专利名称：控制使用光电检测器计时的共振扫描反射镜的偏转幅度和偏移的方法
技术领域：
本发明一般涉及微机电系统(MEMS)反射镜，尤其涉及仅用激光光束偏转计时来控制共振扫描镜的方法。
背景技术：
在仅给定光束偏转计时信息的情况下，在MEMS反射镜技术领域中需要而且最好是提供一种技术用于控制振动镜式检流计(galvanometer)偏转的激光束的偏转幅度和偏移。
发明概述本发明针对在仅给定光束偏转计时(timing)信息的情况下，用于控制由振动镜式检流计偏转的激光束的偏转幅度和偏移(offset)的系统和方法。
根据一实施例，控制共振扫描镜的方法包括以下步骤根据共振扫描镜的移动测量与由共振扫描镜偏转的激光束相关的偏转计时；以及根据偏转计时的测量来控制激光束的偏转幅度和偏移。
根据另一实施例，控制共振扫描镜的方法包括以下步骤提供两个与共振扫描镜的偏转范围中心隔开相同间距的光检测器；测量在两个光检测器之间响应共振扫描镜的移动而移动的激光束的时间增量；以及根据时间增量的测量来控制激光束的偏转幅度和偏移。
根据本发明的再一实施例，用于控制由振动镜式检流计偏转的激光束的偏转幅度和偏移的系统包括共振扫描镜；一对与共振扫描镜的偏转范围中心隔开相同间距的光检测器；用于计算在这对光检测器之间移动的偏转激光束的时间和和/或时间差的计时检测逻辑；用于根据时间和和/或时间差来计算控制作用力的数字处理器；用于将该控制作用力转换为电压的一对数模转换器(DAC)；用于根据该控制作用力来产生正弦波的正弦波产生器；以及用于根据该正弦波产生共振扫描镜的电机线圈电压的电压放大器。
附图概述结合附图阅读以下详细说明将更清楚本发明，本发明的其它方面、特点和优点也更易理解，，其中
图1是说明靠近偏转激光束的共振扫描镜偏转范围两端的两个光检测器的图示；图2是说明在偏转的激光束从一侧扫到另一侧时由图1中描述的两个光检测器产生的数字脉冲的波形图；图3是说明针对图2所示的数字脉冲的偏转的激光束幅度和波形计时之间的关系的示意图；图4是说明针对图1所示的系统的确定时间tsum和激光束偏转幅度及偏移之间的函数关系的三维图；图5是说明针对图1所示的系统的确定时间tdiff和激光束偏转幅度及偏移之间的函数关系的三维图；图6是说明用于控制偏转的激光束的幅度和偏移并适于与图1所示的系统一起使用以便通过测量从初始检测到激光束在左传感器处到检测到激光束在右传感器处的时间来控制偏转的激光束的幅度和偏移的完整系统的简化的原理图；图7示出图6所示的计时检测逻辑电路的更详细的原理图；图8示出图7所示的状态机信号调节器(state machine signal conditioner)的更详细的原理图；图9是说明用于保持和图6-8所示的系统相关的偏转幅度和偏移的电子控制回路的拓扑的系统框图；图10是说明两个反射镜和单个激光检测器的实物图，每个反射镜靠近和偏转激光束的共振扫描镜相关的偏转范围的一端；图11是描述由激光检测器观察到的共振扫描镜偏转的激光束的正弦位移，以及由图10所示的共振扫描镜的作用力函数(forcing function)产生的窗函数(window function)的波形图；图12描述了利用图11所示的窗函数和检测器输出信号产生的两个输出信号；图13与图3类似，并示出偏转的激光束幅度和图12所示的正向脉冲的长度之间的关系；图14示出图6所示并适于通过图10所示的系统使用的计时检测逻辑电路的另一个更详细的原理图；以及图15示出图14所示的状态机信号调节器的更详细的原理图。
虽然以上附图阐述了具体实施方式
，但在讨论中注意到，本发明的其它实施例也被考虑到。在所有的情况下，这里揭示的是代表性但非限制本发明的实施例。本技术领域中的熟练的技术人员可以设计在本发明原理的范围和精神内的多种其它的修改和实施方式。
较佳实施例的详细说明以下参考图1-9讨论的本发明的特殊实施例。针对在仅给定光束偏转计时信息的情况下，用于控制振动镜式检流计偏转的激光束的偏转幅度和偏移的系统和方法。
首先参看图1，图示说明了靠近偏转激光束的共振扫描镜偏转范围两端的两个光检测器10、12。已知每个光检测器10、12与偏转中心18的距离相同。当光束从一侧20扫到另一侧22时，光检测器10、12将产生如图2所示的脉冲。
图2是说明当偏转激光束16从一侧20扫到另一侧22的时候，图1所示的两个光检测器10、12产生的数字脉冲的波形图。偏转幅度和偏移通过以下的关系式和传感器10、12时间关联det pos＝ref＝Acos(ωtn)+b。
