(huán)和閉環(huán)控制的MEMS鏡響應；

圖33A和33B示出了對MEMS鏡進行閉環(huán)控制的方法的一個實施例的流程圖；

圖34示出了MEMS系統(tǒng)的一個實施例；

圖35通過圖形表征示出了施加驅(qū)動電壓和恢復力矩力時的鏡偏轉(zhuǎn)；

圖36示出了束斑移動距離的表格，該束斑的移動距離為光路長度及鏡偏轉(zhuǎn)角度變化的函數(shù)；

圖37示出了最大減速曲線，以及示例性束斑位置和速度；

圖38示出了光束會聚至目標鏡的軌跡；

圖39示出了束斑在不確定性區(qū)域中移動的示例；

圖40示出了位置和速度對光束點亮的容差的一種描述；

圖41示出了位置和速度對光束點亮的容差的另一描述；

圖42示出了位置和速度對光束點亮的容差的附加描述；以及

圖43示出了校正光束路線的方法一實施例的流程圖。

除非另有說明，不同附圖中對應的數(shù)字和符號一般指的是對應的部件。繪制的附圖目的是清晰說明實施例的相關方面，因此不一定按比例繪制。

具體實施例

一開始就應該理解，雖然下文提供了一個或多個實施例的說明性實施方式，但仍可使用任意數(shù)量的技術實施所公開的系統(tǒng)和/或方法，不論該技術當前是否已知或已經(jīng)存在。本公開不應局限于下文所示的說明性的實施方式、附圖以及技術——其中包括本文所述的示例性實施方式，但本公開可在所附權利要求的范圍，及其所有的等效范圍內(nèi)修改。

MEMS光子交換機中，需要移動鏡以配置光路。MEMS鏡雖小，但具有一定質(zhì)量，并懸掛在作為樞軸和彈簧的常平架配置上。事實上，彈簧功能通過抵消靜電驅(qū)動的引力使MEMS鏡穩(wěn)定。彈簧與鏡質(zhì)量互相作用時多余的動能導致機械諧振。鏡驅(qū)動電壓可緩慢漸變以避免觸發(fā)所述諧振，原因是諧振會大幅延長設置時間。另外，彈簧上懸掛的質(zhì)量，如MEMS鏡，容易被振動輸入引發(fā)機械激勵，從而導致通過交換機的光路容易被振動擾動。

一個實施例中，MEMS鏡的實時位置、速度及加速度由集成于MEMS鏡陣列上的光電二極管的輸出推導得出。基于這些測量，實施實時鏡控制。鏡位置、速度及加速度從光電二極管信號的變化而連續(xù)計算得出?；趯嶋H的實時鏡響應，連續(xù)動態(tài)地計算校正驅(qū)動，從而使鏡在期望的操作點達到靜止狀態(tài)。當有振動誘發(fā)的擾動移動該鏡時，檢測到移動的開始，并計算校正驅(qū)動電壓，以使鏡回到準確的角度——該角度上殘余速度為零，從而無動能可激發(fā)機械諧振。通過反射的光束位置持續(xù)跟蹤鏡位置，同時對所需的殘余校正進行重新計算，對校正驅(qū)動電壓進行動態(tài)調(diào)整。

一個實施例對快速連接建立時間起到輔助作用，同時可大大抑制振動的影響，可大幅削弱機械鏡質(zhì)量-扭矩彈簧機械諧振的影響，產(chǎn)生振動容忍結(jié)構。

三維(3D)MEMS光子交換機可使用一或兩個可控鏡陣列，在準直器陣列之間形成可切換的光路。當使用一個鏡陣列時，將鏡陣列設置為與靜態(tài)平面或近似平面回射(retro-reflective)鏡相對。該示例中，控制波長通過光子交換機同時在兩個方向上傳播，僅僅點亮在每個控制載波的路徑上相遇的第二可控鏡周圍的光電二極管。

圖1示出了MEMS光子交換機100，即具有兩個可控鏡陣列的三維(3D)MEMS光子交換機。MEMS光子交換機100包含鏡陣列104和106。光例如從光纖通過準直器陣列102進入，并投射到鏡陣列104的鏡上。在兩個平面內(nèi)調(diào)整鏡陣列104的鏡的角度，使光投射到鏡陣列106中合適的鏡上。鏡陣列106的鏡與準直器陣列108的特定輸出端口相關聯(lián)。同時，在兩個平面內(nèi)對鏡陣列106的鏡的角度進行調(diào)整，使其與合適的輸出端口耦合。其后光在例如與光纖耦合的準直器陣列108的準直器中出射。與之類似，光進入準直器陣列108、從鏡陣列106的鏡反射、從鏡陣列104的鏡反射、并通過準直器陣列102出射。

鏡陣列具有雙軸線可控3D-MEMS鏡(文中稱之為MEMS鏡)陣列，其對由相關聯(lián)的準直器投射到其上的光束進行反射。反射光束其后被與其相對的鏡陣列上相對的鏡反射。因此，NxN的MEMS光子交換機模塊含有N個輸入鏡，每個輸入鏡均可接入相對鏡陣列中N個鏡中的任意一個，反之亦然。通過對NxN的交換機使用2N個可控鏡，這使得鏡的計數(shù)隨交換機端口計數(shù)的增大呈線性增長。對于構建光子交換機的多種其他方法而言，鏡的計數(shù)或相交點的計數(shù)隨端口計數(shù)目平方的增大而增大。因此，可將MEMS光子交換機倍增至較大的端口計數(shù)，而某些其他方法受限于鏡的計數(shù)或相交點的計數(shù)。然而，隨著MEMS光子交換機中端口計數(shù)的增長，鏡之間合適的最小光路長度和/或合適的最大鏡偏轉(zhuǎn)角度增大。

MEMS光子交換機100中的MEMS鏡制造于改性的硅晶片工藝過程中。圖2示出了一種示例性的MEMS鏡結(jié)構110，該MEMS鏡結(jié)構110的直徑可為大約550μm至大約2.5mm，例如1mm左右。MEMS鏡結(jié)構110包含懸掛在軸承114和116的兩個軸線上的鏡112，使其傾斜，對抗軸承的扭矩彈簧作用，而軸承的扭矩彈簧作用試圖使鏡112維持在特定的位置。對于1mm的鏡而言，距離鏡112下方大約80～100μm的位置為三或四個分段的平板偏轉(zhuǎn)電極。使用四個電極時，每個電極均與鏡象限相關聯(lián)。當對電極施加電壓時，鏡112在靜電吸引作用下被吸引靠近該電極，并發(fā)生扭曲以對抗硅扭矩彈簧的彈簧作用。可通過調(diào)整施加在一個或多個電極上的驅(qū)動電壓控制該偏轉(zhuǎn)的角方向和大小。對相對靜止狀態(tài)偏轉(zhuǎn)10～14度的最大光束偏轉(zhuǎn)、或20～28度的峰-峰光束偏轉(zhuǎn)而言，驅(qū)動電壓可達幾百伏特，最大鏡偏轉(zhuǎn)為向平面外偏轉(zhuǎn)5～7度。

圖3示出了常平架120，即可用作軸承114或軸承116的示例性常平架。常平架120可由硅扭矩彈簧制成，該硅扭矩彈簧試圖使鏡回到其平面位置。當鏡移動時，驅(qū)動電壓對一個或多個象限電極的引力與增加的彈簧張力之間的對抗決定鏡最終的指向角度，該角度上這兩個力達到平衡。

光電二極管陣列被置于鏡陣列的鏡之間，作為填隙陣列，為整個鏡陣列的光檢測器提供檢測柵格。一示例中，光電二極管與特定的鏡相關聯(lián)。圖4A-E分別示出了MEMS陣列320、330、230、240和250。MEMS陣列320中，光電二極管324相對鏡322的四個鏡等距排列，而在MEMS陣列330中，光電二極管334在MEMS鏡332周圍排列成共用的八角形圖案。同時，MEMS陣列230中，光電二極管234在MEMS陣列230的鏡集合232周圍設置為三角形結(jié)構，而在MEMS陣列240中，光電二極管244在MEMS鏡集合242周圍排列成正方形圖案。另外，在MEMS陣列250中，光電二極管254在特定的MEMS鏡252四周排列成交替的定向六角形圖案，且光電二極管255位于MEMS鏡252之間。也可進行其他光電二極管設置。例如，可在MEMS鏡周圍設置五個、七個、八個或更多光電二極管，并使其與MEMS鏡相關聯(lián)。鏡陣列具有一系列按照行與列排列的MEMS雙軸可控微型鏡，例如直徑為0.5～1.5mm的微型鏡，該微型鏡的行/列間距為例如微型鏡直徑的1.5～4倍。

圖5示出了包含MEMS模塊372的MEMS系統(tǒng)。鏡陣列382和388可為MEMS陣列320、330、230、240、250或其他結(jié)構。通過在輸入和輸出處將控制光耦合至光纖中，光纖374和396上的業(yè)務光與具有帶外波長的控制光在穿過鏡腔的兩個方向上疊加。一示例中，光纖374和396在控制波長和業(yè)務波長處皆為單模光纖。輸入光纖連接終止于輸入準直器380陣列，該陣列產(chǎn)生與光纖中的光平行的光束。輸入光纖準直器用作透鏡，在投射到鏡陣列，例如鏡陣列388的鏡上的業(yè)務光載波波長處生成直徑稍小于MEMS鏡直徑的擴展的側(cè)面平行準直光束，例如光束直徑為0.45-1.3mm。在控制波長處，這些光束還可略微發(fā)散或略微會聚。當控制光束會聚時，焦點在光路的前面?？刂乒馐诮裹c之后發(fā)散。輸出準直器模塊394類似地對準鏡陣列382。當光發(fā)射到輸出準直器時，平行準直光束中心與各自的鏡中心對準。如果存在相反路徑業(yè)務信號，準直器在業(yè)務波長處投射名義上平行的光束，但是在控制光載波波長處投射會聚的或發(fā)散的光束

鏡陣列及其各自的準直器陣列放置在空光學腔的兩側(cè)，其大小足以使各個鏡陣列中各個鏡將其反射光束導向至相對鏡陣列中的任何鏡上?？商娲兀鈱W腔具有一個或多個較大的平面或曲面鏡，將較長的鏡陣列間的光路折疊形成較小的物理空間，更有利于各個鏡陣列中的各個鏡通過折疊機制將其反射光束導向至相對鏡陣列中的任何鏡。

通過對鏡下的三或四個分段電極施加驅(qū)動電壓，可對所述鏡進行瞄準或操縱。電極距離所述鏡的間隔為大約80～100微米。通過對電極段施加不同電壓，鏡的指向可為其最大偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的一個角度。例如，可使用所施加電極電壓產(chǎn)生的靜電力使該鏡在x和y平面內(nèi)具有約正或負5～7°的最大偏轉(zhuǎn)范圍，其中該靜電力的作用是使所述鏡對抗常平架底座的彈簧張力并發(fā)生偏移，而常平架底座用于使所述鏡維持在其初始平面內(nèi)。這些電極的驅(qū)動直線從鏡腔中引出。

鏡陣列還包含沿MEMS鏡外圍放置的光電二極管。光電二極管跨鏡陣列表面形成檢測器的網(wǎng)格，便于在建立交換機連接的初始連接階段對實際光束著屏(landing)放置進行直接檢測。光電二極管用作與鏡相關的光控制功率傳感器，以進行優(yōu)化，并對運行中(in service)的優(yōu)化鏈路進行維護。連接至這些光電二極管的線還向外延伸。為避免產(chǎn)生數(shù)百個振幅較低的信號，可在與鏡陣列物理相關的電子器件中對光電二極管輸出進行放大、數(shù)字化和/或多路復用。陣列上的電子器件可位于由單片或雜合技術生成的擴展鏡陣列基板的正面或該基板的反面。

控制器402通過驅(qū)動線控制陣列中鏡的指向角度，其中驅(qū)動控制基于相對鏡陣列上鏡周圍的光電二極管的輸出而實現(xiàn)。當適當?shù)溺R經(jīng)對準以形成光路時，業(yè)務光束僅僅點亮每個路徑中第二陣列上的目標鏡以及與該鏡相關的輸出準直器表面，但同軸擴展控制光束會均勻點亮與光路中第二陣列的目標鏡相關的光電二極管。光路徑中第一鏡周圍的光電二極管不會被控制光束點亮，因此需要提供雙向控制光載波以點亮第一鏡。對束斑位置的測定提供了建立及維護中鏡指向的優(yōu)化檢測。

雙向控制光束便于對光路中的相對的鏡進行獨立的同步初始對準，因此，控制光束將相對目標鏡周圍的光電二極管均勻點亮。因此，鏡腔模塊包含兩組準直器，該準直器組與其各自鏡陣列中的鏡精確對準，使準直器陣列中來自光纖的光形成具有中心軸的光束，該中心軸穿過鏡陣列中各個鏡的中心。這些準直器陣列在業(yè)務光波長處投射準直光束，并在控制光波長處投射同軸光束。業(yè)務光束可為平行光束或略微會聚(waisted)的光束，以補償高斯光束分散。

當來自輸入準直器的控制光束被第一鏡反射時，該控制光束投射在第二鏡陣列中的目標鏡上或其附近。第一鏡的直徑足以反射業(yè)務光束和控制光束。目標鏡周圍或不確定性區(qū)域內(nèi)鏡附近的光電二極管確定產(chǎn)生的束斑放置。不確定性區(qū)域為目標鏡周圍光束可能初始入射的區(qū)域，并因初始盲目計算的鏡指向等而產(chǎn)生。光電二極管響應使控制系統(tǒng)能夠計算著屏位置偏差和校正向量，以使業(yè)務光束進行更優(yōu)的對準。當鏡被對準時，目標鏡的光電二極管大致被控制光束均勻點亮。這種均勻點亮的狀況發(fā)生變化時，其可被控制系統(tǒng)快速補償以維持操作中的對準。

入射光信號塊378和400以及接收光信號塊376和398與MEMS模塊372耦合?？蛇x的接收光信號塊376和398確認交叉交換機(cross switch)光損處于低位。另外，如果在輸入端使用特定于給定輸入的識別標識或識別文字對控制光通道進行調(diào)制，則接收光信號塊376和398將有所助益。目標輸出端口的控制光接收器可確認收到用于驗證交叉交換機連接映射的該識別標識或文字。

入射光信號塊378和400為光對準源，該光對準源從系統(tǒng)的相對側(cè)入射，并跨MEMS模塊372反向傳播。光對準源使用光合路器等射入光纖。光對準源包含來自一個或多個激光器的光。由于與激光器的功率輸出相比，控制功率可能較低，有利于使一個激光器通過分光器驅(qū)動多個輸入，因此專用激光器不是必需的。光纖374和396在控制波長和業(yè)務波長處都為單模?？刂撇ㄩL可以比業(yè)務波長短。例如，當業(yè)務處于1550nm電信波段或1300nm電信波段時，控制波長可處于800-850nm或905–1040nm的帶寬范圍。

圖6示出了具有填隙光電二極管的鏡陣列以及光束著屏點的部分示例。業(yè)務光束710和控制光束708在鏡706適當對準。由于其近似性，對準不可能從初始計算開始進行，而是表示獲取后及應用優(yōu)化過程的目標。

一示例中，控制光束714部分點亮目標鏡，即鏡712。業(yè)務光束716與控制光束714同軸?？刂乒馐?14的位置進而業(yè)務光束716的位置可被不確定性區(qū)域720內(nèi)光電二極管檢測到的光確定。相對陣列中的鏡——即處于業(yè)務中并點亮不確定性區(qū)域720中除了被設置為目標鏡712的相對鏡之外的鏡718——被鎖定以將其光電二極管留作檢測柵格之用。點亮的光電二極管以及所檢測的功率相對值使得可以計算校正向量，即計算相對于鏡712上光束中心的距離和角度。該示例中，光束主要入射在鏡712左側(cè)和上方的光電二極管，其大部分功率作用在距離鏡最近的光電二極管上。三個光電二極管被點亮。根據(jù)來自這些光電二極管的信息確定：光束著屏點應向右并向下移動一個向量角度，移動距離大約等于光束直徑，以更好地與目標鏡對準。該計算可基于接收到大部分光的光電二極管進行，其中所述向量大約為從該光電二極管的位置至目標鏡的中心。另一示例中，三個被點亮的光電二極管所接收的功率用于通過三角測量法更準確地確定光束中心。當使用多個光電二極管時，可通過重復該過程，以單循環(huán)或迭代方式進行對準。之后，在操作中，通過監(jiān)測鏡周圍的光電二極管，維持優(yōu)化過程，防止鏡偏移。當被點亮的光電二極管少于三個時，通過附加步驟，即使用與鏡712相關的光電二極管，對光束進行更準確的中心定位。

在對初始光束指向具有更大容差的一示例中，控制光束724及業(yè)務光束726在不確定性區(qū)域732中的初始著屏位置距離鏡722更遠。相對陣列中的鏡在初始對準時被鎖定，其中所述鏡位于業(yè)務中并點亮不確定性區(qū)域732中的鏡734。光束著屏區(qū)域中的光電二極管對接收的控制點亮做出響應。檢測的點亮值用于計算光束著屏位置的中心，該計算過程或使用接受大部分光的光電二極管進行估算，或使用三個或三個以上光電二極管通過確定光束中心的實際位置進行更精確的計算?？捎嬎阈Ｕ蛄浚詫崿F(xiàn)與目標鏡的粗略或精確對準。該過程應使得光束被基本對準。例如，業(yè)務光束730及控制光束728基本與鏡722對準。如果在鏡722周圍的光電二極管仍然存在可檢測的誤差，則可計算第二微小校正向量。

