用于控制微機(jī)械執(zhí)行器的調(diào)節(jié)器、控制系統(tǒng)和方法以及微鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制微機(jī)械執(zhí)行器的調(diào)節(jié)器、用于控制微機(jī)械執(zhí)行器的控制系 統(tǒng)、微鏡系統(tǒng)和用于控制微機(jī)械執(zhí)行器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今在許多應(yīng)用中均使用微機(jī)械執(zhí)行器。例如在被安裝在很小結(jié)構(gòu)空間上的投影 單元中使用微鏡。
[0003] 在這樣的投影單元中通常使用微鏡，也就是所謂的MEMS (Micro-Electro-Mechani cal-System :微機(jī)電系統(tǒng)）。這樣的MEMS鏡通常具有多個(gè)可以相應(yīng)地被電激發(fā)的機(jī)械共振 點(diǎn)--也稱作模態(tài)或者傳遞函數(shù)中的極點(diǎn)。此外，這樣的MEMS鏡還具有反共振模態(tài)--也 稱作傳遞函數(shù)中的零點(diǎn)或者凹口（notch)。
[0004] MEMS鏡的這些模態(tài)可區(qū)分為有效模態(tài)和干擾模態(tài)。干擾模態(tài)的激發(fā)尤其負(fù)面地?fù)p 壞所投影的圖像的質(zhì)量。
[0005] 所述MEMS鏡構(gòu)成所謂的慣性彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，其在第一近似中可以被建模為二階 低通（PT2元件）。在此通過慣性彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的第一模態(tài)定義其角頻率（Eckfrequenz)。
[0006] 可以使這種MEMS鏡或者共振運(yùn)行在一種或者多種有效模態(tài)上或者準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行。 準(zhǔn)靜態(tài)控制借助低頻信號實(shí)現(xiàn)并且避免了這些模態(tài)的激發(fā)。
[0007] 圖9中以波特圖示出不同的MEMS微鏡的傳遞函數(shù)。在上面的圖中示出在頻率上 的單位為dB的衰減。在下面的圖中示出在頻率上的單位為度的相位。在上面的圖中可以 看出，其傳遞函數(shù)被示出的五個(gè)微鏡具有許多共振模態(tài)和反共振模態(tài)。它們在該圖中通過 尖峰示出，這些尖峰是向上或者向下。此外在下面的圖中可以看出，這些微鏡根據(jù)頻率分別 具有不同的相位特性曲線。尤其一些鏡子分別具有一個(gè)至少直至一定的頻率位于_〇°和 -180°之間的相位特性曲線，而在另一些鏡子中相位特性曲線超過-180°。
[0008] 對于借助MEMS鏡的圖像構(gòu)建而言通常需要兩個(gè)MEMS鏡，其中，共振地控制這些 MEMS鏡中的一個(gè)，而準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行這些MEMS鏡中的一個(gè)。在此，共振運(yùn)行的MEMS鏡負(fù)責(zé)圖像 的行投影，而準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)行的MEMS鏡負(fù)責(zé)逐行的圖像構(gòu)建。另一種可能性在于使用一種2D 鏡，其既在豎直方向上也在水平方向上運(yùn)行。
[0009] 必須如此控制在準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)中運(yùn)行的MEMS鏡，使得微鏡的共振模態(tài)不被激勵(lì)。
[0010] 通常在此借助鋸齒波信號作為基準(zhǔn)參量（FiihmngsgrSfle)控制在準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài) 中的MEMS鏡，以便例如產(chǎn)生60Hz的幀速率。在此，該鋸齒波信號在頻域中具有基頻的偶次 的和奇次的高次諧波的多倍。在附圖10的圖中以虛線和實(shí)線表示兩種可能的具有不同返 回時(shí)間（RUcklaufzeit)的鋸齒波信號，在橫軸上示出時(shí)間，在縱軸上示出鋸齒波信號的振 幅。在附圖10中上升的邊沿是逐行控制MEMS鏡的邊沿。下降的邊沿表示MEMS鏡返回到 初始位置。附圖11中示出在頻域中的相應(yīng)的鋸齒波信號。
[0011] 如在圖11中看出的那樣，鋸齒波信號在頻域中具有60Hz的頻率分量和60Hz的多 倍，亦即120Hz、180Hz等。在借助這樣的鋸齒波信號控制MEMS鏡的情況下基頻的多倍中的 一個(gè)能夠激勵(lì)相應(yīng)MEMS鏡的一個(gè)共振模態(tài)。
