CN113162615A - 用于具有非线性频率响应的振荡器的控制结构 - Google Patents

用于具有非线性频率响应的振荡器的控制结构 Download PDF

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Abstract

本公开的各实施例涉及用于具有非线性频率响应的振荡器的控制结构。一种振荡器控制系统包括：非线性振荡器结构，被配置成绕轴线振荡；驱动器电路，被配置成生成驱动信号以驱动振荡器结构；检测电路，被配置成测量振荡器结构的角度振幅和相位误差；振幅控制器，被配置成基于所测量的角度振幅来生成基准振荡器周期；周期和相位控制器，被配置成：接收基准振荡器周期和来自检测电路的所测量的相位误差，基于基准振荡器周期和所测量的相位误差来生成驱动信号的至少一个控制参数，并且基于基准振荡器周期和所测量的相位误差来确定驱动信号的驱动周期。驱动器电路被配置成：基于至少一个控制参数和驱动周期来生成驱动信号。

Description

用于具有非线性频率响应的振荡器的控制结构
技术领域
本公开总体上涉及微机电系统(MEMS)振荡系统及其操作方法，并且更特别地，涉及控制MEMS振荡系统中的振荡结构。
背景技术
光检测与测距(LIDAR)是一种远程感测方法，该远程感测方法使用呈脉冲激光形式的光来测量到视场中的一个或多个对象的距离(可变距离)。特别地，微机电系统(MEMS)反射镜用于跨视场扫描光。光电检测器的阵列接收来自被光照射的对象的反射，并且确定反射到达光电检测器阵列中的各个传感器所花费的时间。这也被称为测量飞行时间(TOF)。LIDAR系统形成深度测量，并且通过基于飞行时间计算将距离映射到对象来进行距离测量。因此，飞行时间计算可以创建距离和深度图，距离和深度图可以用于生成图像。
LIDAR扫描系统可以包括一个或多个扫描反射镜和对应的电路装置，以用于在水平方向和/或竖直方向上扫描不同的视场。每个扫描反射镜是非线性振荡器，该非线性振荡器在角度振幅和频率之间具有相关性。如果具有非线性频率响应的振荡器受外部(可能无法观察的)干扰的影响，则由于振荡器的非线性相关性，振荡器可能会改变其振荡振幅，并且进而改变其频率。通常，驱动振荡器的锁相环(PLL)测量角度振幅和振荡器相位两者，并且根据相位来适配驱动周期，并且根据振幅来适配一些其他控制量(例如，驱动电压)。由于振幅测量的噪声往往比相位测量的噪声大，因此驱动周期相当快地被适配，而相比之下，振幅控制是慢的。因此，振幅的快速变化未被补偿。此外，PLL始终跟随振荡器周期，而不是将振荡器推至所期望的周期，并且进而推至所期望的振幅。
因此，期望的是用于具有非线性频率响应的振荡器的改进的控制结构。
发明内容
实施例提供了一种用于非线性振荡器的角度振幅和相位控制的控制结构，该非线性振荡器在振幅和频率之间具有非线性相关性。
一个或多个实施例提供了一种振荡器控制系统，该振荡器控制系统包括：振荡器结构，被配置成绕轴线振荡，其中振荡器结构的角度振幅和频率具有非线性相关性；驱动器电路，被配置成生成驱动信号以驱动振荡器结构的振荡；检测电路，被配置成测量振荡器结构的角度振幅和相位误差；外控制回路，包括振幅控制器，振幅控制器被配置成基于所测量的角度振幅来生成基准振荡器周期；内控制回路，包括周期和相位控制器，周期和相位控制器被配置成：接收来自外控制回路的基准振荡器周期和来自检测电路的所测量的相位误差，基于基准振荡器周期和所测量的相位误差来生成驱动信号的至少一个控制参数，并且基于基准振荡器周期和所测量的相位误差来确定驱动信号的驱动周期，其中驱动器电路被配置成：基于驱动信号的至少一个控制参数和驱动周期来生成驱动信号。驱动器电路被配置成：基于至少一个控制参数和驱动周期来生成驱动信号。
一个或多个实施例提供了一种用于控制振荡器结构的方法，振荡器结构被配置成根据驱动信号而绕轴线振荡，其中振荡器结构的角度振幅和频率具有非线性相关性，该方法包括：测量振荡器结构的角度振幅；测量振荡器结构的相位误差；基于所测量的角度振幅生成基准振荡器周期；基于基准振荡器周期和所测量的相位误差来生成驱动信号的至少一个控制参数，包括：适配驱动信号的至少一个控制参数，以补偿所测量的相位误差；基于基准振荡器周期和所测量的相位误差来确定驱动信号的驱动周期，包括：适配驱动周期以补偿所测量的相位误差；以及基于驱动信号的至少一个控制参数和驱动周期，来生成驱动信号。