關于具有填隙光電二極管的MEMS光子交換機的更多細節(jié)，2013年8月12提交的申請?zhí)?3/964,437、題目為“微機電系統(tǒng)光子交換機的裝置和方法”的美國專利申請已有公開，且該申請通過引用納入本文。

圖7示出了作為準直光束被投射通過MEMS交換機的業(yè)務光束和控制光束?？刂乒馐?06和業(yè)務光束508通過單模光纖502和透鏡504入射，并被投射到鏡陣列510的鏡512上。光電二極管514位于鏡512周圍?？刂乒馐?06和業(yè)務光束508被鏡512反射到鏡陣列516的鏡518上，其中光電二極管520環(huán)繞鏡518布置。兩個光束經(jīng)由透鏡522出射到單模光纖524上。由于透鏡504和透鏡522為消色透鏡，當控制光束506和業(yè)務光束508分別入射到鏡512和518中心時，光電二極管514和520不會被點亮。

圖8示出了業(yè)務光束538和控制光束536，其中控制光束536略有分散?？刂乒馐?36和業(yè)務光束538通過單模光纖502和透鏡532入射。透鏡532在使光束保持同軸的同時，使控制光束536相對于業(yè)務光束538分散?？刂乒馐?36和業(yè)務光束538被鏡陣列510中的鏡512反射至鏡陣列516中的鏡518上。控制光束536分散，以在控制光束536和業(yè)務光束538入射到鏡518中心時，點亮光電二極管520，而業(yè)務光束538入射到鏡518中心時不會點亮光電二極管520。其后，控制光束534和業(yè)務光束538經(jīng)由透鏡532出射到單模光纖524上。由于通向鏡512的路徑中的控制光束536產(chǎn)生發(fā)散，鏡512的尺寸足以容許透鏡532與第一鏡512間的光斑尺寸產(chǎn)生微小增加。

光電二極管520的點亮的差值生成控制向量，以通過調(diào)整鏡512最小化控制光束功率的差值——該控制光束功率為與鏡518相關的光電二極管520接收的功率，從而控制光束。當業(yè)務光束538和控制光束536入射到鏡518中心時，由于業(yè)務光束與控制光束同軸，光電二極管上的功率大致相等。由于束斑同軸且入射到中心位置，光電二極管520檢測到相似的功率值。

一示例中，控制光束536和業(yè)務光束538相對鏡518的中心偏移。右光電二極管檢測的光比左光電二極管檢測的光多。當三個或三個以上二極管被點亮時，可使用三角測量法確定兩條軸線上的光束位置。由于光束同軸，當控制光束被對準時，業(yè)務光束也被對準。

由于當業(yè)務光束538入射到鏡518中心時，光電二極管520被點亮，光電二極管520產(chǎn)生的信號可在運行中操作及初始對準時控制優(yōu)化。與目標鏡相關的光電二極管用于精細對準，而不確定性區(qū)域中的其他光電二極管用于初始粗略對準。點亮不確定性區(qū)域中其他鏡的鏡可在初始對準中鎖定。所述鏡鎖定的時間，可為5-10ms等，小于粗略對準過程中鎖定的時間。該鎖定通過保持當前對相對鏡施加的X和Y驅(qū)動電壓而實現(xiàn)，與不確定性區(qū)域中鏡周圍的目標鏡光電二極管的控制輸入無關。該操作不占用與不確定性區(qū)域中光電二極管相關的鏡，使其可用作新的光束位置的檢測柵格。

圖9示出了光路，其中控制光束略微會聚，且與準直業(yè)務光束同軸。當焦點遠在第二鏡陣列之前時，控制光束越過焦點發(fā)散，并點亮環(huán)繞第二鏡的光電二極管。鏡周圍的光電二極管檢測的功率的差值可生成控制向量，以通過調(diào)整第一鏡使光電二極管接收的控制光束功率的差值最小化，從而控制光束。當與鏡相關的光電二極管上的控制功率相等時，控制光束形成中心入射，進而業(yè)務光束也形成中心入射。由于業(yè)務光束與控制光束同軸，因此二者以相同的對準形成中心入射。該示例中，由于鏡陣列510處的控制光束576小于業(yè)務光束578，操作控制光束時無需稍微增加鏡直徑。

業(yè)務光束578和控制光束576通過單模光纖502和透鏡572入射。透鏡572使控制光束576會聚，而業(yè)務光束578被準直。光束被鏡陣列510中的鏡512反射到鏡陣列516中的鏡518上。光束通過透鏡574和單模光纖524出射。

由于當業(yè)務光束578入射到鏡518中心時，光電二極管520被控制光束576點亮，光電二極管520產(chǎn)生的信號可控制運行中操作期間的優(yōu)化以及精細對準中的初始設置操作。與不確定性區(qū)域中的鏡相關的光電二極管可用于檢測初始著屏放置。有必要的話，不確定性區(qū)域中的鏡的位置被鎖定。

在圖8和9所示的示例中，反向控制光束(為了清楚起見，圖中未示出)可用于控制鏡518的指向，以使反向光束入射到鏡512的中心。此時，根據(jù)光路的可逆性原理，在鏡518作用下，鏡512的前向業(yè)務光束可分別精確入射到輸出準直器534、574的中心，與此同時，通過處理光電二極管514檢測的功率水平對其加以控制。

關于在控制波長和業(yè)務波長處具有不同焦距的準直器的更多細節(jié)，2013年11月21日提交的申請?zhí)枮?7/472,407、題目為“微機電系統(tǒng)光子交換機的裝置和方法”的美國專利申請已有公開，且該申請通過引用納入本文。

另一示例中，光電二極管集成于MEMS鏡的表面。圖10示出了其鏡表面集成有光電二極管的MEMS鏡的MEMS鏡陣列150。MEMS鏡陣列150包含MEMS鏡152，其鏡表面集成有光電二極管154。

圖11A-C示出了MEMS鏡陣列，其光電二極管放置在鏡陣列中的鏡之間的基板上，并同時放置在鏡的表面。圖11A中的鏡陣列160示出了鏡162，其光電二極管164放置在鏡162的表面，且光電二極管166在四個周圍鏡之間等距隔開。圖11B示出了具有鏡582的鏡陣列580，其中光電二極管584放置在鏡582的表面，光電二極管586相對于四個周圍鏡的中心等距中心放置，并形成三角圖案。另外，圖11C示出了具有鏡592的鏡陣列590，其光電二極管594位于鏡592的表面，且光電二極管596相對于四個周圍鏡的中心等距中心放置，并形成菱形圖案。也可使用其他光電二極管排列圖案。例如，可使用更多個填隙光電二極管。光電二極管可放置在兩個鏡之間的區(qū)域內(nèi)，而非在四個鏡之間中心放置。

填隙光電二極管輔助鏡光電二極管確定初始光束放置的中心。該操作可使用三個或更多個光電二極管響應并對光束位置中心進行三角測量來精確確定。當僅有一個光電二極管被初始光束著屏點亮時，不能確定其在束斑中的位置。雖然可計算光電二極管與目標鏡之間的距離，但不能計算束斑中心相對于光電二極管的方向，造成測量的束斑位置產(chǎn)生容差。因此，光電二極管的位置可用作光束位置，導致校正向量的近似性更高。一旦光被目標鏡上的任一鏡光電二極管接收，光束便可入射到鏡的中心。

關于MEMS鏡陣列——其MEMS鏡表面放置有光電二極管——的更多細節(jié)，2013年11月21日提交的申請?zhí)枮?7/472,176、題目為“微機電系統(tǒng)光子交換機的裝置和方法”的美國專利申請已有公開，且該申請通過引用納入本文。

為避免所述鏡饋送至不確定性區(qū)域中的運行中鏡時產(chǎn)生較長的鎖定期間，并方便在任一不確定性區(qū)域中建立多個路徑，對控制通道的點亮以中高頻進行選通，以生成控制時隙?？刂茣r隙小于MEMS鏡移動較遠距離花費的時間。例如，MEMS鏡的移動可被限制在機械諧振頻率(可為10-20kHz)的十倍以內(nèi)。以更高頻率，例如50-100kHz選通控制通道，可以檢測基于移動的鏡信號變化的全譜范圍。通過選通控制點亮，即鏡位置移動最高頻率每個周期內(nèi)點亮兩次以上(高于奈奎斯特率(Nyquist rate))，保留全頻譜信息?？墒褂枚鄠€選通相位進行選通，從而在X％的時間內(nèi)，運行中的通道被點亮，而在(100-X)％的時間內(nèi)，被設置的鏡的鏡控制通道被點亮，運行中的控制通道電子器件被切換用于建立光束檢測。由于切換速度比鏡的移動快得多，控制電路的光靈敏度可能稍有降低。這樣的小幅下降可被稍高的控制光功率補償。另外，一直高于移動頻率的控制帶寬也不會產(chǎn)生實際損耗。

在初始鏡設置和運行中的鏡對準維護之間生成時間間隔防止產(chǎn)生控制串擾。該時隙可被進一步劃分，使各個被設置的鏡每經(jīng)過m個設置光點亮周期即被點亮、點亮時長為設置光點亮周期的持續(xù)時間的1/p，或同時滿足上述兩種條件。該操作可在每個不確定性區(qū)域內(nèi)同步設置m個鏡、p個鏡或m*p個鏡。由于選通控制的幀重復率比鏡發(fā)生移動需要的時間短得多，當幀長度的p倍遠小于鏡的設置時間時，鏡設置時間不會顯著縮短。對于100kHz的幀速率，p小于大約20～50的范圍。

不同目標鏡具有直徑與其他不確定性區(qū)域相同的不確定性區(qū)域，但該不確定性區(qū)域位于其中心位置，以基于不確定性區(qū)域內(nèi)鏡的數(shù)目，跨MEMS陣列表面生成可用的設置通道號或階段(phases)的重復圖案。當m*p>n時，若n為每個不確定性區(qū)域內(nèi)鏡的數(shù)目，則陣列中的所有鏡可被同步設置。

由于奈奎斯特采樣速率降低，且鏡位置的實際采樣速率降低至m分之一，將設置控制通道點亮選通分成多個階段可減小設置控制帶寬。殘余設置通道帶寬仍足以滿足快速設置。例如，當m＝25且p＝1時，使用100kHz的選通速率，假設控制系統(tǒng)采用高達2kHz包絡(envelope)的奈奎斯特采樣速率，則此時設置過程中被點亮的單個鏡每毫秒被點亮四次。因此，測量時間遠小于1毫秒，比鏡移動的時間短。另一示例中，m＝5且p＝5，此時控制帶寬保持在10kHz以上，其不確定性區(qū)域大小等于25個鏡。

將運行中控制與設置控制分開的操作可通過創(chuàng)建重復的高頻率控制幀實現(xiàn)。設置階段和運行中階段的光電二極管及其接收器收集的數(shù)據(jù)，實際上就是表示鏡位置的模擬信號。該位置通過比較光電二極管的模擬信號而確定。只要在奈奎斯特定理下當前最高模擬頻率小于采樣頻率的二分之一，即可在不損耗帶寬的情況下，對模擬信號進行明確采樣。

一示例中，設置新連接的時期與維持運行中連接的時期交替。圖12示出了運行中采樣時隙272，之后是初始設置采樣時隙274。這兩個時隙具有時長276，其可等于10-20微秒，重復率為50-100kHz。運行中的鏡的控制光束與被設置鏡的控制光束在交替的時期被點亮。當存在運行中的控制光，且運行中控制電路對其相關鏡進行優(yōu)化時，被設置的鏡的控制光載波中沒有控制光，因此不產(chǎn)生干擾。運行中控制電路被激活以控制運行中控制光束被點亮期間運行中的鏡，但鏡之后被鎖定5-10微秒，且其光電二極管及接收器被再次使用，作為設置光束著屏位置檢測器的柵格。在運行中控制光束未被點亮的階段，初始設置的鏡的控制光束被點亮，且被設置的鏡將該光束投射在不確定性區(qū)域內(nèi)的某個位置。不確定性區(qū)域中其他鏡的被再次使用的控制器的柵格協(xié)調(diào)光束的著屏位置，且該著屏位置被饋送給被設置的鏡的控制器。在該周期隨后的期間內(nèi)，當運行中的鏡被點亮時，被設置的鏡的控制器計算校正向量，并對鏡施加校正電壓。所述鏡移動所需時間較長。之后，重復該過程，以確定當初始設置過程結(jié)束時，所述鏡的對齊程度是否允許局部設置。因此，運行中的鏡以及初始設置的鏡具有連續(xù)控制。

關于使用不同時隙的更多細節(jié)，2014年9月24日提交的申請?zhí)枮?4/495,475、題目為“微機電系統(tǒng)光子交換機的裝置和方法”的美國專利申請已有所公開，該申請通過引用納入本文。

圖13示出了MEMS系統(tǒng)的控制系統(tǒng)440，該系統(tǒng)具有擴展的控制光束，并在其MEMS鏡陣列上具有填隙光電二極管?？墒褂镁哂蠱EMS鏡陣列的相似的控制系統(tǒng)，該MEMS鏡陣列在其MEMS鏡的表面具有光電二極管。MEMS鏡模塊443含有準直器陣列444、鏡陣列446、鏡陣列448以及準直器陣列450。

連接控制序列處理器466接收連接請求。初始啟動點塊468為鏡進行連接提供初始啟動角度。初始角度可基于MEMS陣列和鏡腔布置的幾何表示方式。例如，輸入和輸出端口到MEMS鏡行和列的映射用于基于幾何結(jié)構確定角度。另一示例中，初始啟動點塊468還可包括角位移相對所需x軸和y軸驅(qū)動電壓的映射，其基于對陣列中若干鏡的測量，并且可從通用平均值表或從特定于相關陣列的表中獲得?？商娲兀俏灰频挠成錇閷⑺璩跏肩R角度轉(zhuǎn)變?yōu)樗璩跏简?qū)動電壓的較為復雜的函數(shù)。

初始計算的驅(qū)動電壓值被傳送給分別與鏡陣列446和鏡陣列448相關的微控制器486和310。雖然為清楚起見，將微控制器486和310描述為每個鏡陣列一個微控制器，但其可處理多組鏡或鏡陣列，并相互通信以更好地利用自身容量。微控制器486和310將驅(qū)動值分別饋送給驅(qū)動鏡陣列446和448的鏡陣列驅(qū)動器470和472。

與此同時，連接控制序列處理器466將被設置的端口號以通信方式告知控制通道光載波發(fā)生器456和458，其中控制通道光載波發(fā)生器456和458接收指令以阻礙光控制通道被設置。該操作的目的是，控制通道載波不會在不確定性區(qū)域內(nèi)通往其初始設置位置的路徑上濺越到其他鏡的光電二極管上。輸出光沿光纖452和454分別傳輸至準直器陣列444和450。一段期間，例如大約1毫秒后，不確定性區(qū)域內(nèi)的某個位置建立初始指向，控制通道光載波發(fā)生器456和458接通光控制通道。

控制幀主計時塊460通過提供信號協(xié)調(diào)計時，其中該信號用于指示系統(tǒng)處于初始設置模式或運行中/維護模式。柵極462和464使該信號反向。

光電二極管的光響應由接收塊474和488接收。

當執(zhí)行初始對準時，在不確定性區(qū)域內(nèi)選擇信號塊476和490在不確定性區(qū)域內(nèi)選擇光電二極管，并將這些信號分別傳遞給所接收功率的分析器480和494。但是，當執(zhí)行運行中連接維護和優(yōu)化時，從目標鏡選擇信號塊478和492從與維持對準的鏡相關的光電二極管選擇信號，并將這些值傳遞給所接收功率的分析器480和494。

當設置新的光束時，采用設置光束位置塊482和496。但當對運行中的鏡進行維護時，采用運行中鏡優(yōu)化塊484和498。

一實施例中，控制MEMS光子交換機，該光子交換機的鏡陣列集成有光電二極管。光電二極管檢測由相對基板的第一鏡陣列反射的光束的光束著屏位置。實時高速控制基于使用光束位置偏差、速度以及加速分析來提供光束軌跡預測，從而對光電二極管信號進行分析而實現(xiàn)。這通過動態(tài)控制鏡的角度位置，從而以不會觸發(fā)鏡諧振的速度、依高度可控方式移動所述鏡，有利于使用控制光束軌跡校正?？刂乒馐跏蓟诿つ砍跏加嬎闳肷渲敛淮_定性區(qū)域——該處控制光束被點亮，并對其實際入射位置進行測量。其后，光束被移動至大致與目標鏡對準，從而使被控制的鏡持續(xù)沿襲越來越精準的軌跡，將控制光束帶到目標位置。

通過在可控的較短時間內(nèi)施加高驅(qū)動電壓，使所述鏡快速移動。這稱為一個脈沖。隨后當鏡接近其目標角度時，在相對驅(qū)動板上施加可控脈沖，使鏡的速度減為零，使鏡在準確的最終指向角度時動能為零?？稍谥箘踊驕p速過程的最終階段施加實時閉環(huán)控制，以減小可能觸發(fā)機械諧振的位置偏差或殘余速度。

基于光電二極管的閉環(huán)方法可通過檢測產(chǎn)生的光束移動的起點來檢測響應于振動事件的鏡的啟動?？商峁╈o電驅(qū)動反饋，以通過使用激活的快速實時控制，減少或防止鏡偏離其目標光位置的擾動，從而減弱并補償?shù)竭_所述鏡的振動產(chǎn)生的影響，其中所述擾動是由靜電裝置施加相反力以及產(chǎn)生的加速而生成振動輸入帶來的結(jié)果。