(1)如果检测器10、12位于接近所需的完全偏转幅度的70％处，则随后每个检测器10、12的脉冲出现在不同的单位圆象限中。对每个分别的象限，方程(1)变为(ref-b)A=cos(-ωt0),]]>(ref-b)A=cos(ωt1),]]>(ref+b)A=cos(π-ωt2),]]>以及(ref+b)A=cos(ωt3-π)]]>当偏转幅度很小时，从t0到t1的时间和从t2到t3的时间将变短。同样地，当偏转幅度很大时，这些时间增量将变大；所以测量这些时间将产生一作为幅度的函数的值。图3是说明针对图2所示的数字脉冲的偏转的激光束幅度和波形计时之间关系的示意图。该函数可以简明地写为tleft=t1-t0=1w(cos-1(ref-bA)+cos-1(ref-bA))]]>=2wcos-1(ref-bA)]]>tright=2wcos-1(ref+bA)]]>随后，定义为tsum的值可以写为tsum=tleft+tright=2w(cos-1(ref-bA)+cos-1(ref+bA)).......(2)]]>可以看到，当对光束16的偏转有正偏移时，计时tleft将增加而计时tright将降低。鉴于以上所述，随后可以将记录偏转偏移tdiff的值可以定义为tdiff＝tleft-tright(3)解方程(2)得到A并解方程(3)得到b，随后，示出计时测量和幅度及偏移之间的关系为A=refcos(ω4tsum)cos(ω4tdiff)........(4)]]>b=reftan(ω4tsum)tan(ω4tdiff)........(5)]]>随后可以示出在理想工作点(当偏移b为0且基准值为偏转幅度A的70.7％时)附近，方程(4)和(5)可以分别近似为A≈refcos(ω4tsum)]]>以及b≈reftan(ω4tdiff)]]>图4是说明针对图1所示的系统拓扑所定义时间tsum和激光束偏转幅度A及偏移b之间的函数关系的三维图。图5是说明针对图1所示的系统所定义的时间tdiff和激光束偏转幅度A及偏移b之间的函数关系的三维图。在这种情况下，偏转以反射镜14旋转的角度来测量；而时间是以1MHz为时钟周期。本发明人发现实际上，更高的频率周期可以用来增加分辨率。参看图4和5，可以看到在某些振幅A或偏移b处，偏转的激光束16将不会同时通过检测器10、12；因此只能产生4个检测器脉冲中的两个。在这种情况下，失去的tleft或tright值被定义为0。随后的结果是存在控制器必须考虑的三种状态。它们可以描述为1)没有检测操作开环并逐步增加幅度控制；2)只有左或右的检测幅度和偏移增益为～半(half)，因此将控制器增益加倍；和3)可得到两个检测器时间使用以上描述的增益。
继续参考图4和5，可以看到和幅度相关的tsum表面的斜率是约40时钟节拍/度(clock/degree)；而和偏移相关的tdiff表面的斜率是约60时钟节拍/度(靠近理想工作点)。因此，可以看到充分测量可以用来控制激光束的偏转幅度和偏移。
鉴于以上所述，现在，在下面阐述关于MEMS反射镜14的线圈驱动器的讨论。如果光束偏转方程被重新安排来根据光束通过工作区域的时间的话，即从t1到t2，则幅度可以表示为A=refsin(ωt2-t12)......(6)]]>因此，如果检测器10、12的偏转角度和反射镜14的扫描频率是已知的，则可以计算使光束从左侧检测器10扫到右侧检测器12所需时间的幅度。
由于改变幅度的系统的灵敏度可以由方程(6)计算，则必须保持的幅度中的变化如下所示来确定，如果已知可以允许的周期变化并且如果该周期约为ΔT。
T=2ωsin-1(yA)=2ωsin-1(a)]]>对于 y＝aAdTdA=-2yω2A2(1-y2A2)12]]>dT=-2ωa(1-a2)12dAA]]>如果使检测器10、12位于完全偏转的70.7％处，则随后幅度的百分数变化可以如下表示为计时增量变化的函数。
dAA=πfdT=6283dT..........(7)]]>
而对于10个毫微秒的时间变化，dT，方程(7)变为dAA≈2-14]]>因此，放大器上至少14比特的分辨率对于控制反射镜14的偏转是必要的。