一个或多个实施例提供了一种光检测和测距(LIDAR)控制系统，该系统包括：微机电系统(MEMS)反射镜，被配置成绕轴线振荡，其中MEMS反射镜的角度振幅和频率具有非线性相关性；驱动器电路，被配置成生成驱动信号，以驱动MEMS反射镜的振荡；检测电路，被配置成测量MEMS反射镜的角度振幅和相位误差；外控制回路，包括振幅控制器，振幅控制器被配置成：基于所测量的角度振幅来生成基准反射镜周期；以及内控制回路，包括周期和相位控制器，周期和相位控制器被配置成：接收来自外控制回路的基准反射镜周期和来自检测电路的所测量的相位误差，基于基准反射镜周期和所测量的相位误差来生成驱动信号的至少一个控制参数，并且基于基准反射镜周期和所测量的相位误差来确定驱动信号的驱动周期，其中驱动器电路被配置成：基于驱动信号的至少一个控制参数和驱动周期来生成驱动信号。
附图说明
在本文中参考附图描述实施例。
图1A是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统的示意图；
图1B示出了根据一个或多个实施例的反射镜设备的示例的示意性俯视图；
图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统的示意性框图；
图3图示了根据一个或多个实施例的由MEMS驱动器基于反射镜角度θ和/或位置生成的各种信号的信号图；
图4A图示了根据一个或多个实施例的微反射镜设备的角度振幅-频率响应曲线；
图4B图示了根据一个或多个实施例的微反射镜设备的角度振幅-频率响应曲线(顶部)和相位延迟-频率响应曲线(底部)；
图5图示了根据一个或多个实施例的振荡器控制系统的示意性框图；
图6图示了根据一个或多个实施例的振荡器控制系统的示意性框图；
图7图示了根据一个或多个实施例的振荡器控制系统的示意性框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述各种实施例。应当注意的是，这些实施例仅用于说明的目的，并且不应当被解释为限制性的。例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或元件，但是这不应当被解释为指示需要所有这些特征或元件来实施实施例。相反，在其他实施例中，特征或元件中的一些特征或元件可以被省略，或者可以被替换为备选的特征或元件。此外，除了明确示出和描述的特征或元件之外，还可以提供其他的特征或元件，例如传感器设备的常规部件。
除非另有特别说明，否则可以将来自不同实施例的特征组合以形成其他实施例。参照实施例中的一个实施例描述的变型或修改还可以适用于其他实施例。在一些情况下，为了避免使实施例难以理解，以框图形式而不是详细地示出已知的结构和设备。
除非另有说明，否则附图中所示出的或本文中所描述的元件之间的连接或耦合可以是基于导线的连接或无线连接。此外，只要基本上维持连接或耦合的一般目的(例如，传送特定种类的信号或传送特定种类的信息)，这种连接或耦合可以是不具有额外的中间元件的直接连接或耦合，或者可以是具有一个或多个额外的中间元件的间接连接或耦合。
实施例涉及光学传感器和光学传感器系统、以及获取关于光学传感器和光学传感器系统的信息。传感器可以指代将待被测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的部件。例如，物理量可以包括电磁辐射(诸如可见光、红外(IR)辐射或其他类型的照明信号)、电流或电压，但不限于此。例如，图像传感器可以是摄像机内部的硅芯片，该硅芯片将来自透镜的光的光子转换成电压。传感器的有源区域越大，可以收集越多的光来创建图像。
本文使用的传感器设备可以指代包括传感器和其他部件(例如，偏压电路装置、模数转换器或滤波器)的设备。尽管在其他实施例中，可以使用多个芯片或者还使用芯片外部的部件来实施传感器设备，但是传感器设备可以被集成在单个芯片上。
在光检测和测距(LIDAR)系统中，光源将光脉冲传送到视场中，并且光通过反向散射从一个或多个对象反射。特别地，LIDAR是直接飞行时间(TOF)系统，其中光脉冲(例如，红外光的激光束)被发射到视场中，并且像素阵列检测并测量反射束。例如，光电检测器的阵列接收来自被光照射的对象的反射。