3D-MEMS鏡，如MEMS鏡結(jié)構110被用作光束引導交換機。這樣一來，所述鏡可在兩條軸線上指向精確的角度。鏡可由安裝在樞接裝置上且在兩條軸線上可控的鏡組成。例如，可使用MEMS鏡結(jié)構110所示的使用折疊式硅扭桿彈簧的雙軸常平架裝置。通過在該鏡下放置一套象限電極并對這些電極施加電壓，所述鏡可在通常限定的角度范圍內(nèi)進行指向。在通電電極板與所述鏡之間產(chǎn)生的處于地電勢的電場在鏡上產(chǎn)生引力。對電極施加的不同驅(qū)動使鏡對抗彈簧扭矩力產(chǎn)生角位移，其中該彈簧扭矩力試圖使鏡保持在常平架的平面上。因此，質(zhì)量雖小但卻確定不為零的鏡構成簧載質(zhì)量系統(tǒng)。尤其是，當彈簧不具有非常高的衰減系數(shù)時，鏡和彈簧呈現(xiàn)機械諧振。通過像在MEMS光子交換機100中那樣，建立兩個二維鏡陣列，將這些鏡應用在3D MEMS交換機中。

所述鏡可在每條軸線上偏轉(zhuǎn)大約等于正5度或負5度的角度。也就是說，偏轉(zhuǎn)角度為鏡偏轉(zhuǎn)角度兩倍的光束可偏轉(zhuǎn)正10或負10度。由于鏡放置在平面陣列中，且行和列邊緣的鏡使光束指向相對陣列中的所有鏡——包括該陣列中的較遠邊緣的鏡，邊緣鏡的有效偏轉(zhuǎn)范圍只有總范圍的一半。這就將相對陣列的大小限制在邊緣鏡處光束偏轉(zhuǎn)可能點亮的范圍，即0到10度或0到負10度，而邊緣鏡偏轉(zhuǎn)的其他方向偏離目標指空。也就是說，雖然中央鏡可被偏轉(zhuǎn)正5或負5度，實現(xiàn)正10或負10度的光束偏轉(zhuǎn)，但由于較大的偏轉(zhuǎn)會使指向偏離相對陣列，其有效偏轉(zhuǎn)角度只有大約正2.5或負2.5度，實現(xiàn)正5或負5度的光束偏轉(zhuǎn)。

因此，決定交換機端口計數(shù)的每個陣列中鏡單元的數(shù)量由相對陣列中所有鏡的點亮錐形確定。其橫截面積隨距離而增加。因此，可使用具有更多MEMS鏡的更大的鏡陣列，但鏡陣列的間距應增大。對于間距為3毫米的鏡，直徑為1毫米、最大偏轉(zhuǎn)為正5或負5度的兩個100鏡陣列的間距為大約153毫米，而具有相同鏡幾何尺寸的兩個400鏡陣列的間距為上述數(shù)值的大約兩倍，即大約306毫米。兩個1000鏡陣列的間距應大于上述第一個間距的三倍，即大約435毫米。

為使交換機準確運行，來自一個陣列上合適鏡的光束應完全對準，使其點亮相對鏡上目標鏡的中心位置，實現(xiàn)零偏差。圖14示出了鏡陣列間距為153mm時各種對準偏差下目標鏡的光束放置?？刂剖?34和業(yè)務束斑136相對于目標鏡132的偏差是1.5mm，即偏差為0.55°。另外，控制束斑140和業(yè)務束斑142相對于目標鏡138的偏差是0.9mm，即偏差0.34°。偏差為0.9mm時業(yè)務光束不會點亮目標鏡。當不使用擴展控制光束時，控制光束也會完全脫離該鏡?？刂剖?46和業(yè)務束斑148相對于目標鏡144的偏差是0.4mm，即0.15°的偏差。0.4mm的偏差會使業(yè)務光功率損失一半。業(yè)務束斑174和控制束斑172與目標鏡170對準。對MEMS鏡的控制需要非常高的精確度。

圖15示出了MEMS鏡的等效簧載質(zhì)量。鏡182在一條軸線上具有鏡板的質(zhì)量，在另一軸線上具有鏡和常平架的質(zhì)量。四個彈簧或常平架，即彈簧186、188、190和192支撐鏡182。當施加靜電力時，該鏡的最終位置位于靜載荷184下方。當施加階躍電壓時，會在電極和鏡間的間隙中產(chǎn)生階躍電場，使鏡受到與電場和電極面積成比例的階躍引力。鏡質(zhì)量使鏡以一定的加速度加速。當鏡加速時，其獲得動能。當鏡朝目標位置移動時，由于電場因電極與鏡之間間隙對鏡的牽引(pulling)減小而稍有增強，該鏡持續(xù)加速。然而，由于彈簧反向壓力以更高速率增加，加速率減小。彈簧作用力持續(xù)力圖使鏡回到初始平面。因此，當鏡達到其目標角位移時，由于鏡和電極之間的靜電吸引產(chǎn)生的作用力被彈簧的反向壓力抵消，鏡的加速度減為零。然而，即使加速度減小到零，鏡仍有相當大的旋轉(zhuǎn)速度，進而有大的動能，因此所述鏡繼續(xù)移動。鏡因彈簧反向壓力而減速，該彈簧反向壓力增加時鏡角度增加，且彈簧反向壓力增加的速率大于電場增加的速率。

圖16示出了作為簧載質(zhì)量的鏡位置對所施加力——如來自對鏡下的電極施加電壓產(chǎn)生的電場——的突然階躍做出響應的曲線圖。曲線202示出了施加的靜電力，曲線204示出了鏡的位置。當施加靜電力時有顯著的波動(ringing)，直至鏡在靜載荷作用下到達其最終位置。當移除靜電力時，會再次產(chǎn)生波動。

圖17示出了鏡位置和驅(qū)動電壓的另一曲線圖。曲線212示出了施加的驅(qū)動電壓，曲線214示出了鏡位置。區(qū)域220中，當彈簧力增大以對抗靜電點時，鏡的加速度減小，速度增大。點218為零加速點，此處具有最大速度和最大動能。區(qū)域216中，當彈簧力大于靜電力時，鏡的減速速率增大，速度反向增加。過沖(overshoot)持續(xù)增加，直至移動產(chǎn)生的鏡的全部動能轉(zhuǎn)化為彈簧勢能。該點處，鏡停止移動，但彈簧的張力不能被電場全部抵消，其原因是鏡的偏轉(zhuǎn)角度超過彈簧壓力被電場抵消的目標位置。其后通過使鏡朝向目標位置反向加速，彈簧釋放其多余勢能。然而，一旦鏡到達目標位置時彈簧將多余的勢能釋放，被釋放的勢能便全部轉(zhuǎn)化為動能。同樣地，當達到最大速度時，鏡穿過目標位置，產(chǎn)生下沖(undershoot)。多余勢能為鏡靜止于驅(qū)動電壓設定的目標角度時，超出彈簧反向壓力所產(chǎn)生勢能的那部分勢能。在具有確定的質(zhì)量因數(shù)Q且衰減系數(shù)為零的完全無損的系統(tǒng)中，過程將一直持續(xù)。然而，在實際的系統(tǒng)中，摩擦力或阻尼力使該能量耗散于多次振蕩。因此，鏡動能與彈簧勢能相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的諧振逐漸消失。

Q被定義為每個周期內(nèi)，諧振器中存儲的能量與發(fā)生器提供的能量的比值，以將信號振幅常數(shù)保持在諧振頻率f_r。所存儲的能量不隨時間變化。Q被定義為：

衰減系數(shù)為：

耗散因素可包括鏡周圍的空氣，非理想彈簧系統(tǒng)或非理想彈簧材料中的彈簧損耗，以及當鏡移動時鏡-電極電容量變化產(chǎn)生的靜電阻尼。由于鏡很小且移動量也很小，速度也不高，空氣阻尼可能很小。彈簧損耗與彈簧設計的性質(zhì)、所選彈簧材料、以及該材料是否呈現(xiàn)理想的無損彈性特征有關。當彈簧為扭應力作用下的硅時，其不提供較高阻尼?？赏ㄟ^利用電容的變化移除系統(tǒng)的能量，以靜電方式實現(xiàn)部分阻尼。然而，這會使驅(qū)動電壓僅發(fā)生緩慢的漸變，其有效防止系統(tǒng)中積累過多能量，但導致切換時間顯著增加。

鏡移動受到的阻尼力較小。因此，諧振持續(xù)數(shù)個周期。圖18示出了Q因數(shù)為個位數(shù)的示例鏡在x和y軸上發(fā)生鏡傾斜的曲線。曲線262示出了x軸上的鏡位置，曲線264示出了y軸上的鏡位置。兩條軸線上的諧振頻率不同。這可能是因為兩條軸線上的彈簧常數(shù)不匹配或簧載質(zhì)量不匹配。一條軸線上，簧載質(zhì)量為鏡質(zhì)量，而在另一軸線上，簧載質(zhì)量為鏡、彈簧以及承載鏡的常平架環(huán)的質(zhì)量。因此，對于相似的彈簧常數(shù)，諧振頻率差別較大。

當鏡系統(tǒng)受到振動脈沖作用時，其作為簧載質(zhì)量，按照簧載質(zhì)量數(shù)學計量乘以特定脈沖數(shù)學計量的方式移動。圖19A-B示出了簧載質(zhì)量響應于脈沖的動作。圖19A示出了時域中的響應，圖19B示出了頻域內(nèi)的響應。

圖19A中，曲線282對應于曲線284對應于曲線286對應于曲線288對應于曲線290對應于響應隨變化較大。對于Q值高值低的彈簧，脈沖導致在移動的位置周圍產(chǎn)生隨時間變化的正弦波運動，作為特征諧振頻率。正弦波波峰之間的距離為位移的兩倍。當增大而Q減小，正弦波振蕩隨時間變得逐漸加快。衰減時間常數(shù)由Q決定，Q越小衰減越快。當時，正弦波特征大幅減弱，響應變成朝向大約20％過沖的快速移動，之后在阻尼作用下，靜止于最終位置。當大約大于1時，系統(tǒng)顯示不存在過沖，只有對輸入偏轉(zhuǎn)的受阻而緩慢的響應。

圖19B示出了簧載質(zhì)量系統(tǒng)對機械輸入，如振動事件，或?qū)εc頻率呈函數(shù)關系的靜電力產(chǎn)生的機械力的響應。圖19B中，曲線294示出了諧振頻率，曲線296示出了對應的包絡，曲線298為最大曲線，曲線300對應曲線302對應曲線304對應曲線306對應曲線308對應曲線340對應曲線342對應曲線344對應曲線346對應包絡為：

其中ω_A為輸入頻率，ω_o為自然頻率(諧振頻率f_r)。最大曲線由下式給出：

響應與高度相關。該頻率下的傳遞率或輸入移動量——其反映在低頻時簧載質(zhì)量為1的移動上，在高Q時的諧振頻率下增加至較高的值，而在低Q時的諧振頻率下其幅值減小。當為大約0.1-0.3時，響應表現(xiàn)為諧振處的傳遞率增加至大約1.5-5，之后當輸入頻率增加超出諧振時，響應于高頻輸入而單調(diào)減小。

圖20示出了對數(shù)尺度下傳遞率與頻率之間的關系。曲線352示出了曲線354示出了曲線356示出了曲線358示出了諧振點(以頻率比為1標準化)以上響應單調(diào)滾降。通常諧振頻率(f＝1)為幾百赫茲或幾千赫茲，通常遠小于10kHz。

當使用集成光電二極管使鏡在設置過程中初始移動時，通過計算需要施加的從鏡先前的止動位置偏轉(zhuǎn)的角度確定鏡的位置，在X軸和Y軸上獲得新的偏轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)偏轉(zhuǎn)電壓，并施加這些電壓，使鏡將光束偏轉(zhuǎn)到不確定性區(qū)域中。當鏡使其光束指向不確定性區(qū)域內(nèi)，進而大概指向目標鏡的大致方向時，計算光束相對該目標的位置偏差，以及光束的校正向量，從而計算鏡的指向角度。根據(jù)兩條軸線上指向角度與驅(qū)動電壓特征的相對關系，計算新的或修正的電極驅(qū)動電壓集合。如果精確執(zhí)行了這些過程中的一個或兩個過程，則施加所述新的驅(qū)動電壓使鏡指向目標鏡的中心。如果在計算或測量過程中，或鏡指向角度與電壓驅(qū)動特征的相對關系中存在偏差，光束最終位置的指向距離目標鏡會近得多，但不會直接指向該鏡。迭代過程可使光束指向的對準度更高。

如果突然施加變化的驅(qū)動電壓，電壓波形包含頻率分量，該頻率分量在鏡-彈簧子系統(tǒng)的諧振頻率處具有能量，導致放大的鏡位置響應，產(chǎn)生過沖和阻尼振蕩波動。驅(qū)動電壓電平變化后，直到該變化消失才到達最終響應鏡位置，該過程可能需要5-10個或更多振蕩周期，極大延長了止動時間。例如，500Hz諧振時止動可能需要10毫秒或更長時間。

一種方案是從驅(qū)動波形中消除與鏡機械諧振頻率重合或相近的頻率。這就導致較慢的上升時間波形，除非上升時間非常長，還保留部分殘余波動和過沖。圖21示出了鏡位置對多種驅(qū)動電壓邊緣波形的響應。當施加曲線412的電壓時，響應為曲線414，當施加曲線418的電壓時，響應為曲線420，當施加曲線422的電壓時，響應為曲線424，當施加曲線430的電壓時，響應為曲線432。早期的鏡移動落后于波形斜坡，但鏡持續(xù)加速，最大速度點在階躍值波形的預期偏轉(zhuǎn)處出現(xiàn)。階躍電壓下的過沖較為顯著。對于速度更慢的波形，最大速度點的位置在預期偏轉(zhuǎn)中的百分數(shù)更低。箭頭表示最高速度點，此處加速的方向反轉(zhuǎn)。這些點之后，彈簧力超過仍在變化的靜電力，引起減速。由于該過程發(fā)生時預期偏轉(zhuǎn)的比例較低，只能用于邊緣驅(qū)動，導致輸入鏡以觸發(fā)機械簧載質(zhì)量諧振的多余動能較少。由于鏡在實現(xiàn)滿振幅之前停止加速，導致動能較小而彈簧對鏡的止動作用更大，隨上升時間的增加，較慢驅(qū)動邊緣的過沖減小。在一臨界上升時間處，加速度值變化經(jīng)過零點的鏡動能峰值等于最終偏轉(zhuǎn)處存儲的勢能。該過程為在不引起諧振的情況下，使用簡單單極性驅(qū)動信號能實現(xiàn)的最快傾斜。當鏡實現(xiàn)100％偏轉(zhuǎn)時，大部分這種能量可被消除。然而，這種方法實施較慢。例如，對于1,000Hz的諧振鏡，鏡移動需要大約3-5ms。

圖21所示的動作發(fā)生的原因是，要使鏡短時間內(nèi)從其初始位置移動至最終位置，要將速度，即動能輸入鏡-彈簧系統(tǒng)，并在鏡再次靜止之前，將動能從系統(tǒng)移除。使用快速上升時間驅(qū)動波形產(chǎn)生高速度和大動能，而由于彈簧阻尼作用，該動能的耗散需要時間。具有較長上升時間的驅(qū)動波形使鏡獲得較小的速度和動能，其進而需要在鏡遵循緩慢驅(qū)動波形的最后部分時對抗上升的彈簧張力而消散，其中電壓隨時間的變化率降低。

圖22示出了對MEMS系統(tǒng)進行操作時，圖21中過沖及諧振波動的影響。圖22示出了圖21的波形和鏡響應與偏轉(zhuǎn)角度對于鏡上的業(yè)務光束損失以及填隙光電二極管上的控制損失的容差疊加。線604標示目標鏡周圍的填隙光電二極管上的控制光束開始損失，線602顯示一旦光束移動至高于或低于各條線之間的區(qū)域，鏡的業(yè)務光束便開始損失。線606示出了零誤差操作位置。圖22的下部示出了鏡光電二極管和填隙光電二極管被點亮的情形。對于鏡位置415，曲線628示出了填隙光電二極管被點亮的情形，曲線636示出了鏡光電二極管被點亮的情形。對于曲線420所示的鏡位置隨時間的變化情況，曲線630示出了鏡光電二極管被點亮的情形，曲線638示出了鏡光電二極管被點亮的情形。對于曲線424所示的鏡位置隨時間的變化情況，曲線632示出了填隙光電二極管被點亮的情形，曲線640示出了鏡光電二極管被點亮的情形。對于曲線430所示的鏡位置隨時間的變化情況，曲線634示出了填隙光電二極管被點亮的情形，曲線642示出了鏡光電二極管被點亮的情形。諧振的大小足以使在延長的期間內(nèi)，只有光束振蕩時，光電二極管才被點亮。該期間內(nèi)，光束還擾亂鄰近的鏡控制系統(tǒng)。當500Hz諧振下產(chǎn)生大約4-5ms的足夠緩慢的邊緣波形時，光束移動但無過沖，使切換連接時間大幅增長。