图6是说明用于控制偏转的激光束16的幅度并适于与图1所示的系统一起使用以便通过测量从初始检测到激光束20在左检测器10处到检测到激光束22在右传感器12处的时间来控制偏转的激光束16的幅度的完整系统100的简化的原理图。系统100包括左光检测器10；右光检测器12；计算左和右检测器10、12的时间和和差的计时检测逻辑102；用于计算控制作用力的数字处理器104；将控制作用力值转换为电压的幅度DAC106和偏移DAC108；通过控制作用力来调制其幅度的正弦波产生器110；以及用于驱动反射镜电机线圈114的电压放大器112。根据一个实施例，线圈114由利用晶体控制的PWM信号来产生正弦驱动波形的H桥(H-bridge)电压放大器驱动，其中，例如，驱动信号的幅度通过16比特的DAC控制。
图7示出图6所示的计时检测逻辑电路102的更详细的原理图。计时检测逻辑电路102能用于测量上述tleft和tright时间间隔(该时间是从左检测器10到左检测器10以及从右检测器12到右检测器12)。
图8示出图7所示的状态机信号调节器116的更详细的示意图。该状态机信号调节器116的设计是根据以下所示的真值表1的。
真值表1
图9是说明用于保持和图6-8所示的系统相关的偏转幅度的5阶数字控制回路的拓扑的系统框图。虚线下的框表示由代码实现的功能。
图10是说明包括远反射镜202、近反射镜204和单个激光检测器206的系统200的实物图，其中每个反射镜都靠近和偏转由激光产生器产生的激光束210的共振扫描镜208有关的偏转范围的一端。共振扫描镜208产生大于打印机光学装置212的范围的激光束210正弦位移。当偏转的激光束(图10中标为230和240)通过远或近反射镜202、204(它们是固定位置的反射镜)时，光束214、216反射到单个激光检测器206。
图11是描述由激光检测器206观察到的共振扫描镜208偏转的激光束的正弦位移，以及由图10所示的共振扫描镜208的作用力函数产生的窗函数242的波形图。
图12描述了利用图11所示的窗函数242和检测器206输出信号250产生的两个输出信号244、246。如果图11所示的正弦波252的振幅由正向的脉冲244、246从“在或超过(At or Beyond)”信号算起的长度表示，则脉冲变长表示幅度增大。
图13描述了类似于图3所示的示意图，并示出偏转的激光束幅度和图12所示的正向脉冲244、246之间的关系。随后，正弦波252的总幅度表示为远反射镜202的脉冲长度加上近反射镜204的脉冲长度的长度。从某个预期的总长度减去该结果来产生随后可以反馈到控制器以便通过修改共振扫描镜208上的作用力函数的幅度来管理正弦波252幅度的幅度误差。
如果正弦波252不在远和近反射镜202、204之间的中心，则来自远和近反射镜202、204的脉冲244、246的宽度将在长度上不同。从一个脉冲长度减去另一个脉冲长度得到从图10所示的中心220的正弦波的有效偏移。该偏移可以类似地被反馈到控制器，以便通过修改共振扫描镜208上的作用力函数的偏移来管理正弦波252的偏移。
图14示出图6所示的计时检测逻辑电路102的另一个实施例的更详细的原理图。当计时检测逻辑电路102使用图14所示的结构时，控制系统100也适于通过图10所示的检测器200系统使用。可以看到，检测器系统200响应单个检测器信号250和窗信号242。
图15示出图14所示的状态机信号调节器300的更详细的原理图。该状态机信号调节器300的设计是根据以下所示的真值表2的。
真值表2
鉴于以上所述，可以发现本发明提出了MEMS反射镜控制器的技术领域内的重要的改进。此外，为了向共振扫描镜控制器的技术领域的熟练的技术人员提供应用该新颖的原理和构建和使用这种特别的部件所需的信息，相当详细的描述了本发明。鉴于先前的描述，明显的是本发明提供了在构建及操作方面与现有技术之间有存在重大改变。但是，虽然此处详细地描述了本发明的特殊的实施例，但可以理解的是如所附权利要求所定义的，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行各种变化、修改和替换。
权利要求