然后，每个光脉冲跨像素阵列的多个像素的返回时间的差异可以用于制作环境的数字3D表示或生成其他传感器数据。例如，光源可以发射单个光脉冲，并且电耦合到像素阵列的时间-数字转换器(TDC)可以从发射光脉冲(对应于开始信号)的时间开始计数，直到在接收器处(即，在像素阵列处)接收到经反射的光脉冲(对应于停止信号)的时间为止。然后，光脉冲的“飞行时间”被转换为距离。
在另一个示例中，模数转换器(ADC)可以电耦合到像素阵列(例如，与位于中间的中间元件间接耦合)，以用于脉冲检测和ToF测量。例如，ADC可以用于利用适当的算法来估计开始/停止信号之间的时间间隔。例如，可以使用ADC来检测来自一个或多个光电二极管的模拟电信号，以利用适当的算法来估计开始信号(即，对应于发射光脉冲的定时)和停止信号(即，对应于在ADC处接收模拟电信号的定时)之间的时间间隔。
扫描(诸如，振荡的水平扫描(例如，从视场的左到右以及从右到左)或振荡的竖直扫描(例如，从视场的下到上以及从上到下))可以以连续扫描的方式照射场景。光源每次发射激光束可以在“视场”中产生扫描线。通过在不同扫描方向上发射连续的光脉冲，可以扫描被称为视场的区域，并且可以检测和成像该区域内的对象。因此，视场表示具有投影中心的扫描平面。还可以使用光栅扫描。
图1A是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统100的示意图。LIDAR扫描系统100是光学扫描设备，该光学扫描设备包括发射器和接收器，该发射器包括照明单元10、发射器光学元件11、以及一维(1D)的微机电系统(MEMS)反射镜12，该接收器包括第二光学部件14和光电检测器阵列15。
照明单元10包括多个光源(例如，激光二极管或发光二极管)，这些光源以单个条的形式线性对齐，并且被配置成发射用于扫描对象的光。由光源发射的光通常是红外光，尽管还可以使用具有另一波长的光。从图1的实施例可以看出，由光源发射的光的形状沿与传输方向垂直的方向扩展，以形成具有垂直于传输的长方形形状的光束。从光源发射的照明光指向发射器光学元件11，发射器光学元件11被配置成将每个激光聚焦到一维MEMS反射镜12上。例如，发射器光学元件11可以是透镜或棱镜。
当被MEMS反射镜12反射时，来自光源的光在竖直方向上被对齐，以针对所发射的每个激光射击(laser shot)形成红外光的一维竖直扫描线SL或竖直的红外光条。照明单元10的每个光源对竖直扫描线SL的不同竖直区域做出贡献。因此，光源可以同时被激活和同时被去激活以获得具有多个部段的光脉冲，其中每个部段均对应于相应的光源。然而，竖直扫描线SL的每个竖直区域或每个部段还可以通过接通或断开照明单元10的光源中的一个对应的光源而独立地被激活或禁用。因此，光的部分或全部竖直扫描线SL可以从系统100被输出到视场中。
因此，系统100的发射器是一种光学布置，其被配置成基于激光脉冲生成激光束，激光束具有在与激光束的传输方向垂直的方向上延伸的长方形形状。
此外，虽然示出了三个激光源，但是应当理解的是，激光源的数量并不限于此。例如，竖直扫描线SL可以由单个激光源、两个激光源或三个以上的激光源生成。
MEMS反射镜12是被集成在半导体芯片(未示出)上的机械移动反射镜(即，MEMS微反射镜)。根据该实施例的MEMS反射镜12被机械弹簧(例如，板簧，有时被称为悬臂梁)或挠曲部悬置，并且被配置成围绕单个轴线旋转，并且可以说对于移动仅具有一个自由度。由于该单个旋转轴线，MEMS反射镜12被称为1D MEMS反射镜。
为了使MEMS扫描反射镜对于振动具有鲁棒性，反射镜应当具有低的惯性，即，轻且刚性的反射镜主体。此外，反射镜应该针对反射镜主体的所有自由度(DOF)具有其悬置的高刚度。
为了实现轻且刚性的反射镜主体，反射镜主体可以包括相对较薄的反射镜和用于反射镜的较厚的加强结构。反射镜主体可以以能够围绕在由反射镜框架限定的平面中延伸的旋转轴线旋转的方式被布置在反射镜框架中。旋转轴线可以延伸到反射镜主体的彼此相对的第一端部和第二端部。反射镜可以在第一主表面上具有反射面，并且与第一主表面相对的第二主表面设置有增强结构。
为了实现高刚度悬置，如图1B所示，可以使用沿着旋转轴线延伸的支撑梁和附加的悬臂梁或板簧组件将反射镜主体支撑在反射镜框架中。一般地，如本文所限定的，板簧组件可以指代悬臂梁组件，反之亦然。类似地，板簧和悬臂梁可以互换使用。