突降(snap-down)對靜電偏轉(zhuǎn)MEMS鏡單元來說可能是個問題。驅(qū)動電壓和鏡位置高于一定值時，由于鏡的偏轉(zhuǎn)逐漸增加，即使驅(qū)動電壓為常數(shù)，鏡上靜電力的增加速率也大于彈簧反向壓力的增加速率。該點處，靜電力克服彈簧壓力，鏡戛然止于終止位置，引起突降。突降引起鏡的控制損失。另外，突降可能破壞或毀壞鏡或其常平架。突降產(chǎn)生的原因是：驅(qū)動電壓使鏡偏轉(zhuǎn)至鏡間閉合間隙快速減小的位置，導致由于鏡上的力與電場成正比，電場隨偏轉(zhuǎn)角度的增長速度比保持鏡位置的彈簧張力的增長速度更快。電場等于勢能差值(驅(qū)動電壓)除以間隙距離。當間隙距離減小為零時，電場無限大。如果通過機械過沖使鏡到達大于預期偏轉(zhuǎn)的位置，產(chǎn)生的電場增加，鏡可能突降。因此，若鏡被快速波形驅(qū)動，則可能產(chǎn)生過沖，該過沖的幅度不能達到該驅(qū)動電壓的突降角度，或者鏡位置控制會有所損失。由于在高度無阻尼鏡系統(tǒng)中，過沖可能超過100％，最大預期偏轉(zhuǎn)可能被限制為突降角度的50％，如果鏡可被偏轉(zhuǎn)到恰好低于突降角度，則通過允許偏轉(zhuǎn)的圓錐角將面積減小至該可能值的大約25％。對于緩慢的波形，在達到大約突降角度的80-90％后，很難進一步接近，其原因是伴隨驅(qū)動電壓變化的鏡移動變得極端化，影響控制系統(tǒng)回路增益。

為改善切換時間并防止突降，可對動態(tài)鏡移動進行更好的控制。可測量鏡位置，確定鏡徑向速度和加速度，使位置、速度和加速度隨細小的時間粒度實時變化。該數(shù)據(jù)可用于控制鏡，使其在到達目標位置的途中實現(xiàn)較高速度，為控制光束生成通向目標鏡的快速路徑。然而，當控制光束靠近目標鏡時，可主動使其減速，使其不再是最大速度，而是減速，在目標角度實現(xiàn)速度為零。因此，光束可在到達目標鏡時不具有多余動能。一示例中，該過程通過利用靜電止動的驅(qū)動波形整形實現(xiàn)。另一示例中，該過程通過對驅(qū)動信號進行實時控制實現(xiàn)。驅(qū)動信號的實時控制可基于對鏡位置、與目標之間的距離、速度和加速度的動態(tài)或?qū)崟r測量，并使用鏡動態(tài)機械性質(zhì)模型?？蓪@兩種方法進行組合。

圖23示出了包含直徑為1mm的MEMS鏡362的MEMS鏡結(jié)構360。左側(cè)具有間隙364，即大約0.006～0.10mm的間隙。右側(cè)具有間隙366，即大約0.06～0.10mm的間隙。鏡邊緣的傾斜度為五度，并進一步背離電極367移動大約0.0087mm。因此，在既定電壓下，受到引力作用的鏡邊緣的場強增大14.5％，導致偏轉(zhuǎn)靈敏度升高大約小于14.5％。由于該值為具有不均勻間隙的電場元件面積x力矩(moment)的積分(integral)，其實際值取決于電極形狀，進而取決于決定跨鏡半徑的引力的電場。當鏡邊緣的場強降低大約12.6％時，可用于使鏡減速的電極368的靈敏度略有下降。

對合適的偏轉(zhuǎn)電極施加電壓時產(chǎn)生的靜電力使電極從零偏轉(zhuǎn)開始加速。該電壓生成與電壓與間隙的商值成比例的電場，其產(chǎn)生與電場和電極面積成比例的引力?；陔姌O區(qū)與鏡中心或軸心線間的距離，靜電力對鏡產(chǎn)生轉(zhuǎn)動量。因此，鏡上的轉(zhuǎn)動量是電場力乘以區(qū)域面積乘以該區(qū)域動量的積分。引力與電場成比例，并對抗扭矩彈簧張力。既定電壓下，當偏轉(zhuǎn)角度增加時，間隙減小，使電場增大。因此，當偏轉(zhuǎn)增加時，鏡變得對驅(qū)動電壓更敏感。

為使鏡朝向較低偏轉(zhuǎn)加速或減速，可使用兩種力，即隨偏轉(zhuǎn)線性增大的名義扭矩彈簧張力，以及電壓驅(qū)動相對電極產(chǎn)生的靜電力。驅(qū)動相對電極產(chǎn)生與電壓和間隙的商值成比例的電場。所述引力與電場乘以區(qū)域面積乘以動量的積分成比例。靜電力與彈簧張力協(xié)同作用。當偏轉(zhuǎn)角度增加時，間隙增大。因此，當鏡偏轉(zhuǎn)增加時，被靜電力減速的鏡變得對驅(qū)動電壓變化不那么敏感。

不論鏡是否被靜電加速或減速，施加的驅(qū)動電壓均產(chǎn)生力，所產(chǎn)生的力產(chǎn)生加速度。通過在一段時間內(nèi)施加電壓對加速度進行積分產(chǎn)生速度變化，對該速度進行積分產(chǎn)生位置變化。光電二極管對光束的位置進行即時檢測。對隨時間變化的位置求導產(chǎn)生速度，對隨時間變化的速度求導產(chǎn)生加速度。

當目標角度的彈簧張力需要多余的勢能時，前向驅(qū)動脈沖可用于對鏡提供動能。其后，當鏡在靜電止動作用下靠近目標位置時，能量被移除。這可能導致在不發(fā)生諧振的情況下，進行快速切換。

可改變驅(qū)動波形以向鏡系統(tǒng)提供更多能量。之后在合適的時刻，主動從鏡系統(tǒng)中移除該能量。確定目標鏡的位置，并計算偏轉(zhuǎn)角度向量。之后將向量角度映射至最終驅(qū)動電壓。然而，并不立即將該電壓施加給電極。而是在短期內(nèi)，將計算得到的更大的電壓施加給所述電極。通過輸入鏡的動能和鏡的移動距離確定上述期間和/或電壓，其是鏡當前位置和最終目標位置的函數(shù)。電極上這些驅(qū)動信號的電場對鏡產(chǎn)生力的脈沖，使鏡迅速加速并沿期望的方向移動。計算該脈沖的大小，其等于時間與電壓的乘積，因此將鏡加速至大于所需的速度，以驅(qū)動鏡對抗前述增大的彈簧張力達到目標指向角度，使光束傳播通過目標位置。當鏡朝向目標角度移動時，會因增加的彈簧反向壓力而減速。為防止當靠近目標位置時，鏡速度過快導致過沖和振蕩，對相對電極施加第二脈沖。該第二脈沖消除了動能，因此鏡由于增加的彈簧反向壓力及與其協(xié)同組合的作用在鏡另一側(cè)的電場而減速。當鏡恰好到達目標角度且光束到達其目標位置時，可使鏡止動。此時鏡靜止，對其施加計算得出的維持驅(qū)動電壓，由于彈簧反向壓力與鏡上的靜電力匹配，該鏡保持靜止狀態(tài)。若在準確的角度止動，鏡不會有多余的動能，從而不會觸發(fā)與彈簧的機械諧振。如果通過計算得到準確的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)驅(qū)動電壓，則由于靜態(tài)驅(qū)動電壓產(chǎn)生的電場力與偏轉(zhuǎn)角度處的靜態(tài)彈簧張力達到平衡，鏡在準確的指向角度保持止動狀態(tài)。

圖24示出了驅(qū)動波形、產(chǎn)生的鏡移動、以及對加速脈沖和隨后的減速脈沖做出響應的示例。當施加具有尖銳邊緣波形940的最終驅(qū)動電壓時，鏡沿上述曲線942振蕩?？商娲?，可使用加速脈沖和減速脈沖驅(qū)動鏡。波形944為最終偏轉(zhuǎn)的加速電壓脈沖，并將波形946施加在相對板上用于止動。在初始加速持續(xù)時間941內(nèi)施加波形944。曲線948示出了具有精確止動的響應，曲線950示出了止動不足時的響應，曲線952示出了過量止動時的響應。在施加加速電壓和止動電壓之間的期間內(nèi)，滑移943會持續(xù)一段時間，鏡滑向最終位置，在彈簧壓力下減速。當滑移期間消除時最快切換發(fā)生，且加速和減速時間延長。雖然施加了止動電壓，減速945仍會持續(xù)一段時間。由于對于所施加的電壓而言，較大的電極-鏡間隙降低了減速度，施加減速電壓的時間可比施加加速電壓的時間長?？商娲?，當鏡的減速電極側(cè)的鏡-電極間隙較大時，減速電壓高于加速電壓。當止動完成時，施加驅(qū)動電壓，以實現(xiàn)準確的鏡角度。鏡到達其最終位置時速度為零，從而其動能為零。

通過施加過驅(qū)動電極電壓對鏡進行強加速，產(chǎn)生強電場。一定時間后，移除電極電壓。此時，即使彈簧反向壓力對速度產(chǎn)生反向作用，且彈簧反向壓力隨偏轉(zhuǎn)角度的增大而增加，鏡的速度也已超過其所需滑移超過其所需操作角度的速度。在合適的時刻，在預定持續(xù)時間內(nèi)對鏡對側(cè)的電極施加較高的驅(qū)動電壓，使鏡進一步減速。如果準確選擇反向驅(qū)動的大小、時刻及持續(xù)時間，則鏡減速使得在到達所需操作角度時速度減為零。施加計算得到的靜態(tài)驅(qū)動電壓，以將鏡保持在位置上而不波動，因為鏡的速度為零，加速度為零，且其相對于最終位置的位移偏差為零。然而，如果鏡的止動位置未達到該點或超過該點，則引發(fā)振幅與偏差成比例(且相對于驅(qū)動波形940相當小)的諧振。

由于鏡的角度有偏移，鏡與相對或止動電極之間的間隙增加而非減小，因此就止動力而言，即使施加較大的驅(qū)動電壓，其影響也有所限制。該影響下的振幅取決于鏡-電極的幾何結(jié)構和作為偏轉(zhuǎn)角度函數(shù)的鏡-電極間隙的變化。在MEMS鏡結(jié)構360中，該影響遠小于27％的峰峰靈敏度變化。其取決于具體的電極形狀，并與鏡中心至電極間隙的距離高度相關。然而，加速時，電場止動的止動力與彈簧張力協(xié)同作用，而非受到彈簧張力的反作用。靜電止動產(chǎn)生影響的大小可遠小于靜電加速。靜電加速提供的動能足以使鏡移動至準確的止動位置，此處其變成動能加一定大小的多余動能，而靜電止動只需移除多余動能使鏡靜止即可。

要避免過量止動或止動不足，對上述時刻的容差和精確度要求較高。脈沖電平或時刻的偏差可能導致鏡相對于目標位置偏向準確位置左側(cè)，該情形變成阻尼諧振鏡移動，該移動與階躍電壓下的移動相比，其振幅較小或小得多?；蛘?，鏡還可剩余某種程度的殘余運動，導致角度偏差，該偏差在鏡回到由驅(qū)動電壓確定的位置時消除。

在實時控制系統(tǒng)的一個實施例中，對鏡位置、速度以及加速度進行持續(xù)測量和推導。進行計算，以確定是否向鏡系統(tǒng)提供能量或從該鏡系統(tǒng)提取能量，從而使鏡快速移動并在其位于目標位置時速度為零。該計算可使用鏡控制系統(tǒng)內(nèi)置的鏡動力軟件模型進行。可快速準確地計算能量輸入、鏡移動或能量提取以及鏡移動，并對驅(qū)動電壓適當調(diào)整。

在兩個示例中，動能被從系統(tǒng)中移除。一示例中，當鏡偏轉(zhuǎn)角度增加時，鏡動能轉(zhuǎn)化為扭矩彈簧勢能。一旦鏡穩(wěn)定于其最終止動點，扭矩彈簧便存儲一定勢能。然而，彈簧可吸收一定勢能，該勢能大小由不會引發(fā)諧振反應的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)角度和彈簧反向壓力的積分表示。另一示例中，使用鏡對側(cè)的電極板作為靜電止動器。然而，由于鏡相對其靠近一側(cè)的間隙減小，產(chǎn)生較強電場，而相對電極板的間隙較大且呈增加趨勢，其需較高的驅(qū)動電壓以產(chǎn)生同樣的電場和止動力。因此，可使用更高的電壓和/或更長的止動時長，實現(xiàn)靜電止動時同樣大小的速度變化。

當鏡在最終指向角度止動時，鏡上彈簧張力反向壓力產(chǎn)生的力等于鏡上鏡與電極之間靜電場產(chǎn)生的力。鏡系統(tǒng)中的能量以勢能的形式存儲在鏡系統(tǒng)的彈簧中，且鏡相對于周圍環(huán)境靜止。

由于鏡在常平架彈簧上彈性安裝，通過使鏡相對于周圍環(huán)境移動，振動脈沖將多余能量引入系統(tǒng)。由于常平架彈簧具有彈性，鏡不隨周圍環(huán)境移動，而是可相對周圍環(huán)境以不同方式移動，在常平架和鏡指向方向之間改變鏡位置。存在機械脈沖時，鏡-彈簧系統(tǒng)充當簧載質(zhì)量。振動甚至可以具有一定范圍的振幅和方向。該事件可包括線性和旋轉(zhuǎn)分量。鏡可將線性振動脈沖轉(zhuǎn)化為鏡的旋轉(zhuǎn)運動，例如，如果鏡的質(zhì)量中心不在扭矩彈簧的平面上。振動事件可使鏡相對于鏡的周圍環(huán)境做不同的移動，該移動取決于振動脈沖事件的性質(zhì)和方向。該事件結(jié)束后，鏡可相對于周圍環(huán)境保持某種程度的持續(xù)移動并且可處于與振動事件之前相比不同的位置。因此，能量被輸入鏡質(zhì)量并被其獲取。該能量連同鏡移動和位置偏差一起，可從系統(tǒng)中移除，使鏡再次靜止。

振動脈沖引發(fā)鏡進行機械諧振或諧振。諧振可能有很多種。一種諧振是簧載質(zhì)量對抗豎直常平架的彈簧扭矩力做旋轉(zhuǎn)諧振，即在X平面內(nèi)作旋轉(zhuǎn)移動。另外，還有簧載質(zhì)量對抗水平常平架的彈簧扭矩力做旋轉(zhuǎn)諧振，該諧振為Y平面的旋轉(zhuǎn)移動。這些諧振中的一種包括常平架環(huán)，另一諧振則不包括。另一種諧振為在與零驅(qū)動鏡表面平面的常平架平面正交的Z平面內(nèi)，鏡的運動對抗常平架環(huán)。這會使Z平面位移與常平架彈簧的平面保持力操作相反。另外一種諧振是在與零驅(qū)動鏡表面平面的常平架平面正交的Z平面內(nèi)，鏡-常平架環(huán)的組合的運動對抗周圍環(huán)境，使Z平面位移與常平架彈簧的平面保持力操作相反。

旋轉(zhuǎn)移動造成鏡指向偏差。當諧振事件結(jié)束時，鏡可再次對準，或可不對準。這種偏移造成的偏差的原因可能是脈沖性質(zhì)或鏡/電極系統(tǒng)本身。鏡與電極之間的電場與距離不呈線性關系，從而鏡與電極之間的力與距離不呈線性關系。因此，在電極驅(qū)動電壓保持不變的振動響應周期內(nèi)，當諧振使鏡-電極間隙減小時，鏡上將鏡拉向電極的靜電力增加，該增加量大于當諧振使間隙增大相同的值時，鏡上將鏡拉向電極的靜電力的減小量。因此，振動事件產(chǎn)生的諧振使電極-鏡靜電力在時間上的積分在諧振持續(xù)的時間內(nèi)略有增加，導致相對于該事件之前，在鏡偏轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生額外的鏡指向位移。隨后由于彈簧張力大于靜電力，該位移會在鏡回到其平衡位置時逐漸消失。

一實施例中，振動事件引起的旋轉(zhuǎn)影響被最小化。對鏡系統(tǒng)的振動事件及其干擾進行初始檢測。其后，確定振動事件的影響，該影響以測量的影響光束位置的鏡位移和移動表示。接著，計算以位置、速度和加速度表示的鏡的即時偏差?；阽R偏差，計算使鏡回到止動狀態(tài)和準確指向角度的實時校正，并進行校正操作。確定校正操作的有效性。以高速率重復該過程，直至鏡在準確位置止動。振動脈沖事件開始后，立即快速持續(xù)地實施這些步驟可大大降低脈沖的影響，該影響體現(xiàn)在鏡移動量和從系統(tǒng)中移除殘余影響的速度和效率兩個方面。

一實施例使用具有集成光電二極管的MEMS鏡陣列。光電二極管可填隙式放置在鏡之間和/或集成在鏡上?？墒褂脭U展控制光束，有利于控制光束在光電二極管上著屏。

圖25示出了控制系統(tǒng)和鏡的快速閉環(huán)動態(tài)控制的光電二極管陣列的一個實施例。光電二極管陣列684包含鏡686和光電二極管688，其光電二極管的配置可如圖4A-E、圖10、圖11A-C所示，或配置成其他形式。業(yè)務光束690和控制光束692穿過鏡陣列傳播?？刂乒馐c亮一些光電二極管，使得光束的位置被檢測。通過比較光電二極管接收的功率，可基于三個或更多個光電二極管檢測的功率，確定控制光束的中心位置P(t)，并可使用精細的時間粒度確定P(t)。通過比較具有較短時間間隔τ的連續(xù)樣本中所測光束的位置，可確定光束的平均向量速度V(t)。時間粒度為τ時，所測速度的平均時間延遲為τ/2。延遲τ可以是，例如，大約0.5-20μs，其時間更短，并由于測量的變化更小，實現(xiàn)了更好的系統(tǒng)時間分辨率，但其速度和加速度計算時的偏差較大。其后，可對連續(xù)的速度進行比較，以確定加速度A(t)，從而實時確定位置、速度以及加速度。根據(jù)這些位置、速度和加速度值，可確定光束路徑。例如，路徑698將光束導向遠離目標鏡702的停留點707。當如圖25所示，投射的路徑不經(jīng)過目標鏡時，確定目標鏡702上具有停留點704的校正的路徑，即路徑700。大概計算對軌跡的校正，并建立近似期望加速度和/或速度，使軌跡變得更接近目標鏡或以近似為零的速度經(jīng)過目標鏡?？苫谙惹坝嬎愕慕Y(jié)果，迭代進行該計算和校正。新軌跡無需很精確，且由于可進行其他類似迭代，只要偏差被減小，該新軌跡最后便會在目標鏡上收斂。只要大致降低偏差容限，多個周期后，偏差容限就會降至極低。例如，如果每周期內(nèi)將軌跡偏差平均減小30％，在20個測量周期后，偏差為初始偏差的0.08％。