[0012] 通常使用線性驅(qū)動(dòng)器或者數(shù)字驅(qū)動(dòng)器來控制準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)中的MEMS鏡。為了實(shí)現(xiàn) 控制時(shí)的充分的精度或者為了提高線性偏移，在閉合調(diào)節(jié)回路（closed loop:閉環(huán)）中調(diào) 節(jié)微鏡。在此可以使用不同的調(diào)節(jié)器，例如自適應(yīng)ro調(diào)節(jié)器、前饋結(jié)構(gòu)中的電流調(diào)節(jié)器和 位置調(diào)節(jié)器、LMS諧波控制器、迭代諧波系數(shù)確定等等。所使用的調(diào)節(jié)器的共同點(diǎn)在于，它 們需要非常高的系統(tǒng)帶寬并且因此需要非常高的計(jì)算能力。
[0013] 在US 7, 952, 783 B2中公開了一種按照"迭代諧波系數(shù)確定"工作的控制裝置。
[0014] 具有MEMS鏡和調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)例如通常需要IMHz的調(diào)節(jié)器帶寬，以便精確調(diào)節(jié)每 一個(gè)圖像行。此外，已知的調(diào)節(jié)器方案中的一些還需要MEMS鏡的附加的狀態(tài)信息，所述附 加的狀態(tài)信息在現(xiàn)實(shí)中難以檢測或者估計(jì)。
[0015] 高的系統(tǒng)帶寬和高的計(jì)算能力在控制IC中意味著高的面積需求，例如用于模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器、微控制器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器級等等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明公開一種具有權(quán)利要求1的特征的用于控制微機(jī)械執(zhí)行器的調(diào)節(jié)器，具有 權(quán)利要求7的特征的用于控制微機(jī)械執(zhí)行器的控制系統(tǒng)、具有權(quán)利要求8的特征的微鏡系 統(tǒng)和具有權(quán)利要求9的特征的方法。
[0017] 據(jù)此設(shè)置：
[0018] -種用于控制閉合調(diào)節(jié)回路中的微機(jī)械執(zhí)行器的調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器：具有第一 信號輸入端，所述第一信號輸入端構(gòu)造用于接收參考信號；具有第二信號輸入端，所述第二 信號輸入端構(gòu)造用于接收測量信號，所述測量信號表征所記錄（aufnehmen)的、所述微機(jī) 械執(zhí)行器對控制信號的響應(yīng)；具有第一調(diào)節(jié)器元件，所述第一調(diào)節(jié)器元件構(gòu)造用于在所接 收的參考信號中濾波和/或衰減預(yù)給定的頻率模態(tài)和/或預(yù)給定的頻率分量并且輸出經(jīng)濾 波的和/或經(jīng)衰減的參考信號；具有第二調(diào)節(jié)器元件，所述第二調(diào)節(jié)器元件構(gòu)造用于修改 所接收的測量信號，以便將閉合調(diào)節(jié)回路的第一模態(tài)的和/或另外的模態(tài)的品質(zhì)最小化， 并且構(gòu)造用于輸出所修改的測量信號；具有第三調(diào)節(jié)器元件，所述第三調(diào)節(jié)器元件構(gòu)造用 于將經(jīng)濾波的和/或經(jīng)衰減的參考信號和所接收的測量信號之間的調(diào)節(jié)偏差最小化并且 輸出經(jīng)最小化的參考信號；具有第四調(diào)節(jié)器元件，所述第四調(diào)節(jié)器元件構(gòu)造用于匹配所接 收的測量信號，以便匹配閉合調(diào)節(jié)回路的帶寬并且將經(jīng)匹配的測量信號加到由經(jīng)最小化的 參考信號和所修改的測量信號組成的和上，所述和構(gòu)成控制信號。
[0019] 此外設(shè)置：
[0020] 一種用于控制閉合調(diào)節(jié)回路中的微機(jī)械執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，其具有信號發(fā)生器， 所述信號發(fā)生器構(gòu)造用于輸出參考信號；具有根據(jù)本發(fā)明的調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器構(gòu)造用于 接收所述參考信號和輸出用于所述微機(jī)械執(zhí)行器的控制信號；具有第一信號預(yù)處理單元， 所述第一信號預(yù)處理單元構(gòu)造用于預(yù)處理并且向所述微機(jī)械執(zhí)行器傳輸所述控制信號；具 有第二信號預(yù)處理單元，所述第二信號預(yù)處理單元構(gòu)造用于記錄所述微機(jī)械執(zhí)行器對所 述控制信號的響應(yīng)并且向所述調(diào)節(jié)器傳輸表征所記錄的響應(yīng)的測量信號。
[0021] 此外設(shè)置：
[0022] -種微鏡系統(tǒng)，其具有至少一個(gè)微鏡；和具有至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)，所 述控制系統(tǒng)構(gòu)造用于控制閉合調(diào)節(jié)回路中的微鏡。
[0023] 最后設(shè)置：