悬臂梁组件可以具有纵向方向，并且可以在由框架限定的平面内延伸。支撑梁可以沿着旋转轴线在反射镜主体的相对的两端处被连接在反射镜主体与框架之间。悬臂梁组件可以具有悬臂梁，该悬臂梁经由浮雕结构(relief structure)在第一端处耦合到反射镜框架，并且在第二端处固定至反射镜主体。悬臂梁的垂直于框架平面的厚度可以小于悬臂梁在框架平面中的宽度。
反射镜主体的低惯性和高悬置刚度的结果可以是高谐振频率和良好的动态性能。这些特性还可以使围绕旋转主轴线以谐振频率操作的设备非常快。在正常操作中(即，在谐振时)，可以在反射镜镜尖处实现通常为10000G的加速度。这可以使得任何外部振动可被忽略不计。
由于悬置结构(即，悬臂梁)的刚度，MEMS反射镜12呈现出非线性行为，使得反射镜的振荡频率以非线性的方式随着振荡振幅(即，倾斜角振幅)的增加而增加。因此，悬置的硬化使MEMS反射镜12更加强烈地非线性。
MEMS反射镜12可以被组装在图2所示的芯片封装27中，以保护反射镜。例如，MEMS反射镜12可以在低压(即，低于大气压的压力)下密封在芯片封装中。这种低压可以提供MEMS反射镜12操作的低阻尼环境。
可设想的封装可以包括或不同于以下一种或多种变型：不同的衬底(例如，金属衬底(引线框)、陶瓷衬底、有机衬底(类似于印刷电路板(PCB)材料))和不同的光学盖或覆盖物(例如，玻璃、硅、蓝宝石等的光学材料)。此外，光学盖或覆盖物可以是形成腔的盖，可以集成在框架(例如，金属框架)中，或者组装到预模制的腔或陶瓷腔上。
一种或多种方法(例如，粘合、胶合、焊接、锻接等)或者一种或多种不同材料(例如，硅树脂、玻璃焊料、AuSn等)可以用于将一个或多个元件接合到一起(例如，将盖或盖子连接至衬底)。应当理解的是，接合方法可以跨本文公开的各种实施例互换。
备选地，可以使用晶圆级方法，使得形成腔的盖可以直接安装在MEMS芯片上(或者甚至在分割之前安装在晶圆级上)。这里，如果盖附件使电气焊盘暴露，则可以使用模制或铸造工艺将子安装芯片/盖进一步加工到封装中。
MEMS反射镜12是被集成在半导体芯片(未示出)上的机械移动反射镜(即，MEMS微反射镜)。根据该实施例的MEMS反射镜12被配置成绕单个扫描轴线旋转，并且可以说对于扫描而言仅具有一个自由度。与2D-MEMS反射镜(2D MEMS扫描器)不同，在1D MEMS反射镜中，单个扫描轴线被固定在非旋转衬底上，并且因此在MEMS反射镜的振荡期间维持其空间定向。因此，与2D MEMS反射镜解决方案相比，1D振荡MEMS反射镜在设计上对振动和冲击更鲁棒。由于旋转的该单个扫描轴线，MEMS反射镜12被称为1D MEMS反射镜或1D MEMS扫描器。尽管实施例描述了使用1D振荡MEMS反射镜，但是本文描述的同步方法还可以被扩展到2DMEMS反射镜。在该情况下，单个2D MEMS反射镜的两个轴线由不同的锁相环(PLL)控制，以便根据本文描述的任何同步技术使2D MEMS反射镜的根据第一轴线的第一扫描方向同步，并且根据本文描述的任何同步技术使2D MEMS反射镜的根据第二轴线的第二扫描方向同步。对于每个2D MEMS反射镜，不同的PLL还可以被提供在分离的MEMS驱动器中或者被集成到单个MEMS驱动器中。
MEMS反射镜12本身是非线性谐振器(即，谐振MEMS反射镜)，该非线性谐振器被配置成以谐振频率围绕单个扫描轴线13“侧对侧(side-to-side)”振荡，使得从MEMS反射镜12反射的光(即，光的竖直扫描线)在水平扫描方向上来回振荡。由于悬置的硬化，MEMS反射镜12更加强烈地非线性。例如，通过从视场的第一边缘(例如，左侧)到视场的第二边缘(例如，右侧)并且然后再次回到第一边缘的一个完整振荡来限定扫描周期或振荡周期。MEMS反射镜12的反射镜周期对应于扫描周期。
因此，通过改变MEMS反射镜12在其扫描轴线13上的角度，通过竖直光条在水平方向上扫描视场。例如，MEMS反射镜12可以被配置成在+/-15度之间以2kHz的谐振频率振荡，以使光转向超过+/-30度，这构成视场的扫描范围。因此，可以通过MEMS反射镜12在其运动度(degree of motion)上的旋转逐行地扫描视场。遍历运动度(例如，从-15度到+15度)的一个这种序列被称为单次扫描或扫描循环。多次扫描可以用于通过处理单元来生成距离和深度图以及3D图像。