MEMS模塊650包含與鏡陣列654耦合的準直器陣列652，鏡陣列654與耦合至準直器陣列658的鏡陣列656相對。在設置過程的早期，由于控制光束不在不確定性區(qū)域內(nèi)，未啟用主動控制。業(yè)務光束通過準直器陣列652的準直器進入，并被鏡陣列654的鏡朝向鏡陣列656反射。計算或查找初始鏡指向坐標、驅(qū)動電壓、所需加速脈沖以及名義止動輸入。這可基于整個裝置幾何結(jié)構需要的鏡偏轉(zhuǎn)角度。施加加速脈沖，并當來自移動MEMS鏡的業(yè)務光束(以及實際控制光束)靠近目標鏡時，施加減速脈沖。當光束進入不確定性區(qū)域時，控制光束被點亮，確定動態(tài)實時光束位置?？稍谶M入不確定性區(qū)域之前或之后施加減速脈沖?？稍谌魏螘r間點亮業(yè)務光束，但該光束的波長可能不會使控制光電二極管做出響應，而該業(yè)務光束在通向目標鏡的路徑上，確實會“濺射”到其他鏡上，這些鏡的定向使其與各自的輸出耦合的幾率極低(對于業(yè)務中的鏡為零)。

當接通控制光束時，鏡陣列656的光電二極管的響應被接收光信號塊660接收。光電二極管響應被從接收光信號塊660發(fā)送至選擇器662或選擇器664。選擇器662選擇不確定性區(qū)域中的光電二極管，而選擇器664選擇與目標鏡相關的光電二極管。當光束早期進入不確定性區(qū)域時，使用選擇器662，最終對準時使用選擇器664。

光束中心計算塊666對所選的光電二極管信號進行分析。光束中心計算塊666確定哪些光電二極管位置正在接收光束能量?；谒邮盏哪芰浚_定隨時間變化的光束中心位置。

圖26示出了基于光電二極管的響應，確定控制光束的中心。在鏡陣列727中，光電二極管717、719、721和723檢測來自控制光束692的接收的光功率，該控制光束692的強度已知，且為與光束中心之間距離的函數(shù)(如截斷高斯函數(shù))。光束中心與光電二極管719間的距離為距離711，與光電二極管723間的距離為距離701，與光電二極管719間的距離為距離701，與光電二極管716間的距離為距離729。兩個光電二極管可確定光束中心的兩個不同的候選位置。然而當使用第三個光電二極管時，光束中心可唯一確定，例如，圖26中，光束中心位于位置725，即四個光電二極管的弧線的交叉點。

光束中心計算塊666中確定的光束中心位置被置于移位寄存器670內(nèi)。來自同時發(fā)生的其他設置的、進而被測定的其他光束的位置也被置于移位寄存器668中。采樣時鐘生成器668以τ時間為移位寄存器670設定時鐘，其可在50kHz和2MHz之間，分別與τ＝20μs和τ＝0.5μs對應。每個τ時間內(nèi)，當新值輸入時，移位寄存器670將輸入值沿其棧區(qū)向下降低一階。其后從相鄰的棧級讀出當前和之前的光束向量位置值，并使用計算塊672對其進行比較。兩個位置值之間的差值表示光束在τ時間內(nèi)傳播的向量距離。將該值除以τ得到作為時間函數(shù)的向量速度。該值還可被存儲和轉(zhuǎn)移(shifted)。對相鄰樣本對的速度向量值進行比較提供每個τ時間內(nèi)的速度變化，得到加速度值。因此，使用大小為τ的粒度可得到位置、速度和加速度的向量值。

在確定速度和加速度的過程中，較小測量偏差或噪聲的影響逐漸增大?？蓪铀俣群退俣冗M行噪聲過濾。例如，使用5μs的粒度可得到位置，使用10μs的粒度可得到速度，使用40μs的粒度可得到加速度?？商娲?，對速度和加速度進行加權平均。

其后，計算塊678基于相對于目標鏡的位置、速度向量以及加速度向量，計算當前光路的前向軌跡。使用位置圖674得到光電二極管和鏡的位置。由于加速度是當前靜電電壓驅(qū)動的函數(shù)，可假設靜電驅(qū)動產(chǎn)生的加速分量大致為常數(shù)，但其包括當偏轉(zhuǎn)角度變化時，與角度呈函數(shù)關系的變化的彈簧張力產(chǎn)生的額外的加速分量。該加速分量值和其參數(shù)使用鏡行為模型676而得出。

計算塊678使用輸入系數(shù)計算當前投射的路徑軌跡，確定通向目標鏡的期望的路徑軌跡，并計算加速向量的近似值，以將軌跡校正為期望的軌跡。還可計算使減速驅(qū)動持續(xù)需要的時間。

上述結(jié)果被傳輸給電極波形生成器680，其對電極止動進行調(diào)制，以改變鏡的加速度。電極波形生成器680為數(shù)-模(digital to analog,D/A)轉(zhuǎn)換器。

其后，鏡驅(qū)動器682驅(qū)動鏡陣列654的鏡。

每經(jīng)τ時間，便對該過程進行重新計算和更改。該過程每經(jīng)τ時間重復一次，直至鏡在目標鏡處達到靜止。

圖27示出了使用階躍函數(shù)最終值驅(qū)動以及主動加速和減速的響應和驅(qū)動波形，其中在減速時使用閉環(huán)控制。線554示出了期望的鏡偏移位置。當使用階躍函數(shù)最終值驅(qū)動時，驅(qū)動電壓556示出了施加驅(qū)動電壓時的驅(qū)動電壓，曲線546示出了施加驅(qū)動電壓556時的響應。曲線548示出了施加加速和減速時不使用主動閉環(huán)止動的響應，使位置或速度的殘余偏差較小，曲線550示出了使用主動閉環(huán)止動的響應。

使用主動減速和閉環(huán)控制時，計算并施加初始加速，其中驅(qū)動波形542具有持續(xù)時間552。而施加驅(qū)動波形542時，鏡因增大的驅(qū)動電壓而快速加速。還對使鏡停止的初始減速電壓進行計算。具有持續(xù)時間558的驅(qū)動波形544示出了減速波形。當加速電壓被關閉時，鏡在施加減速電壓之前進行滑移?？商娲?，在減速電壓后立即施加減速電壓。在施加減速電壓之時或之前，光束進入不確定性區(qū)域并被點亮。在圖27中，當開啟減速電壓時，光束被點亮。當開啟控制光束時，其被光電二極管檢測，且其位置、速度和加速度被確定。其后，控制環(huán)路調(diào)制止動電壓，對減速進行校正，以使鏡沿期望的軌跡偏轉(zhuǎn)。雖然圖27示出了單組波形，但該過程實際發(fā)生在兩條正交的軸線(X-軸線，Y-軸線)上。時鐘信號560描述控制采樣，且可以是50kHz或更高。當鏡到達其目標位置時，施加驅(qū)動電壓564，即靜態(tài)驅(qū)動電壓。

當不使用主動控制時，鏡可以在相對于目標位置稍有偏移的點減速至零，或僅減速至大約為零。這觸發(fā)小幅鏡諧振，如曲線548所示。

若所計算的靜態(tài)鏡電壓偏差較小，則鏡以緩慢的加速度開始移動。當在控制系統(tǒng)作用下開始位置漂移，并對靜態(tài)驅(qū)動電壓校正時，可對此進行檢測，通常在檢測到該漂移時的一到三個τ時段內(nèi)進行檢測。

對于具有500Hz諧振的鏡，鏡的設置和優(yōu)化可在大約1.2ms內(nèi)完成。對于具有1kHz諧振的鏡，鏡的設置時間可為大約0.6ms。

圖28示出了執(zhí)行閉環(huán)減速的方法的流程圖731。開始時，步驟733中接收輸入的交換機連接請求。其指示一個鏡陣列上的鏡將要連接至相對鏡陣列中的鏡。

接著，步驟738中，確定所連接的鏡的x和y物理坐標。該坐標可以，例如，從連接請求獲取，或基于各個鏡陣列基板的鏡幾何結(jié)構和鏡腔的幾何結(jié)構而計算得出。

步驟736中確定指向角度。一示例中，在查詢表中查找指向角度?？商娲?，基于鏡陣列的幾何結(jié)構計算指向角度。

其后，基于步驟736中確定的指向角度，以及存儲的基于設計參數(shù)或由各個樣本測試確定的已知靜態(tài)偏轉(zhuǎn)角度與MEMS鏡驅(qū)動電壓的關系，確定驅(qū)動值。根據(jù)期望角度、已知鏡的角度慣性力矩以及鏡驅(qū)動靈敏度確定加速脈沖驅(qū)動的電壓和持續(xù)時間。另外，雖然一旦鏡受到閉環(huán)控制作用，減速電壓的啟動時間、持續(xù)時間以及電壓隨后在過程中便會發(fā)生改變，仍對上述參數(shù)進行確定。另外，確定保持鏡指向角度的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)驅(qū)動電壓。這些值根據(jù)鏡特征而確定。同時還確定光束進入不確定性區(qū)域并被點亮的時間。

在步驟742中將步驟740中得到的具有所述電壓和持續(xù)時間的加速脈沖施加給電極。

其后在步驟744中，在步驟740確定的時間施加減速電壓。

與此同時，在步驟738中，確定目標鏡的不確定性區(qū)域中的鏡。該過程基于目標鏡的位置以及不確定性區(qū)域的大小而進行。不確定性區(qū)域即光束初始著屏的區(qū)域。

步驟750中，將步驟738中確定的不確定性區(qū)域中的運行中鏡的相對鏡鎖定。

光束進入不確定性區(qū)域后，在步驟752中選擇不確定性區(qū)域中的光電二極管。

同樣地，在步驟754中，控制光束被點亮。例如，對調(diào)制器施加信號以點亮控制光束?？商娲兀せ钐幱诳刂撇ㄩL的光源，如豎直腔表面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)。

步驟746中，確定控制光束的位置。基于不確定性區(qū)域中光電二極管的響應對控制光束的位置進行檢測。可基于三個或更多個點亮的光電二極管的響應，對位置進行三角測量，從而可確定控制光束的中心。

基于當前和之前的光束位置，確定控制光束的速度。該速度為光束位置的位置差除以樣本間的時間。其后，基于當前速度和先前速度的差值與時間步長的商，確定控制光束的加速度。

圖29示出了控制系統(tǒng)790，即一個示例控制系統(tǒng)，其使用基于脈沖的鏡驅(qū)動進行實時動態(tài)的鏡控制，實施流程圖731所示的方法?？刂葡到y(tǒng)790使用脈沖驅(qū)動和止動，使鏡快速移動而不會引發(fā)機械諧振。另外，控制系統(tǒng)790對檢測光束位置、速度和加速度產(chǎn)生的鏡的位置、速度和加速度使用實時監(jiān)測。所檢測的光束位置、速度和加速度來自寬帶光電二極管輸出信號，其速率例如為50kHz～2MHz，對應于20μs～0.5μs。通過測量不確定性區(qū)域內(nèi)被點亮的控制光束的路線并對其軌跡進行校正的過程，校正MEMS鏡系統(tǒng)容差導致的光束軌跡偏差，以及計算得到的源于這些容差的脈沖大小偏差。

采樣時鐘生成器850為具有相等時間間隔的重復率光束位置數(shù)據(jù)樣本產(chǎn)生時序，通過在位置、速度和加速度塊832和852中比較相鄰樣本，所述數(shù)據(jù)樣本進而被轉(zhuǎn)換為光束位置、速度和加速度向量值。該位置、速度和加速度信息被傳輸給校正塊816和858，校正塊816和858計算將要施加的路線校正，使光束軌跡更加貼近地穿過目標鏡，且光束速度在穿過鏡交叉點時更接近于零。校正塊816和858可為硬件狀態(tài)的機器。這些塊確定控制光束的當前未來路徑，以及當速度達到零時使路徑穿過目標位置的校正。由于以較高速率對上述參數(shù)進行迭代重復，只要每次迭代減小路徑和殘余速度偏差，該計算就不需要非常準確。

當連接控制序列處理器466接收連接請求，例如輸入端口-輸出端口請求時，其確定與鏡陣列446和鏡陣列448上的哪個(些)行和列連接，以將入射光束偏轉(zhuǎn)至相對鏡的中心。其后，連接控制序列處理器466為這些鏡建立合適的初始靜態(tài)驅(qū)動電壓，以在理論上保持準確的靜態(tài)指向角度，從而將來自各個準直器的入射控制光束反射至相對目標鏡。目標鏡周圍的、初始計算的光束在控制光束點亮點后可能著屏的區(qū)域即為不確定性區(qū)域，其產(chǎn)生的原因是計算過程中的容差以及鏡偏轉(zhuǎn)靈敏度的變化。一旦通過施加所計算的加速度——可選的，還有減速波形——使鏡移動的距離足夠遠，以使光束處于不確定性區(qū)域中，控制光束被點亮，對光束位置進行測量，同時計算并施加校正向量，其中光束在到達其目標之前不會停止。一示例中，使用預先測量的查詢表建立初始光束指向和產(chǎn)生的不確定性區(qū)域。另一示例中，使用算法逼近。

當使用算法逼近時，通過根據(jù)鏡腔的幾何結(jié)構計算X和Y平面內(nèi)的鏡指向角度，連接控制序列處理器794計算合適的驅(qū)動電壓。其后，根據(jù)鏡單元的平均驅(qū)動電壓/偏轉(zhuǎn)特征，連接控制序列處理器794計算所需的驅(qū)動電壓。

初始啟動點塊792還可計算所需的初始驅(qū)動脈沖幅值和持續(xù)時間。當將被指向坐標X、Y處的相對鏡時，鏡移動通過的指向角度變化可以根據(jù)系統(tǒng)幾何結(jié)構而計算得出。施加所計算的向量角度變化以對抗增大的彈簧力，其中彈簧力會將勢能輸入彈簧(即常平架)。這可根據(jù)角度變化和彈簧力而計算。若將相同大小的動能輸入鏡，則鏡會在正確的偏轉(zhuǎn)點停止。若計算的靜態(tài)驅(qū)動電壓被正確計算且立即施加，則鏡會保持靜止。施加驅(qū)動脈沖為鏡提供動能，使其足以到達其目標位置，另外，一半或一半以上的動能可通過止動移除。一半的動能提供處理系統(tǒng)容差的最大能力，其可能需要主動減少或主動增大靜電止動電平或持續(xù)時間，以得到最大的容差裕量。當不需要系統(tǒng)容差時，向加速脈沖添加更大的能量值，產(chǎn)生更高的鏡速度和更短的切換時間，并通過靜電止動移除更多能量。合適的加速和減速脈沖為所需的指向角度及多個從特定MEMS設計已知的鏡/鏡驅(qū)動常數(shù)的因數(shù)?？梢栽诔跏紗狱c塊792中計算脈沖。

將驅(qū)動電壓施加給新目標光路徑中兩個鏡的合適的加速電極，其方式是通過在限定的較短時間內(nèi)使電極電壓快速增加到高驅(qū)動電壓——其中X，Y平面電極的驅(qū)動電壓可能不同，以產(chǎn)生所需的角度向量，或可替代地，X，Y平面電極的驅(qū)動電壓可能相同，此時所述高驅(qū)動電壓不相同，以產(chǎn)生所需的角度向量。在經(jīng)過由初始啟動點塊792計算的合適的時間后，將加速脈沖移除，其中該時間被下載到實時電極波形生成器814和860。不論是緊隨加速脈沖被移除后，還是該脈沖移除后較短的預定時間后——該期間鏡動量使鏡在彈簧反向壓力作用下以減小的速度朝向目標角度滑移，使用計算得出的具有計算的電平和持續(xù)時間的定時止動脈沖激活對側(cè)電極。在由不確定性區(qū)域的大小決定的某點施加該止動脈沖，控制系統(tǒng)假設鏡使虛擬(未點亮)控制光束指向不確定性區(qū)域內(nèi)。在該點，控制光束被點亮，啟動主動動態(tài)鏡控制。該操作使用實時光束動態(tài)檢測和動態(tài)鏡控制，改變或更改了止動脈沖的電壓電平和持續(xù)時間，以使鏡逐漸在目標位置停止，并實現(xiàn)速度和位置偏差均為零。因此，避免觸發(fā)鏡諧振，或盡量減小鏡諧振，同時主動使光束和鏡指向偏轉(zhuǎn)，以與不確定性區(qū)域中心的目標對準。當鏡停止時，止動脈沖快速減小，且將靜態(tài)角度保持電壓施加給前向偏轉(zhuǎn)電極，使鏡保持在靜態(tài)偏轉(zhuǎn)角度。