1.一种控制共振扫描镜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤测量与响应共振扫描镜的移动来由共振扫描镜偏转的激光束相关的偏转计时；以及根据偏转计时的测量来控制所述激光束的偏转幅度和偏移。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量与响应共振扫描镜的移动而由共振扫描镜偏转的激光束相关的偏转计时的步骤包括测量两个从共振扫描镜的偏转范围中心以相同间距隔开的光检测器之间的时间增量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据偏转计时的测量来控制所述激光束的偏转幅度和偏移的步骤包括通过将增益应用到激光束穿越和第一光检测器相关的预定视野场的时间和激光束穿越和第二光检测器相关的预定视野场的时间的和来计算偏转幅度，其中所述两光检测器与共振扫描镜的偏转范围中心隔开大体相同间距。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据偏转计时的测量来控制所述激光束的偏转幅度和偏移的步骤包括通过将增益应用到激光束横过和第一光检测器相关的预定视野场的时间和激光束横过和第二光检测器相关的预定视野场的时间的差来计算偏转偏移，其中所述两光检测器与共振扫描镜的偏转范围中心隔开大体相同间距。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据偏转计时的测量来控制所述激光束的偏转幅度和偏移的步骤包括以下步骤根据偏转计时的测量来计算幅度数据；将所述幅度数据转换为控制电压；以及通过所述控制电压驱动和所述共振扫描镜相关的电机线圈。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据偏转计时的测量来计算幅度数据的步骤包括通过数字信号处理器来根据偏转计时的测量计算幅度数据。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据偏转计时的测量来控制所述激光束的偏转幅度和偏移的步骤包括以下步骤根据偏转计时的测量来计算脉冲宽度数据；将所述脉冲宽度数据转换为控制电压；以及通过所述控制电压驱动和所述共振扫描镜相关的电机线圈。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将脉冲宽度数据转换为控制电压的步骤包括以下步骤通过数模转换器将脉冲宽度数据转换为电压；以及通过电压放大器处理所述电压来产生共振扫描镜电机线圈驱动电压。
9.一种用于控制振动镜式检流计的激光束的偏转幅度和偏移的系统，其特征在于，所述系统包括共振扫描镜；光检测器系统，它用来根据所述共振扫描镜偏转的激光束来产生输出信号；计时检测逻辑，它用来根据所述光检测器的输出信号来计算和偏转的激光束相关的时间和和/或时间差；数字处理器，它用来根据所述时间和和/或时间差来计算控制作用力；一对数模转换器(DAC)，它们用来将所述控制作用力转换为电压；正弦波产生器，它用来根据所述控制作用力来产生正弦波；以及电压放大器，它用来根据所述正弦波产生共振扫描镜的电机线圈电压。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述一对数模转换器包括第一DAC，它用于控制所述偏转的激光束的幅度；以及第二DAC，它用于控制所述偏转的激光束的偏移。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光检测器系统包括一对与共振扫描镜的偏转范围中心隔开相同间距的光检测器，其中的计时检测逻辑用来计算在所述一对光检测器之间移动的偏转激光束相关的时间和及时间差。
12.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光检测器系统包括一对反射镜，它们与共振扫描镜的偏转范围中心隔开相同间距；以及单个光检测器，它用来根据由所述共振扫描镜偏转的激光束来产生输出信号。
全文摘要
提供了在已知光束偏转计时信息的情况下，用于控制振动镜式检流计偏转的激光束的偏转幅度和偏移的系统和方法。
文档编号H04N1/113GK1493895SQ0315939
公开日2004年5月5日 申请日期2003年9月12日 优先权日2002年9月13日
发明者M·D·哈根, J·E·诺克松, A·M·特纳, M D 哈根, 特纳, 诺克松 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司