虽然在MEMS反射镜的上下文中描述了传输反射镜(transmission mirror)，但是应当理解的是，还可以使用其他1D反射镜。此外，谐振频率或旋转程度并不分别限于2kHz和+/-15度，并且谐振频率和视场可以根据应用增加或减少。因此，一维扫描反射镜被配置成围绕单个扫描轴线振荡，并且在不同方向上将激光束引入视场。因此，传输技术包括将光束从围绕单个扫描轴线振荡的传输反射镜传送到视场中，使得光束以竖直扫描线SL的形式投射到视场中，该竖直扫描线SL随着传输反射镜围绕单个扫描轴线振荡而跨视场地水平移动。
在撞击到一个或多个对象时，竖直光的传送条通过朝向LIDAR扫描系统100的反向散射而反射为经反射的竖直线，其中第二光学部件14(例如，透镜或棱镜)接收反射光。第二光学部件14将反射光引导到光电检测器阵列15上，该光电检测器阵列15接收反射光作为接收线RL，并且被配置成生成电测量信号。电测量信号可以用于基于反射光(例如，经由TOF计算和处理)生成环境的3D图和/或其他对象数据。
接收线被示出为在像素列的纵向方向上沿着像素列中的一个像素列延伸的竖直光列。接收线具有与图1A所示的竖直扫描线SL相对应的三个区域。随着竖直扫描线SL跨视场水平移动，入射到2D光电检测器阵列15上的竖直光列RL也跨2D光电检测器阵列15水平移动。随着反射光束RL的接收方向的改变，反射光束RL从光电检测器阵列15的第一边缘移动到光电检测器阵列15的第二边缘。反射光束RL的接收方向对应于扫描线SL的传输方向。
光电检测器阵列15可以是多种光电检测器类型中的任意一种类型，包括雪崩光电二极管(APD)、光电管和/或其他光电二极管器件。诸如电荷耦合器件(CCD)之类的成像传感器可以是光电检测器。在本文提供的示例中，光电检测器阵列15是包括APD像素阵列的二维(2D)APD阵列。在其他实施例中，光电检测器阵列15可以是包括单列光电二极管的1D阵列。光电二极管的激活可以与由照明单元10发射的光脉冲同步。备选地，与阵列相反，可以使用单个光电检测器单元/像素。例如，在同轴LIDAR架构中的2x1D扫描发射器的情况下，可以使用单个光电检测器单元/像素。
光电检测器阵列15接收反射光脉冲作为接收线RL，并且响应于此生成电信号。由于已知来自照明单元10的每个光脉冲的传输时间，并且由于光以已知速度传播，因此使用电信号的飞行时间计算可以确定对象与光电检测器阵列15的距离。深度图可以绘制距离信息。
在一个示例中，对于每个距离采样，微控制器触发来自照明单元10的光源中的每个光源的激光脉冲，并且还启动时间-数字转换器(TDC)集成电路(IC)中的定时器。激光脉冲通过传输光学元件进行传播，被目标场反射，并且被APD阵列15中的APD捕获。APD发射短电脉冲，该短电脉冲然后被电信号放大器放大。比较器IC识别脉冲，并向TDC发送数字信号以停止定时器。TDC使用时钟频率来校准每个测量。TDC向微控制器发送开始数字信号和停止数字信号之间的差分时间的串行数据，该微控制器滤除任何错误读数，平均多次时间测量，并且计算与该特定场位置处的目标的距离。通过在由MEMS反射镜建立的不同方向发射连续的光脉冲，可以扫描区域(即，视场)，可以生成三维图像，并且可以检测该区域内的对象。
备选地，代替使用TDC方法，ADC可以用于信号检测和ToF测量。例如，每个ADC可以用于检测来自一个或多个光电二极管的模拟电信号，以利用适当的算法来估计开始信号(即，对应于发射光脉冲的定时)和停止信号(即，对应于在ADC处接收模拟电信号的定时)之间的时间间隔。
应当理解的是，上述水平扫描系统100还可以用于竖直扫描。在该情况下，扫描装置被布置成使得扫描方向旋转90°，使得扫描线SL和接收线RL在竖直方向上(即，从上到下或从下到上)移动。如此，扫描线是被投影到视场中的水平扫描线SL，当传输反射镜绕单个扫描轴线振荡时，该水平扫描线SL在竖直方向上跨视场移动。此外，随着水平扫描轴线SL在竖直方向上跨视场移动，入射在2D光电检测器阵列15上的水平光列RL也在竖直方向上跨2D光电检测器阵列15移动。