來自鏡陣列448和鏡陣列446的光電二極管的光信號分別被接收塊474和接收塊488接收。接收塊474和488可以是對入射的信號做出電響應的光電二極管的電子放大器。對來自接收塊474和488的所需的輸出信號進行選擇。不確定性區(qū)域塊478和490對不確定性區(qū)域中的初始光電二極管進行選擇，目標鏡塊478和492對與目標鏡相關的光電二極管進行選擇。不確定性區(qū)域可包括鏡周圍的光電二極管，例如，在距離目標兩到四倍鏡間距范圍內(nèi)的光電二極管，其取決于初始指向計算的精度、鏡陣列的大小、陣列間光路長度、以及控制光束激活點處光束速度的容差。所選的光電二極管實時在不確定性區(qū)域中定位實際光束的著屏點。當三個或更多個光電二極管被點亮時，確定光束位置，并可對其使用三角測量法以確定精確的光束著屏點。初始對準期間，可將與不確定性區(qū)域內(nèi)的鏡相對的鏡鎖定?？商娲?，使用不同的控制時隙。

設置過程開始時，由于沒有驅(qū)動電壓，鏡處于已知的靜止位置?？商娲?，如果鏡從先前設置的連接開始移動，則其從已知位置和已知驅(qū)動電壓集合開始移動。在任一示例中，開始移動的條件均為已知。計算初始大致的角度偏轉(zhuǎn)，使鏡指向反射光束著屏的點，該點位于目標鏡上環(huán)繞目標光束位置的不確定性區(qū)域內(nèi)。該操作有利于計算X，Y指向向量或指向向量的改變，其可被映射至使鏡保持在所需指向角度的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動電壓集合，還可被映射至所產(chǎn)生的一定大小的勢能，該指向角度下該勢能被存儲在常平架彈簧中?；谒璧钠D(zhuǎn)角度，以及由此存儲在常平架彈簧中的勢能，初始啟動點塊792選擇兩種脈沖電平。一個值用于將鏡加速到大于到達合適的初始計算光束指向角度所需的角速度，其中脈沖的能量大于需要輸入至彈簧的勢能。由于第二脈沖被施加在相對板上，且第二脈沖的大小可在鏡靠近其目標位置時大致移除鏡的所有多余動能，第二脈沖借此消除角速度，因此該鏡在達到大致靜止的狀態(tài)時，其反射光束到達目標位置。如果該過程得以準確執(zhí)行，鏡不具有多余動能，也無位置偏差(勢能偏差)，不能引發(fā)彈簧-質(zhì)量動能/勢能諧振。

容差和偏差的產(chǎn)生有若干因素，包括一批圓片(wafer batch)上單獨的鏡的偏轉(zhuǎn)靈敏度的多變性，以及常平架的硅扭矩彈簧的彈簧常數(shù)，因此鏡可能不會完全止動。然而，實現(xiàn)大致的最終位置要快得多。另外，諧振振幅會大幅減弱。諧振為對所計算的電平偏差的響應，而不是對整個階躍變化的響應。

閉環(huán)減速可防止這種波動。當鏡移動接近最終指向角度時，控制光束會進入不確定性區(qū)域。此時，控制光束被輸入光信號模塊810和864開啟。接收功率比較器828和846以及光束中心計算塊830和848使用來自不確定性區(qū)域塊478和490和光電二極管的信號、來自光電二極管和鏡位置塊838的鏡位置，進行快速重復的光束強度測量，有利于使移動光束的中心作為時間函數(shù)而確定。如果可根據(jù)所選的控制幀速率，每隔大約2-50μs得到一個光束中心位置，則以準實時方式建立束斑的位置可以比MEMS機械諧振的速率快得多。若已知連續(xù)測量之間的光束位置差值，則可以每2-50μs計算一次光束的速度，以及鏡的角速度，其平均延遲為1-25μs。在不同的時間，如相鄰兩次確定光束速度之間，比較光束的速度，可以計算光束加速度，從而計算鏡的加速度。該加速度通過下列方式計算：將來自光束中心計算塊830和848的結(jié)果輸入移位寄存器834和854、寬短寄存器，所述寄存器可包含多個同步鏡設置過程的結(jié)果。其后，時鐘生成器850為移位寄存器834和854設定時鐘，每個采樣期間一個階躍，其決定計算器的時間粒度。移位寄存器834和854的第一級首先保存當前捕獲位置的實際最新的光束位置，第二級保存每個光束的當前位置樣本，第三級保存再之前的樣本等。由于速度為向量位置的變化與時間變化(一個樣本的期間)的商，通過將當前的位置樣本與之前的位置樣本進行比較，可確定光束速度。之后存儲該速度。在下一個樣本期間，根據(jù)新的位置樣本計算速度，該位置樣本與之前位置樣本的差值給出了一個樣本期間后新的速度。相鄰速度樣本之間的變化提供了加速度的度量。對X和Y兩條軸線進行數(shù)據(jù)存儲和計算。

使用光電二極管和相關的控制塊對光束位置、速度和加速度進行連續(xù)監(jiān)測意味著，一旦光束射入不確定性區(qū)域時控制光束點亮被激活，便使用光電二極管響應對光束位置進行實時追蹤。并將其光束動態(tài)與施加兩個脈沖產(chǎn)生的投射即時光束動態(tài)進行比較。

上述期間還施加減速脈沖。其后將實際光束動態(tài)與投射的光束動態(tài)比較產(chǎn)生的偏差分量用于計算對減速脈沖的最終階段作出的任何校正。例如，如果實際光束速度需要額外的向量減速，則將減速脈沖再多保持幾微秒，或者，當向量減速量較小時，減小減速脈沖。如果應改變加速度值，則可增大或減小電壓。改變電壓導致加速度發(fā)生改變，而在給定電壓/加速度下改變時間會使整個速度變化發(fā)生改變。因此，當偏差分析表示為向量加速變化和鏡的殘余速度時，其映射到校正該加速度的新的電壓電平，且該電壓下新的持續(xù)時間消除了殘余速度，使鏡在不確定性區(qū)域中心的目標處停止。因此，通過快速迭代閉環(huán)向量校正，實現(xiàn)了相對最佳目標對準調(diào)整的連續(xù)過程。

當移除減速電壓時，施加穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)電極驅(qū)動電壓。鏡保持止動狀態(tài)。如果鏡不完全處于目標位置，則其會以較低加速度再次移動。這種移動的啟動可以被快速檢測，例如在移動開始后的10-50μs內(nèi)。基于速度和加速度的計算，可對驅(qū)動電壓進行校正。

在500Hz諧振下快速移動鏡所需的一個示例性時間預計為1153微秒。計算角度和驅(qū)動電壓大約需3微秒。對鏡施加脈沖可能需要大約450微秒。另外，在光束一經(jīng)進入不確定性區(qū)域即被點亮之前，減速脈沖可能需要150微秒。減速最后階段的主動控制、匹配初始鏡位置以及施加穩(wěn)定驅(qū)動電壓可能需要大約550微秒。由于設置的速度大體由與諧振頻率相關的鏡質(zhì)量的移動速率確定，在高于700Hz諧振下的鏡可具有小于1毫秒的設置時間，在2kHz諧振下的鏡的設置時間可能為300-500μs，以不超出最大驅(qū)動電壓。

當該過程完成時，鏡指向角度可使控制光束著屏到不確定性區(qū)域中心的目標上，實現(xiàn)靜止而不發(fā)生諧振。

當鏡位置偏差較小，且速度接近為零時，光束著屏位置通過將目標鏡周圍的光電二極管響應映射到光束截面強度而精確確定。其后，可將不確定性區(qū)域中剩余的光電二極管解除。如有必要，則可基于與目標鏡相關的光電二極管，計算任何較小的最終校正向量，使光束與目標鏡的中心完全對準。

此時，將與不確定性區(qū)域內(nèi)的鏡相對的其他鏡解鎖，并使用接收功率比較器828和846檢查來自與目標鏡相關的光電二極管的光電二極管響應。這些光電二極管被目標光電二極管塊476和492選擇。計算精細的校正向量。該精細校正向量對光束在目標鏡上的中心入射進行校正。當光束入射在目標鏡中心時，光電二極管被同等點亮。在實時振動控制下，響應被持續(xù)監(jiān)測，環(huán)繞鏡/鏡上的光電二極管的讀數(shù)變化可用于產(chǎn)生準實時驅(qū)動，以消除任何振動引起的鏡位移。

整個鏡設置可使用單個鏡角加速度和單個閉環(huán)控制的減速度實現(xiàn)。如果改變連接，而非在原先沒有連接的位置啟動連接，則鏡從止動的靜止狀態(tài)開始移動，或從止動的已知指向狀態(tài)開始移動。計算進入目標周圍的不確定性區(qū)域中的鏡盲向量，關閉控制光束以避免控制光束濺射到不確定性區(qū)域外其他鏡的光電二極管，計算并施加合適的驅(qū)動脈沖，使鏡旋轉(zhuǎn)加速，并對經(jīng)過相對MEMS鏡陣列表面的虛擬光束指向進行加速。計算并施加第二或反向止動脈沖。其后在其投射點激活控制光束，使光束射入不確定性區(qū)域，該過程通常發(fā)生在減速過程中。此時，控制光束在不確定性區(qū)域內(nèi)的某處被點亮，且其光束著屏點發(fā)生移動。不確定性區(qū)域內(nèi)被點亮的光電二極管實時測定束斑強度。其位置、速度和加速度可根據(jù)一次、兩次和三次連續(xù)測量分別確定。計算指向目標鏡所需的向量，計算并施加所需的向量變化以改變鏡軌跡，這導致光束軌跡更能夠使鏡在光束直接指向目標鏡的點處實現(xiàn)靜止狀態(tài)。持續(xù)進行測量和計算周期，直至鏡在準確的指向角度靜止，該指向角度通過使用控制光束對與目標鏡相關的光電二極管等同點亮而確定。

圖30示出了使用幀結(jié)構對控制系統(tǒng)施加動態(tài)鏡控制和基于脈沖的鏡驅(qū)動以設置MEMS鏡的控制系統(tǒng)870。連接請求由連接控制序列處理器466接收。連接控制序列處理器466確定將要連接的鏡的X和Y物理坐標以及這些鏡周圍的不確定性區(qū)域。初始啟動點塊468和連接控制序列處理器466確定近似穩(wěn)態(tài)偏置電壓，將鏡保持在合適的角度，使相對的鏡近似朝向彼此的光束。連接控制序列處理器466從初始啟動點塊468接收、或計算加速度脈沖的電壓電平和持續(xù)時間，以提供足夠大的向量加速，使鏡和光束帶著多余動能向目標對準投射。另外，確定減速脈沖的計時、電壓電平以及名義持續(xù)時間，使得可消除多余動能，并使鏡在大約朝向相對目標鏡的位置止動。鏡滑移和其虛擬光束進入不確定性區(qū)域的名義時間用于使：當虛擬光束穿過目標鏡周圍的不確定性區(qū)域之外的目標MEMS陣列區(qū)域時，使控制光束關閉；但在進入不確定性區(qū)域后使控制光束馬上被點亮，以避免與其他不確定性區(qū)域發(fā)生干擾，與此同時使控制光束在不確定性區(qū)域內(nèi)可即時用于軌跡控制。

這些值由連接控制序列處理器466傳輸給微控制器486和310。為了清楚起見，圖30示出了每個鏡具有一個微控制器，但該微控制器均可控制多個鏡，從而減少所需微控制器的數(shù)量。微控制器可專用于MEMS陣列的鏡的一個或多個行或列。

微控制器486和310將控制光束設置為在控制幀的合適的時隙中被點亮。該操作通過下列方式實現(xiàn)：當虛擬光束將要落在目標鏡的不確定性區(qū)域以外時，微控制器486和310指示控制幀主計時塊876在鏡設置軌跡的那部分持續(xù)時間內(nèi)，消隱向所關聯(lián)的輸入端口入射的控制光束；并指示實時電極波形生成器814和860啟動X，Y脈沖電壓和持續(xù)時間，隨后在確定的初始電壓和名義持續(xù)時間在X和Y電極上進行減速脈沖的計時啟動；其后微控制器指示控制幀主計時塊460在虛擬光束進入目標鏡周圍的不確定性區(qū)域時，立刻激活控制幀中之前關閉的設置時隙，從而點亮控制通道。此時，控制幀主計時塊460點亮控制光束作為一個設置時隙。

當控制光束被點亮時，微控制器486和310將減速和正在進行的靜態(tài)站的控制移交給位置、速度和加速度塊816和858。位置、速度和加速度塊816和858已被饋送有目標鏡位置的參數(shù)，因此其可能已預先計算期望軌跡，使光束——由此使鏡——實現(xiàn)與目標對準的靜止狀態(tài)。參數(shù)來自鏡行為模型877和874。光電二極管位置來自光電二極管鏡位置圖872和878，其提供所有MEMS鏡和所有光電二極管的X，Y位置坐標。

被點亮的光束引發(fā)所選的不確定性區(qū)域內(nèi)部分光電二極管產(chǎn)生響應。使用接收功率比較器828和846在采樣時鐘周期對這些光電二極管的響應進行采樣、測量和分析。

接收功率比較器828和846確定哪些響應的測量接收功率足夠大從而具有相關性，并將其分別傳輸給光束中心計算塊830和848，該過程中當光束中心跨越相對MEMS基板的不確定性區(qū)域的表面時，光電二極管響應值數(shù)據(jù)流使用坐標的幾何結(jié)構，對作為時間函數(shù)的光束中心位置進行三角測量，產(chǎn)生移動光束中心的實時視圖。

這些結(jié)果被饋送至時間延遲移位寄存器834和854，因此可繼續(xù)從時間序列中獲取之前的樣本。通過對作為時間函數(shù)的光束位置差值進行比較，在位置、速度和加速度塊832和852中計算光束速度和光束加速度。這些結(jié)果以流的形式傳輸給軌跡校正塊816和858。

其后，位置、速度和加速度塊816和858基于投射軌跡，將測量的光束的位置、速度和加速度與預期的位置進行比較?；谲壽E的差值，計算新的軌跡，使光束止于目標位置。

除非脈沖電平的殘余偏差為零，如果軌跡路徑應向左或向右移動以與目標相交，則與初始計算的軌跡略有不同的新軌跡可被轉(zhuǎn)換為橫向于軌跡的加速度。如果計算值顯示投射的下沖——其中光束和鏡停止的位置未到達目標，校正可作為沿軌跡的額外加速度而施加。如果計算值指示過沖——其中光束經(jīng)過目標時速度不為零，并在越過目標的位置止動，則可施加沿路徑的額外減速度。

上述四個加速方案可使鏡精確偏轉(zhuǎn)以與目標對準。鑒于可頻繁確認軌跡，且可在到達終點前進行新的校正，偏差幅度由此減小，偏差校正可能為近似值。通過使用坐標再次映射，將所需軌跡加速度變化映射為X，Y加速度變化，之后將所需的X，Y加速度變化映射為X，Y或-X，-Y電極上的電壓變化，可將這些加速方案轉(zhuǎn)換為電極驅(qū)動電壓變化。軌跡校正塊816和858將這些新的電壓電平以流的形式傳輸給實時電極波形生成器814和860，后兩者將其施加于鏡陣列驅(qū)動器470和472。

該過程以迭代方式繼續(xù)，直至測量的軌跡攔截(intercept)目標，且光束以零速度在目標處停止。施加穩(wěn)態(tài)電壓，使鏡靜止不動。若這些穩(wěn)態(tài)電壓為準確值，則鏡在目標處保持不動。若其不準確，鏡開始緩慢滑移。這可作為由光電二極管檢測的微小功率失衡值而被快速檢測，后者可通過改變驅(qū)動電壓而校正。

振動或施加給MEMS系統(tǒng)的機械脈沖會影響鏡系統(tǒng)和鏡的定向。圖20示出了振動對MEMS系統(tǒng)的影響。由于鏡以及隨鏡一起的周圍環(huán)境，振幅適中的低頻率的振動可能不會造成問題。然而，振幅較大的振動輸入，特別是彈簧-質(zhì)量諧振區(qū)域內(nèi)的持續(xù)振動可能會造成嚴重問題。在鏡-常平架彈簧系統(tǒng)的簧載質(zhì)量諧振附近，由于簧載質(zhì)量諧振周圍的振動分量的擴大，鏡以較大振幅，相對于周圍環(huán)境做不同的移動。大于諧振頻率時，傳遞給鏡的振動減小。高頻下，在振動相位反向且其對鏡的作用反向之前，該振動不能使鏡大幅移動。

大于諧振頻率大約三到十倍時，傳遞性可能較小。因此，對于1kHz的諧振鏡而言，基于控制環(huán)路的振動方法應具有3-10kHz的帶寬，對1kHz的鏡需要6-20kHz的數(shù)字采樣速率。

振動可具有多種形式?？赡苡休^寬范圍的振動頻率，因此可形成例如穿透建筑物的繁忙街區(qū)式(street’s)業(yè)務。該業(yè)務具有頻帶受限的白噪聲頻譜。若其不是異常高的振幅，使用控制環(huán)路會減小上述振動的影響，減小因數(shù)為作為頻率函數(shù)的控制環(huán)路增益。

振動可持續(xù)發(fā)生或在包含一個頻率或較小頻帶的一段時間內(nèi)發(fā)生，如電動機上的不平衡飛輪。MEMS交換機鏡的開環(huán)響應取決于振動方向、振動振幅、以及振動頻率，其原因是所述因素均會影響振動能量與MEMS鏡和常平架的簧載質(zhì)量系統(tǒng)的耦合。接近諧振頻率的振動被MEMS諧振放大。如果振幅不大，在閉環(huán)控制的系統(tǒng)中，其振幅可被減小等于環(huán)路增益的減小因子。