[0024] 一種用于控制閉合調(diào)節(jié)回路中的微機(jī)械執(zhí)行器的方法，其具有以下步驟：接收參 考信號；接收測量信號，所述測量信號表征所記錄的、所述微機(jī)械執(zhí)行器對控制信號的響 應(yīng)；在所述參考信號中濾波和/或衰減預(yù)給定的頻率模態(tài)和/或預(yù)給定的頻率分量；修改 所接收的測量信號，以便將所述閉合調(diào)節(jié)回路的第一模態(tài)的和/或另外的模態(tài)的品質(zhì)最小 化；將經(jīng)濾波的和/或經(jīng)衰減的參考信號和所接收的測量信號之間的調(diào)節(jié)偏差最小化并且 輸出經(jīng)最小化的參考信號；通過匹配所接收的測量信號來匹配所述閉合調(diào)節(jié)回路的帶寬； 以及向所述微機(jī)械執(zhí)行器傳輸由所述經(jīng)最小化的參考信號和所修改的測量信號以及經(jīng)匹 配的測量信號組成的和作為所述控制信號。
[0025] 發(fā)明所基于的認(rèn)識(shí)在于，用于控制微機(jī)械執(zhí)行器的已知的調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)非 常復(fù)雜，因此在實(shí)現(xiàn)方面的耗費(fèi)很大。
[0026] 本發(fā)明所基于的思想現(xiàn)在在于，考慮這一認(rèn)識(shí)并且設(shè)置根據(jù)本發(fā)明的模塊化的多 反饋調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，其具有僅四個(gè)線性的調(diào)節(jié)器元件。
[0027] 此外本發(fā)明建議，由第一調(diào)節(jié)器元件處理參考信號，其在所接收的參考信號中濾 除或者衰減預(yù)給定的頻率模態(tài)和/或預(yù)給定的頻率分量。由如此預(yù)處理的參考信號和表征 微機(jī)械執(zhí)行器的當(dāng)前位置的測量信號組成的差由第三調(diào)節(jié)器元件處理，所述第三調(diào)節(jié)器元 件將經(jīng)濾波的和/或經(jīng)衰減的參考信號和所接收的測量信號之間的調(diào)節(jié)偏差最小化。
[0028] 最后，由第四調(diào)節(jié)器元件修改閉合調(diào)節(jié)回路的帶寬，其方式是，相應(yīng)修改所接收的 測量信號。所修改的測量信號然后從經(jīng)最小化的參考信號中減去，并且作為控制信號向微 機(jī)械執(zhí)行器傳輸。
[0029] 尤其本發(fā)明的所有調(diào)節(jié)器元件都能夠作為線性的調(diào)節(jié)器元件實(shí)現(xiàn)。
[0030] 本調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)例如將微鏡的第一共振模態(tài)最小化。另外通過處理所接收的測量信 號來如此匹配閉合調(diào)節(jié)回路的帶寬，使得各個(gè)微鏡的由技術(shù)決定的波動(dòng)被攔截。最后該微 鏡的在調(diào)節(jié)器帶寬之外的所有共振模態(tài)都被抑制或者被最小化并且為將調(diào)節(jié)偏差最小化 而使用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。
[0031] 本發(fā)明設(shè)置一種模塊化的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，其與相應(yīng)地使用的微機(jī)械執(zhí)行器相關(guān)地能 夠非常簡單地匹配于相應(yīng)的應(yīng)用。
[0032] 此外通過使用一階到更高階的線性的調(diào)節(jié)器元件提供具有小的復(fù)雜性的非常簡 單的調(diào)節(jié)器，其能夠非常簡單地例如集成在ASIC中。
[0033] 通過本發(fā)明使得可能的是，利用具有經(jīng)平衡的系統(tǒng)帶寬的調(diào)節(jié)器。在此，例如需要 高的系統(tǒng)帶寬，以便獲得以下控制信號：所述控制信號能夠?qū)崿F(xiàn)微機(jī)械執(zhí)行器的小的返回 時(shí)間。另一方面，在投影儀中的微鏡的情況下需要以下返回時(shí)間：所述返回時(shí)間為圖像速率 的約1 %到20 %，例如60Hz，以便從數(shù)據(jù)源向投影儀傳輸相應(yīng)的像素信息，而不必中間存儲(chǔ) 這些像素信息。這使得可能的是，例如節(jié)省中間存儲(chǔ)器。第四調(diào)節(jié)器元件使得可能的是，使 系統(tǒng)帶寬匹配于需要。
[0034] 有利的實(shí)施方式和擴(kuò)展由從屬權(quán)利要求以及從參考附圖的描述得知。
[0035] 在一種實(shí)施方式中，第四調(diào)節(jié)器元件構(gòu)造用于匹配所接收的測量信號中的瞬變時(shí) 間（Einschwingzeit)和/或調(diào)節(jié)器的和微機(jī)械執(zhí)行器的返回時(shí)間（RUcklaufzeit)。這使 得可能的是，使調(diào)節(jié)器有針對性地匹配于不同的微機(jī)械執(zhí)行器和不同的應(yīng)用。
[0036] 在一種