还应当理解的是，LIDAR扫描系统可以包括多个扫描反射镜12和对应的电路装置，以用于在水平方向和/或竖直方向上扫描不同视场。例如，交通工具可以包括被布置在交通工具上的不同位置处的多个扫描反射镜，以扫描不同的视场。备选地，被同步的MEMS反射镜可以被用在2x1D系统(诸如Lissajous扫描系统)中。在该情况下，MEMS反射镜被安装在交通工具中的相同位置，并且被配置成扫描相同的视场。
图1B示出了根据一个或多个实施例的反射镜设备的示例的示意性俯视图。参考图1B，现在解释诸如MEMS扫描微反射镜之类的反射镜设备的示例。反射镜设备包括反射镜主体8。反射镜主体8包括反射镜12和反射镜支撑部16。反射镜设备还包括框架17。反射镜主体8被布置在框架17中。框架17限定一个平面，即，图1B中的(x，y)平面。由框架17限定的平面可以平行于由其中形成框架17的一个或多个层的主表面限定的平面。
反射镜主体8可以围绕在由框架17限定的平面中延伸的旋转轴线13旋转。支撑梁18(也可以称为扭转梁)沿旋转轴线13被连接在反射镜主体8和框架17之间。更特别地，第一支撑梁18连接在反射镜主体8的第一端和框架17之间，并且第二支撑梁18连接在反射镜主体8的第二端和框架17之间，其中反射镜主体8的第二端在旋转轴线13的方向上与第一端相对。在图1B的右手侧中以放大部分C示出了支撑梁18中的一个支撑梁的放大图。可以看出，支撑梁18将反射镜支撑部16的部分连接到框架17的部分，并且允许反射镜主体8围绕旋转轴线13旋转。支撑梁18可以与旋转轴线13共线。
本领域技术人员应当理解，反射镜12的形状可以是特定应用所需的任何形状，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形或其他所需形状。
反射镜框架17限定其中布置有反射镜主体8的反射镜凹槽20。反射镜凹槽20由反射镜框架17的凹槽外围28限定。反射镜框架17还被构造为限定其中可以布置其他部件(诸如致动器和板簧组件)的另外的凹槽。
反射镜设备包括至少一个板簧组件30。在所示示例中，反射镜设备包括两对板簧组件30，其中每对中的板簧组件从反射镜主体8向相反方向延伸。在所示示例中，板簧组件30相对于旋转轴线13对称布置。
至少一个板簧组件30包括板簧32和浮雕连杆(relief link)34。浮雕连杆34可以具有一个或多个浮雕弹簧(relief spring)35。板簧32包括第一端32a和第二端32b。第一端32a耦合到反射镜主体8，并且第二端耦合到框架17。每个板簧32都在第一端32a和第二端32b之间具有纵向方向或延伸。第一端32a固定至反射镜支撑部(未示出)，并且第二端32b经由浮雕连杆34耦合到框架17。在示例中，从反射镜主体8的相同部分向不同方向延伸的两个板簧32的第一端32a可以彼此连接(例如，反射镜12左侧的板簧或反射镜12右侧的板簧)。
在一些示例中，反射镜12的形状可以在旋转轴线13的区域中包括凹部，其中板簧32的部分延伸到反射镜12的凹部中。在一些示例中，板簧32和反射镜12可以形成在同一材料层中，并且可以相邻于旋转轴线13彼此连接。
在一些示例中，板簧32可以在具有较低材料刚度的方向的单晶硅层中实施，其中板簧的纵向方向与较低材料刚度的方向对齐。在一些示例中，板簧32可以在具有<100>轴线的硅层中实施，并且板簧的纵向方向与<100>方向对齐，在这种情况下，该<100>方向具有较低材料刚度。
可以使用板簧组件30设置关于旋转轴线13的扭转刚度。一对支撑梁18在旋转轴线13处竖直地(即，垂直于框架17的主表面)支撑反射镜主体8。然而，支撑梁18对扭转刚度的影响可以忽略不计，使得反射镜主体的自然频率(natural frequency)可以主要由板簧组件30确定。自然频率可以基本上独立于支撑梁18。本文限定的自然频率是反射镜主体8(即，反射镜12)围绕其旋转轴线13的无阻尼频率。支撑梁18可以限定用于对应的动态模式和对应的谐振频率的平面外摇摆和竖直模式刚度。扭转刚度可以与平面外摇摆和竖直模式刚度解耦，使得可以在不影响扭转模式刚度和谐振频率的情况下，将平面外摇摆和竖直模式频率设置为期望值，诸如较高的值。如本文所限定的，Y轴沿着旋转轴线13，当反射镜12静止时，X轴在反射镜平面上垂直于Y轴，并且当反射镜12静止时，Z轴垂直于的反射镜平面并且在反射镜平面外。X、Y和Z轴是三维笛卡尔坐标系的轴。