施加獨立的或重復的機械脈沖時，可在設備下的底層頂板上使用錘鉆，或某個人使用小車影響設備支架。圖31示出了閉環(huán)控制之前鏡對振動脈沖的響應。

線882示出了靜態(tài)鏡位置。曲線888、890和892示出了機械脈沖的多個振幅被施加給MEMS交換機模塊。曲線898示出了鏡動態(tài)位置響應，曲線902示出了光束鏡點亮對曲線892的脈沖的響應，曲線894示出了鏡動態(tài)位置響應，曲線904示出了光束位置對曲線890的脈沖的響應，曲線896示出了鏡動態(tài)響應，曲線906示出了光束位置對曲線888的脈沖的響應。對于脈沖電平較低的曲線888，發(fā)生小幅鏡擾動和目標光束移動。由于任何方向上的鏡角位移使得之前適當對準的鏡發(fā)生目標點亮的減少，目標點亮的調(diào)制為諧振頻率的兩倍。若施加響應于基于光電二極管的光束位置檢測的寬帶閉環(huán)控制系統(tǒng)，則該鏡擾動會以與鏡過沖或偏移相似的方式檢測和校正，快速將偏差降為零。

較大脈沖，如曲線890所示的脈沖，產(chǎn)生大得多的諧振鏡反應，其在開環(huán)情況下當諧振因阻尼而緩慢減弱時，會對目標點亮造成較大影響。

非常大的機械沖擊脈沖，如曲線892所示的脈沖，產(chǎn)生較大鏡位移，使目標鏡周期性地不被點亮，并點亮其鄰近的鏡。這種情況下，在閉環(huán)系統(tǒng)中，通過恢復到使用不確定性區(qū)域內(nèi)的所有光電二極管來保持控制，其原因是被擾亂的光束會在緊密環(huán)繞鏡的光電二極管的局部區(qū)域之外移動。這就需要使用不確定性區(qū)域級別的光電二極管監(jiān)控，在某些情形下，當不使用控制幀避免鏡鎖定時，需要使用鏡鎖定。

對于這些振動機制，所述情形可通過施加寬帶閉環(huán)系統(tǒng)而改善，該寬帶閉環(huán)系統(tǒng)可快速檢測振動引發(fā)的光束開始偏離，確定由振動事件施加的加速度，并施加最大值為驅(qū)動電壓范圍內(nèi)的反加速，使鏡的偏移保持在局部目標鏡光電二極管的范圍內(nèi)。

鏡對振動的顯著響應產(chǎn)生光束位移，其可作為接收的功率的失衡而被光電二極管快速檢測，有利于做出校正響應，這類似于發(fā)生偏移或設置過程中的鏡的校正響應。也就是說，在一個至若干個采樣期間，快速確定鏡位置、速度和加速度，施加校正的加速度，使鏡返回其目標位置保持點。以與軌跡偏差控制相同的方式使用同樣的控制系統(tǒng)，但具有某些差別。

在采樣時鐘生成器的一個時鐘周期或一幀幀控制信號，即取決于控制幀速率，大約0.5～20微秒后，可檢測鏡光束著屏移動。由于鏡在前兩次測量中處于止動，可根據(jù)該位移確定初始速度和初始加速度?？捎嬎惴聪蚣铀俣仁圭R的移動反向，并可計算和施加軌跡，使鏡快速回到其初始位置并實現(xiàn)止動。對受擾鏡的校正在擾動開始后的1-30μs后擾動仍很小的時候初始施加。除非振動脈沖非常大，使加速度大于任何可在鏡驅(qū)動器的電壓限制內(nèi)施加的靜電加速度，否則對鏡位置進行快速校正。當振動較大時，在脈沖加速度減小之前，控制系統(tǒng)不能使加速度反向，但可降低其影響，防止發(fā)生大幅鏡位移，減小鏡峰值速度，使得當機械脈沖減小時，鏡快速回到正常位置保持點。

因此，對于較大的脈沖(機械沖擊)而言，由于對驅(qū)動電壓的限制有限，因此對靜電加速度的限制也有限，可在多個時鐘周期內(nèi)施加必要的最大校正加速度?？刂葡到y(tǒng)在鏡路徑中記錄過載偏差，直至機械脈沖力減小。其后，控制系統(tǒng)施加校正加速度，直至完成所需的鏡回程軌跡。如果鏡相對于其準確操作點(即其目標)發(fā)生大幅位移，該操作可包括使用加速脈沖和減速止動脈沖，使鏡盡量快速返回，并可涉及使用除緊密圍繞目標鏡的光電二極管之外的光電二極管，如發(fā)生最大振動或沖擊事件時，使用不確定性區(qū)域內(nèi)的光電二極管。對于程度較低的事件，該操作不是必需的，且該事件可使用目標鏡本地的光電二極管的測量進行處理。然而，該情形只適用于非常大的脈沖或大規(guī)模振動。對于一般程度的振動，不會耗盡控制的振動脈沖的影響降低的程度為控制環(huán)路增益的因數(shù)，使得該單元抗振性更強。

圖32示出了具有開環(huán)和閉環(huán)控制的對較大機械脈沖的響應。曲線922示出了輸入機械脈沖。線912示出了靜態(tài)鏡位置，曲線924示出了鏡點亮的靜態(tài)值。另外，曲線920示出了開環(huán)鏡位置，曲線926示出了開環(huán)控制的鏡點亮。曲線918示出了使用閉環(huán)控制時的鏡位置，曲線928示出了閉環(huán)控制的鏡點亮。曲線922示出了采用擴展坐標的采樣時鐘，例如50kHz。

在開環(huán)條件下，脈沖使鏡快速加速，如曲線920所示，將動能傳遞給鏡。從而鏡在機械脈沖加速期間獲得較大速度。當脈沖減弱時，加速度減小，但鏡在其動能作用下，進一步遠離目標，直至增加的彈簧張力通過將多余動能吸收為多余勢能，使鏡減速直至靜止。此時彈簧張力使鏡朝向目標直線反向加速，以零加速度但最大速度穿過該目標直線。系統(tǒng)經(jīng)受機械諧振，產(chǎn)生隨時間變化的位置諧振振蕩。這對穿過交換機的光路徑產(chǎn)生重大影響，演變?yōu)橐幌盗斜粩嚅_的連接產(chǎn)生的黑暗而隔開的閃光，直至鏡諧振在多個周期后減弱。

另一方面，對于閉環(huán)控制而言，一旦鏡開始在機械脈沖作用下以高加速度移動，該移動便在一到兩個采樣期間內(nèi)被檢測到，并測得加速度。此時控制系統(tǒng)施加反向加速度以減小鏡偏轉(zhuǎn)。當機械沖擊引發(fā)的加速度較大時，其可短暫超過最大靜電加速度，并且控制系統(tǒng)可進行施加，這取決于驅(qū)動電壓限制。此時，即使控制系統(tǒng)最大程度地減小機械加速度，雖然其值小得多，但加速離開目標的過程仍將繼續(xù)。加速值為機械脈沖引發(fā)的加速度與控制系統(tǒng)施加的最大止動加速值的差。該過程一直持續(xù)，直至當控制環(huán)路通過計算回程軌跡并控制鏡路徑靠近該軌跡，可使鏡返回速度大大加快而不發(fā)生諧振時，使機械加速值減小為止，其中鏡到達目標位置時速度為零。

圖33示出了控制MEMS鏡以響應于振動的方法的流程圖930。初始時，在步驟932中，檢測鏡的失準或移動。

步驟735中，當檢測到鏡的失準時，控制系統(tǒng)確定連接的鏡的X和Y物理坐標。

步驟736中，基于所連接的鏡的坐標，控制系統(tǒng)確定指向角度。一示例中，根據(jù)查詢表確定指向角度?？商娲?，計算指向角度。

同樣地，步驟738中，控制系統(tǒng)識別不確定性區(qū)域中的鏡。該操作基于目標鏡位置和不確定性區(qū)域的半徑而進行。

其后，步驟750中，選擇不確定性區(qū)域中的鏡。

步驟934中，控制系統(tǒng)檢測控制光束的受擾位置。該操作基于步驟932中對鏡失準的檢測而進行，并使用不確定性區(qū)域中的光電二極管，包括與目標鏡相關的光電二極管。

接著，在步驟748中計算速度和加速度向量?；谖恢米兓_定速度向量。其后，基于速度變化確定加速度向量。

塊758包含鏡動態(tài)模型，其基于僅存在扭矩彈簧力時的鏡質(zhì)量和加速度。

其后，步驟756中，計算近似的鏡路徑、近似的光束路徑、以及光束終點。該操作基于鏡動態(tài)、目標鏡位置、光束位置、光束速度、以及光束的加速度進行。鏡動態(tài)來自步驟758。

步驟760中，確定近似路線校正，使控制光束以零速度穿過目標。該操作基于步驟756中的近似光束路徑、步驟735中所連接的鏡的物理坐標、以及柵極780的信息實現(xiàn)。柵極780將來自步驟770的計算近似鏡光束路徑和終點的信息返回至步驟760中下一確定近似路線校正的周期的起點，以提供軌跡路徑的先前視圖，因此步驟760可產(chǎn)生所述校正。該校正為所需軌跡的當前視圖減去先前視圖。步驟778中的信號使柵極可將數(shù)據(jù)往回傳輸。禁用柵極會使過程停止?？商娲?，來自步驟782的饋送可用于停止該過程。

接著，步驟762中，確定對速度向量中的加速度向量的近似校正以及該加速度向量。該操作基于步驟760的近似路線校正進行。

其后，步驟764中，實施步驟762中的校正確定。該校正被施加為止動或前向驅(qū)動大小的變化。

步驟766中，為下一時間步再次確定光束位置。

步驟768確定光束是否射在與目標鏡相關的光電二極管上。若光束不在目標光電二極管上，則在步驟750中再次選擇不確定性區(qū)域內(nèi)的光電二極管。如果光束位于目標光電二極管上，則在步驟770中選擇目標鏡光電二極管。

步驟768中，再次確定光束向量速度和加速度向量。

其后，步驟770中，基于目標鏡的位置、控制光束的位置、控制光束的速度、控制光束的加速度以及鏡動態(tài)，計算近似鏡和光束路徑以及終點。該路徑被置于柵極780中。

接著，步驟772中，控制系統(tǒng)確定步驟770中新計算的向量是否攔截目標鏡。當新的向量未攔截目標鏡時，控制系統(tǒng)接著進行步驟778，重復該過程，并將信息置于柵極780中。若新的向量攔截目標鏡，步驟774中控制系統(tǒng)確定光束是否位于目標鏡處。若光束不位于目標鏡處，則控制系統(tǒng)重復步驟778中的過程。若光束位于目標鏡處，則步驟776中控制系統(tǒng)確定光束是否速度為零。若光束速度不為零，則在步驟778中重復該過程。若光束速度為零，則在步驟782中該過程終止。

圖34示出了一示例MEMS系統(tǒng)，即MEMS系統(tǒng)610，其包含使控制光光束射入MEMS系統(tǒng)610的準直器612?？刂乒夤馐荤R614(第一陣列中的一個鏡)反射至第二鏡陣列616。鏡陣列616包含集成光電二極管。鏡上入射光束的入射角為θ_coll+θ，其中θ_coll產(chǎn)生的原因是準直器被從常態(tài)向MEMS陣列表面偏移，以避免阻擋陣列間的光路，θ為MEMS鏡614被施加的偏轉(zhuǎn)角度。陣列間的光路長度L為鏡614與鏡陣列616之間的長度。鏡陣列616中鏡的列的間距為H，鏡的行的間距為V。當調(diào)整鏡614的角度時，束斑移動通過鏡陣列616的表面。鏡的角度移動引起兩倍的光束角度移動。鏡被作用方向與常平架彈簧設置相反的靜電偏轉(zhuǎn)力偏轉(zhuǎn)，其提供防止在平面外調(diào)整鏡的扭矩，表面上與x和y軸平面內(nèi)的θ分量θ_x，θ_y成正比。偏離的鏡止動角度由偏轉(zhuǎn)靜電力被扭矩彈簧的恢復力抵消的位置確定。

MEMS鏡結(jié)構360的詳細視圖由圖23示出。鏡362的直徑為D，面積為A。X軸和Y軸上的鏡移動組合提供任何方向上的移動。四個象限電極，即電極361、363、367和368分別通過施加電壓給合適的一個(或多個)電極，提供–Y、+Y、-X和+X方向上的偏轉(zhuǎn)。

施加給鏡的力為電壓和電極與鏡之間間隙距離、以及電極形狀和大小的函數(shù)。若四個電極使用相同模式的電壓進行驅(qū)動，其可用作單個環(huán)形電極。所述力由以下公式給出：

F＝((ε_o*A*V²)/(2*d²))*(1+(2*d/D))，

其中A為鏡的面積，d為鏡-電極間隙，D為鏡的直徑，V為對電極施加的電壓，o為自由空間的介電常數(shù)。

然而，該力作用穿過鏡中心，且由于沒有力矩臂而不對鏡施加力矩。事實上，施加該力的目的是使鏡向電極移動，其受到力矩彈簧對豎直偏轉(zhuǎn)的阻力作用。然而，如果只有一個電極被激活，該力近似于其四分之一：

F＝((ε_o*A*V²)/(2*d²))*(1+(2*d/D))/4。

由于改變邊緣關系(2*d/D)/4取決于實際電極的形狀，該力的公式為近似表達。

在不存在鏡偏轉(zhuǎn)的點，即鏡和電極平行的點處，鏡和電極之間的距離對于整個電極而言均相等，因此電極的V/d值，即電場值，與電場上的位置無關。此時，電極和鏡之間的力可被視為單個力F_o，其作用穿過電極的面積中心。電極的面積中心不與鏡中心對準，并因此不與扭矩彈簧的樞軸線對準。相反地，該面積中心的偏移距離等于力矩臂Rm_o，即零鏡偏轉(zhuǎn)時力矩臂的長度。這就通過使力矩臂Rm_o乘以引力F_o生成力矩F_o*Rm_o，得到鏡上的力矩。引起鏡對抗扭矩彈簧的阻力，開始朝向電極旋轉(zhuǎn)，其中扭矩彈簧的阻力用以提供恢復力T*θ，T為1°時的恢復力矩，θ為以度表示的偏轉(zhuǎn)角度。其作用是減慢鏡的速度，使在任何波動逐漸減弱后，鏡在偏轉(zhuǎn)角度靜止，其中：

T*θ＝Rm_θ*F_θ

Rm_θ和F_θ為電極設計和角度的函數(shù)。

當鏡移動時，鏡不再與電極平面平行，可使用傾斜的板模型，其中鏡和電極之間間隙為與鏡中心之間間隙的徑向位置的函數(shù)。由于整個電極的電壓為常數(shù)，電極和鏡間間隙的電場不再是常數(shù)。相反，電場從鏡中心向外徑向增加，從電極區(qū)域的部分進一步遠離鏡中心，呈現(xiàn)更強的電場，同時對合力的貢獻更大。常數(shù)驅(qū)動電壓下鏡上的力增加，主要原因是鏡邊緣附近——此處因鏡傾斜，鏡-電極間隙更小——的電場更強。因此，既定電壓下的F_θ與角度相關。另外，力F_θ的中心，即引力的明顯施加點從接近鏡邊緣的增大的力開始向外移動，從而增大力矩臂。因此，Rm_θ變得與角度相關。

圖35示出了常平架MEMS鏡裝置的電壓/靜態(tài)偏轉(zhuǎn)特征。由于Rm_θ和F_θ的變化，鏡偏轉(zhuǎn)靈敏度隨偏轉(zhuǎn)角度的增加進而隨電壓的增加而增加，直至偏轉(zhuǎn)靈敏度因突降失去對鏡的控制而變得無限大。圖35還示出了彈簧力矩阻力與偏轉(zhuǎn)角度之間的關系，其通常為線性或接近線性。由于彈簧力矩產(chǎn)生的恢復力隨角度線性增長，因此當鏡在給定的偏轉(zhuǎn)角度靜止時的凈引力也隨角度線性增長，這是因為靜止時恢復力和凈引力互相抵消。通過改變鏡-電極間隙——其改變與施加的電壓的電場關系，產(chǎn)生電壓偏轉(zhuǎn)曲線的非線性度，從而當偏轉(zhuǎn)角度增加且電極間隙減小時，擴大逐漸增加的驅(qū)動電壓的影響。

曲線802示出了電極驅(qū)動的δv/δθ(產(chǎn)生逐漸增加的單位偏轉(zhuǎn)所需的逐漸增加的電壓)，曲線804示出了作為偏轉(zhuǎn)角度函數(shù)的扭矩彈簧恢復扭矩力，該函數(shù)通常為非線性關系，還示出了靜態(tài)角度下作為引力的電極力和作為恢復力的彈簧力矩之間的關系，因為這種情況下這兩個力將互相抵消。另外，曲線972示出了鏡靜態(tài)偏轉(zhuǎn)角度與電極電壓的相對關系。該曲線示出了隨偏轉(zhuǎn)角度的增加，增加偏轉(zhuǎn)靈敏度，直至偏轉(zhuǎn)靈敏度變得無窮大。線808示出了偏轉(zhuǎn)靈敏度變得無窮大，δv/δθ變?yōu)榱?，δ?δv變成無窮大，因發(fā)生突降而失去控制的情形。在區(qū)域806中有發(fā)生突降的風險。界限964為可用區(qū)域的示例性界限。

當在電極和鏡之間施加電壓V產(chǎn)生的電場時，產(chǎn)生基于非線性曲線972的偏轉(zhuǎn)角度。一旦所有的動態(tài)已被處理/逐漸消失，箭頭962將施加的電壓V投射到顯示偏轉(zhuǎn)角度與施加的電壓972間相對關系的非線性曲線，水平箭頭963將產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)大小投射到豎直軸線上，得到靜態(tài)偏轉(zhuǎn)角度。該偏轉(zhuǎn)角度可通過箭頭966投射到偏轉(zhuǎn)角度/恢復力關系上，如線804所示，其可以是線性或接近線性，該恢復力可通過箭頭968投射到水平軸線上，得到恢復力的測量，電壓V下，該恢復力與一個(多個)偏轉(zhuǎn)電極的引力相互抵消。由于恢復力和引力在靜態(tài)時達到平衡，可將恢復力值傳遞到豎直軸線上，作為電壓V下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度時電極引力的測量值。