在图1B所示的示例中，至少一个板簧32的一端在靠近旋转轴线13的位置处连接至反射镜主体8。另一端32b在远离旋转轴线13的位置处连接至相关联的浮雕连杆34。板簧组件30可以围绕旋转轴线13为反射镜主体8提供扭转刚度。浮雕连杆34可以提供从板簧32到框架17的顺应性的或柔性的耦合。浮雕连杆34可以纵向于板簧32(即，在图1B的X方向上)具有相对较低的刚度，当反射镜主体8围绕旋转轴线13旋转时，这允许板簧32的一端沿板簧32的纵向方向移动。浮雕连杆34可以在横向方向(即，图1B中的Z方向和Y方向)具有相对较高的刚度。
反射镜12绕旋转轴线13旋转的谐振频率可以主要由反射镜主体8的惯性和板簧组件30的刚度来限定，板簧组件30的刚度可以由板簧32的弯曲刚度以及浮雕连杆34的扭转和平移刚度来限定。板簧32的弯曲刚度可以由板簧32的长度、宽度、特别是厚度来限定。支撑梁18和浮雕连杆34在X方向上的组合刚度可以防止操作期间反射镜主体8垂直于旋转轴线13(沿X方向)的移动。下面提供关于浮雕连杆的更多细节。
支撑梁18沿旋转轴线13连接在框架17和反射镜主体8之间，以支撑框架17中的反射镜主体8。在一个示例中，支撑梁18具有垂直于旋转轴线13的窄矩形截面，其中矩形的长轴垂直于反射镜主体8和反射镜12的表面，并且矩形的短轴平行于反射镜12的表面。可以通过板簧组件30提供与反射镜主体8绕旋转轴线13的旋转相对应的扭转刚度。支撑梁18可以仅用于支撑反射镜主体8，并且对扭转刚度的影响可以忽略不计。支撑梁18的尺寸可以被确定为使得针对反射镜主体8的竖直位移(沿Z方向)和垂直于旋转轴线13(沿X轴)的平面外平移的刚度尽可能高。
反射镜设备还可以包括至少一个致动器40，以提供扭矩来绕旋转轴线13驱动反射镜主体8。在一个示例中，致动器可以包括附接至反射镜主体8的反射镜梳，该反射镜梳与附接至框架17的框架梳交错。在交错的反射镜梳和框架梳之间施加电位差可以在反射镜梳和框架梳之间创建驱动力，这可以关于旋转轴线13在反射镜主体8上创建扭矩。可以施加振荡的电位，来以反射镜设备的自然频率驱动反射镜设备。
在其他示例中，致动方法可以包括电磁致动和压电致动。在电磁致动中，微反射镜可以“浸没(immersed)”在磁场中，并且通过导电路径的交流电流可以关于旋转轴线13创建振荡的扭矩。压电致动器可以被集成在板簧中，或者板簧可以由压电材料制成，以响应于电信号产生交替的梁弯曲力并且生成振荡扭矩。
由于由板簧组件30引起的关于旋转轴线13的扭转刚度，MEMS反射镜12呈现出非线性行为，使得反射镜12的振荡频率以非线性的方式随着振荡振幅(即，倾斜角振幅)增加而增加。因此，板簧32随着反射镜旋转的硬化使MEMS反射镜12更加强烈地非线性。
图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统200的示意性框图。特别地，图2示出了LIDAR扫描系统200的附加特征，包括示例性处理和控制系统部件，诸如MEMS驱动器、接收器电路和系统控制器。
LIDAR扫描系统200包括：负责系统200的发射器路径的发射器单元21和负责系统200的接收器路径的接收器单元22。该系统还包括系统控制器23，该系统控制器23被配置成控制发射器单元21的部件和接收器单元22的部件，并且接收来自接收器单元22的原始数据，并且(例如，经由数字信号处理)对原始数据执行处理以生成对象数据(例如，点云数据)。因此，系统控制器23包括用于处理数据的至少一个处理器和/或处理器电路装置以及被配置成生成控制信号的控制电路装置(诸如微控制器)。LIDAR扫描系统200还可以包括温度传感器26。
接收器单元22包括光电检测器阵列15以及接收器电路24。接收器电路24可以包括用于接收和/或处理信息的一个或多个电路装置或子电路装置。接收器电路24可以接收来自光电检测器阵列15的APD二极管的模拟电信号，并且将电信号作为原始模拟数据或原始数字数据传送至系统控制器23。为了将原始数据作为数字数据传送，接收器电路24可以包括ADC和现场可编程门阵列(FPGA)。接收器电路24还可以接收触发控制信号，这些触发控制信号来自触发对一个或多个APD二极管的激活的系统控制器23。接收器电路24还可以接收用于控制一个或多个APD二极管的增益的增益设置控制信号。