一旦確定MEMS鏡的偏轉(zhuǎn)特征，該特征便可插入控制系統(tǒng)。驅(qū)動電壓用于通過使鏡在兩條正交軸線上偏轉(zhuǎn)θ_x和θ_y，使鏡偏轉(zhuǎn)θ角。這引起光束從其在不存在鏡驅(qū)動時的指向開始，移動通過2θ的角度。這導致束斑在相對基板上移動大約L*tan(2θ)的距離。圖36示出了具有部分示例性鏡移動的表1210，其中最大的鏡移動為：在具有多個陣列和鏡間距的L表示值處，偏轉(zhuǎn)性能達到正6°或負6°。

表1210示出了六個不同的陣列間光路徑長度，且鏡偏轉(zhuǎn)角度為1°～6°時，相對MEMS陣列的最大偏轉(zhuǎn)距離。當峰-峰偏轉(zhuǎn)為該距離的兩倍時，由于整個MEMS陣列中不同源鏡之間的視差，峰-峰偏轉(zhuǎn)僅有一半是可用的。陣列邊緣的MEMS鏡只能在其一條軸線以一個方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而陣列轉(zhuǎn)角處的鏡只能在其兩條軸線上以一個方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是因為使這些鏡在相反的方向上偏轉(zhuǎn)會使其完全錯過相對陣列。

1210的底部為各個光路徑長度和+/-6°偏轉(zhuǎn)鏡提供了最大交換機構造尺寸的視圖。加粗的數(shù)字為100與1,000之間的數(shù)。

圖25示出了束斑通過偏轉(zhuǎn)的鏡投射到鏡陣列上的一個示例。鏡陣列上集成的光電二極管可檢測光束位置，其中多個光電二極管將其點亮電平提供給測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)基于其接收的光功率確定每個光電二極管相對于光束中心的距離，使得可基于做出響應的光電二極管的已知物理位置，對束斑中心進行三角測量。根據(jù)束斑位置隨時間的變化確定束斑速度，根據(jù)束斑速度隨時間的變化確定束斑加速度。一旦已知束斑的位置、速度和加速度，便可繪制前向軌跡。然而，隨時間和距離變化，例如由于測量偏差及容差或計算容差或估算，所述軌跡的偏差呈增大趨勢。

一示例中，所述軌跡包含于鏡動態(tài)的計算中。例如，可施加因彈簧反向壓力而隨鏡角度變化的加速度變化、和彈簧反向壓力或因調(diào)制鏡-電極間隙(其使靜電力發(fā)生改變)產(chǎn)生的變化，將其作為校正。

另一示例中，將所述軌跡作為需要角度更新，例如每5到100μs更新一次的短期近似投射。該重復校正過程可用于調(diào)制電極驅(qū)動，迫使該軌跡朝向目標鏡。當常數(shù)百分數(shù)偏差小于校正偏差的100％時，軌跡計算的起始點比先前軌跡計算更接近目標，且在一段時間內(nèi)，對該軌跡進行迭代以到達目標。

圖25所示示例的目的是使束斑690在目標鏡702的中心止動。在當前速度沒有加速度時，束斑將沿箭頭699繼續(xù)傳播，并徹底錯過目標鏡702。具有加速度時，豎直速度減小，水平速度增加，大幅校正軌跡，使其傳播更接近目標鏡而不與其重合。因此，下一個測量周期內(nèi)，計算進一步校正，使軌跡更接近目標鏡。由于穿過陣列的束斑的額外線性加速度對應于鏡的額外角加速度，且電極上的額外驅(qū)動電壓產(chǎn)生額外的加速度，因此較短期間內(nèi)，改變的加速度要求可被視為改變的電壓驅(qū)動要求。這會產(chǎn)生更接近于到達目標鏡的新的投射軌跡。重新計算的下一期間內(nèi)，采用下一組位置測量，并計算速度和加速度?？蛇M行進一步調(diào)整，以繼續(xù)校正軌跡，使光束到達目標鏡。該操作可單獨在兩條軸線上進行，因為它們是正交的。

對于給定的X軸或Y軸束斑速度以及鏡角速度，具有對鏡旋轉(zhuǎn)速度的最大止動給出的最小停止距離。該止動為扭矩彈簧扭矩大小和驅(qū)動止動電極可實現(xiàn)的止動的組合。對于其速度使角度增加的止動而言，扭矩彈簧止動和相對電極的止動力為加和關系。然而，對于其速度使角度減小的止動而言，扭矩彈簧的力矩對前向電極的止動影響起相反作用，但前向電極的間隙較小，并因此在任何給定電極電壓下可施加更大的力。

因此，存在一設定的距離，其與光束速度相關，其中當光束靠近目標鏡時，光束應開始最終的快速減速。光束停止需要的距離由下式給出：

其中V_s為停止速度，V_i為初始速度，a_max為最大光束加速度，D_s為停止距離。當停止速度為零時，停止距離為：

a_max的值由鏡旋轉(zhuǎn)加速的速率值確定，其由旋轉(zhuǎn)軸線上鏡的慣性確定，其中由于常平架環(huán)的慣性對一條軸線有貢獻，X軸和Y軸的鏡慣性不同。若慣性表示為產(chǎn)生1度/s²的旋轉(zhuǎn)加速度的力矩，即I_R，則扭矩彈簧及電極對鏡產(chǎn)生的力矩表示為：

T_q+F_b(θ)Rm_b(θ)，

其中下標b表示止動電極被驅(qū)動。其后，角度θ時的最大鏡旋轉(zhuǎn)加速度為：

(T_q+F_b(θ)Rm_b(θ))/I_R。

上述計算產(chǎn)生了通過MEMS陣列表面的束斑的最大減速度，表示為：

因此，

圖37示出了對于靠近鏡的光束而言，其光束速度的動態(tài)和與目標之間距離的相對關系，表示為產(chǎn)生的最大允許殘余束斑速度和與目標鏡之間距離的相對關系。曲線982示出了對在與目標間距離為零時實現(xiàn)零速度的最大減速速率而言，與相對于目標的距離呈函數(shù)關系的最大允許速度。在負位置位移啟動點的曲線982下方的區(qū)域A和正位置位移啟動點的曲線982上方的區(qū)域-A中，束斑可以最大速率在通向目標的路徑上減速，并同步停止，同時到達目標，而不需要加速度大于最大值。例如，可使在不確定性區(qū)域內(nèi)的位置1000初始點亮且沿向量向不確定性區(qū)域傳播的束斑沿曲線1002到達目標，可使在位置1004初始點亮的束斑沿曲線1006、曲線1008或曲線1010到達目標，取決于其點亮時的速度向量可使在位置1012初始點亮的束斑沿曲線1013、曲線1014或曲線1016到達目標，可使在位置992初始點亮的束斑沿曲線994到達目標，并可使在位置996初始點亮的束斑沿曲線998到達目標。這些束斑可以小于最大減速度的速率減速，例如使用曲線1008、1100、1014和1016。可替代地，其可朝向目標鏡加速，直至接近最大速度/距離閾值，并以最大加速度減速，如沿曲線1006和曲線1013。由于相對于目標的距離間隙閉合得更快，這就產(chǎn)生了最快的設置。

另一方面，在負位移起始位置的曲線982上方的區(qū)域B內(nèi)和正位移起始位置的曲線982下方的區(qū)域-B內(nèi)，束斑向目標移動，但其距離不足以使其在以最大減速水平到達目標之前停止，因此在其沿相反方向返回目標之前，會超過目標。束斑984沿曲線986到達目標。由于剩余的止動距離不夠，束斑在目標處實現(xiàn)止動時，必然會具有一定的過沖。相反，最好的方案是，束斑沿可達到的最大減速曲線盡可能地減速，其中該曲線偏移且偏移量為不足的那段距離，直至在超過目標鏡的位置實現(xiàn)止動，超過目標鏡的距離等于在其起始點處不足的那段距離。其后，一旦實現(xiàn)止動，束斑便會加速，使速度反向，以從對側(cè)返回到目標鏡，從而沿相反方向在最大減速線內(nèi)減速。

在兩個區(qū)域，即區(qū)域C和區(qū)域-C內(nèi)，束斑在其初始點亮點處已經(jīng)超過目標位置，并遠離該位置。這就造成了偏差的情形，其原因例如可能是初始計算的偏差過大或不確定性區(qū)域過小等。需要應對這種情形，并對其恢復進行描述。在束斑可接近目標前，必須使點亮處束斑的速度反向。使在位置988處初始點亮的束斑沿曲線990到達目標。初始束斑已經(jīng)超過目標鏡，且其速度使其進一步遠離鏡。在該鏡的止動處，束斑進一步遠離目標。其后可施加反向軌跡，使光束返回到目標鏡。通過使束斑動態(tài)保持在最大加速度/減速度范圍內(nèi)，控制該軌跡的最后部分，確保束斑在目標鏡處靜止。

從區(qū)域A內(nèi)曲線982下方和區(qū)域-A內(nèi)曲線982上方的任何位置和速度，若光束朝向目標盡可能加速，直至束斑到達最大速度的邊界曲線，并其后沿該曲線朝向目標以可控減速度進行最大減速，則從當前束斑位置或速度開始，束斑以最快速度收斂到零位移、零速度。該過程如圖38所示。

將在曲線982下方區(qū)域A內(nèi)初始點亮且被檢測到速度/位置的束斑，從遠離最大減速度的閾值982開始，朝向目標加速，直至測量顯示其大致要超過最大減速度的閾值982。位置1024處初始點亮的束斑沿曲線1026傳播，在位置1028處初始點亮的束斑沿曲線1030傳播，在位置1032處初始點亮的束斑沿曲線1034傳播。其后，一旦檢測到各個束斑接近最大減速度的閾值982，便施加對于最大減速度的電極驅(qū)動，使束斑以最大減速度沿曲線982傳播?？稍谧畲鬁p速情形下設置部分裕量，以補償裝置-裝置的變化，避免過沖。然而，如果發(fā)生小幅過沖，其可自動校正，不會使設置時間增加太多。

根據(jù)MEMS鏡的動態(tài)參數(shù)的參數(shù)和這些參數(shù)中的容差推導出不確定性區(qū)域的大小。由于施加初始盲加速度和減速度驅(qū)動后，在以計算的時間初始點亮光束的時間，參數(shù)發(fā)生改變，且計算近似值，不確定性區(qū)域由可能的鏡位置的范圍確定。此時，束斑應落在不確定性區(qū)域內(nèi)，并以不會使其超過目標鏡的較低速度向目標鏡移動。

圖39示出了初始點亮時初始束斑點亮位置和速度向量的若干不同示例中，多個可替代虛擬(未被點亮)、真實(被點亮)以及校正的(被點亮和由軌跡控制的)路徑。鏡陣列1040包含鏡1050和光電二極管1052。目標鏡1042周圍具有不確定性區(qū)域1044。光束A沿虛擬軌跡1074行進，并在點1076處點亮，該處光束A從虛擬光束轉(zhuǎn)換為被點亮的在主動控制下沿曲線1080行進的光束。相關的實線箭頭示出了在不進行校正的情況下，束斑經(jīng)過該軌跡的位置。光電二極管對光束進行實時控制，且光束可朝向目標鏡1042加速，直至到達減速度閾值。光束減速以到達該目標。以相似的方式，光束B沿虛擬軌跡1046行進，在點1058處點亮，并在主動控制下沿曲線1048行進，以在目標鏡1042止動。另外，光束C沿虛擬軌跡1082行進，在點1084處點亮，并在主動控制下沿曲線1088行進，以在目標鏡1042止動。另外，光束D沿虛擬軌跡1090傳播，在點1092處點亮，并在主動控制下沿曲線1096行進，以在目標鏡1042止動。光束E沿虛擬軌跡1066行進，并在接近目標鏡1042的點1068點亮。曲線1072中，其超過目標鏡，其原因是它已經(jīng)位于應進行最大減速的區(qū)域內(nèi)，但還具有多余速度，造成過沖。該光束以最大速率減速，會略微過沖，然后使方向反向，以在主動控制下返回至目標鏡。由于光束在經(jīng)過目標鏡之前開始減速，不會對不確定性區(qū)域的大小造成影響，該過沖小于止動距離。

當在點1060處點亮以在主動控制下沿路徑1064行進時，沿虛擬軌跡1056的光束F已超過目標鏡1042。被點亮時，光束F已超過目標鏡。光束F必須在使路線反向之前減速實現(xiàn)止動，并傳播通過相當長的距離回到目標鏡。根據(jù)點亮點處過沖的大小和點亮的初始速度，被點亮的光束可越過不確定性區(qū)域的界限，因此鏡計算和鏡參數(shù)的容差，以及不確定性區(qū)域的大小應防止不確定性區(qū)域外發(fā)生光束點亮?？捎嬎慊驕y量鏡動態(tài)特征的擴散，并將不確定性區(qū)域設置得足夠大，使初始光束可盡早點亮，避免該情形。

圖40示出了產(chǎn)生不確定性區(qū)域的位置和速度容差對不確定性區(qū)域尺寸的影響。曲線1100示出了作為與目標間距離函數(shù)的最大允許速度，使光束以最大減速速率在目標處將速度減小為零。名義目標點1104為束斑初始點亮的名義目標點。然而，初始位置1108的容差和速度容差1106清除了速度和距離不確定性的區(qū)域1110，因此，對于裝置和計算容差而言，確定光束應被初始點亮的區(qū)域。在相反象限中的是具有速度容差1120和初始位置容差2223以及名義點1116的區(qū)域1118。對于更小的設計容差和更精確的計算，區(qū)域1112和1114描述了初始點亮之前更接近最大減速曲線的途徑，以及較小的不確定性區(qū)域。

圖41示出了產(chǎn)生不確定性區(qū)域的位置容差和速度容差對不確定性區(qū)域尺寸的影響，其中光束軌跡不允許具有超調(diào)量，且點亮時光束具有限定的最小速度。曲線1130示出了作為與目標間距離函數(shù)的最大允許速度，使光束以最大減速度在目標處將速度減小為零。曲線1148和1132示出了點亮點處的最小速度。名義目標點1136位于區(qū)域1142內(nèi)，名義目標點1154位于區(qū)域1158內(nèi)。區(qū)域1146和1144表示計算更精確且設計容差更小，使得不確定性區(qū)域更小，并使初始點亮前的途徑更靠近最大減速曲線。雖然圖41的束斑需傳播的距離比圖40中束斑傳播的距離遠，但兩者在點亮點處都保留了較大的最小殘余前向速度，并因此可能更快地收斂到目標處，特別是當最小保持速度的設置允許光束在止動周期的較早時刻點亮時。然而，不確定性區(qū)域略有增大。

圖42示出了光束軌跡具有過沖但并未超出不確定性區(qū)域之外時，位置容差和速度容差的影響。曲線1160示出了作為與目標間距離函數(shù)的最大允許速度，使光束以最大減速速率在目標處將速度減小為零。名義目標點1170和1176實現(xiàn)中心對準，著屏位置和速度沒有容差。存在區(qū)域1168和1178，和更小的區(qū)域1172和1174。初始點亮可在更接近目標的位置發(fā)生。然而，與目標鏡之間的距離雖然一直是正值，但其可能相當小，不足以避免過沖。

圖40、41和42所示的途徑在目標鏡周圍生成不確定性區(qū)域，其與光束是否從負(-X，-Y)方向或正(+X，+Y)方向接近有關，所述方向為各個目標鏡產(chǎn)生四個不同的不確定性區(qū)域(+X和+Y，+X和–Y，-X和+Y，-X和–Y)。可替代地，不確定性區(qū)域可為上述區(qū)域的組合。在圖42所示的示例中，此類組合會使不確定性區(qū)域的線性尺寸加倍，產(chǎn)生面積四倍大的區(qū)域，但對其的控制會稍有簡化。

圖43示出了實施路線校正的方法一示例的流程圖1190。步驟1198中，確定投射的斑路徑是否經(jīng)過目標。該操作基于當前束斑位置、速度和加速度、未來的短期光路、以及目標鏡的坐標進行。若斑路徑經(jīng)過目標，則步驟1204中不會進行路線校正操作。若斑路徑不經(jīng)過目標，則步驟1202中確定校正的路線。

同樣地，步驟1196中，基于目標鏡位置和當前束斑位置確定到目標的距離。其后，步驟1200中，確定束斑是否靠近減速曲線。該操作基于塊1194中的最大減速曲線特征進行。若束斑靠近最大減速曲線，則步驟1208中沿最大減速曲線實施減速。若束斑不靠近最大減速曲線，則步驟1206中需要束斑繼續(xù)加速。

雖然本公開中提供了若干實施例，但應該理解的是，在不偏離本公開的精神和范圍的情況下，所公開的系統(tǒng)和方法可體現(xiàn)為多種其他特定形式。應將當前示例視為做出說明而非予以限制，其目的并不限于給出的細節(jié)。例如，另一系統(tǒng)中可對多種要素或部件進行組合或集成，或者某些特征可省略或不予實施。

另外，多個實施例中描述或示出的分離的或獨立的技術、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和方法可與其他系統(tǒng)、模塊、技術或方法可組合或集成，而不偏離本公開的范圍。圖示或討論的連接或直接連接或彼此通信的其他項目可通過某些接口、裝置或中間部件，以電學、機械或其他方式間接連接或進行通信。本領域的技術人員可確定變化、替代和改變的其他示例，并可在不偏離本公開的精神和范圍的情況下得到所述示例。