发射器单元21包括照明单元10、MEMS反射镜12和被配置成驱动MEMS反射镜12的MEMS驱动器25。特别地，MEMS驱动器25致动并感测反射镜的旋转位置，并且向系统控制器23提供反射镜的位置信息(例如，关于旋转轴线的倾斜角或旋转程度)。基于该位置信息，照明单元10的激光源由系统控制器23触发，并且光电二极管(例如，APD二极管)被激活以感测并由此测量被反射的光信号。因此，MEMS反射镜的位置感测的更高准确性使得LIDAR系统的其他部件的控制更加准备和精确。
MEMS驱动器25还可以使用用于驱动MEMS反射镜12的致动器结构的梳驱动转子和定子中的电容变化来测量和记录反射镜频率和电流。MEMS反射镜12的致动器结构还包括上文讨论的悬置结构。因此，MEMS驱动器25还可以包括被配置成测量本文所述的MEMS反射镜12的一个或多个特性的测量电路。MEMS驱动器25还可以包括处理电路装置，该处理电路装置包括至少一个处理器(例如，模拟信号处理电路装置和/或数字信号处理电路装置)，这些处理器被配置成处理来自测量电路的测量信息，以评估MEMS反射镜12的机械健康和/或芯片封装的状态。
附加地或者备选地，系统控制器23可以从MEMS驱动器25的测量电路接收测量信息，并对测量信息执行处理。因此，系统控制器23还可以包括处理电路装置，该处理电路装置包括至少一个处理器(例如，模拟信号处理电路装置和/或数字信号处理电路装置)，这些处理器被配置成处理来自测量电路的测量信息，以评估MEMS反射镜12的机械健康和/或芯片封装的状态。
通过感测MEMS反射镜12围绕其旋转轴线13的旋转位置，MEMS驱动器25可以感测MEMS反射镜12的零交叉(zero-crossing)事件。零交叉事件是MEMS反射镜12在其旋转轴线13上具有0°的旋转角度时的情况。特别地，零交叉事件是MEMS反射镜12与框架平行或处于中立位置的时刻。中立位置还可以被称为静止位置(例如，当MEMS反射镜12在断开驱动力之后停止时)。由于MEMS反射镜12在两个旋转方向(例如，顺时针和逆时针)之间来回振荡，因此，在一个扫描周期期间发生两次零交叉事件——一次是反射镜沿第一旋转方向振荡，并且一次是反射镜沿第二旋转方向振荡。还应当理解的是，还可以使用在另一预先限定的角度处的角度交叉事件代替零交叉事件。
在一些实施例中，事件时间可以对应于非零交叉事件。例如，感测到的旋转角度可以是除0°之外的一些角度。然而，出于解释的目的，本文的示例将在感测零交叉事件的上下文中进行描述。
MEMS驱动器25被配置成：检测每个零交叉事件并且记录每个事件的定时。然后，可以将该定时信息(即，所测量的零交叉时间)传送给系统控制器23作为位置信息。特别地，MEMS驱动器25在每个零交叉事件或角度交叉事件处触发位置信号(position_L)的输出的改变。
图3图示了由MEMS驱动器25基于反射镜角度θ和/或位置生成的各种信号的信号图，该信号图包括位置信号(position_L)。例如，位置信号(position_L)可以是脉冲信号，在该脉冲信号期间，当反射镜沿第一旋转方向(例如，从左到右)振荡时，在零交叉处触发第一脉冲转变(例如，下降沿转变)，并且当反射镜沿第二旋转方向(例如，从右到左)振荡时，在零交叉处触发第二脉冲转变(例如，上升沿转变)。此外，当反射镜指向一个方向(例如，指向左)时，信号为“高”，并且当反射镜指向第二方向(例如，指向右)时，信号为“低”。因此，位置信号不仅通过触发脉冲转变来指示零交叉事件，而且还通过指示反射镜的方向性倾斜来指示绝对相位信息。随着零交叉事件之间的间隔增加，位置信号的频率也增加。基于该位置信号，可以比较两个或更多个位置信号的相位和/或频率。
备选地，在每个零交叉事件处，可以由MEMS驱动器25生成短脉冲，使得脉冲位置信号(position_L)被输出到系统控制器23。即，该信号在零交叉脉冲之间保持为低(或高)。在该情况下，将没有指示反射镜向哪个方向移动的绝对相位信息。基于该位置信号，可以比较两个或更多个位置信号的相位和/或频率。
MEMS驱动器25可以将位置信息发送给系统控制器23，使得系统控制器23可以使用位置信息来控制对照明单元10的激光脉冲的触发、以及对光电检测器阵列15的光电二极管的激活。位置信息还可以被系统控制器用作反馈信息，使得系统控制器23可以经由提供给MEMS驱动器25的控制信号，来维持MEMS反射镜12的稳定操作，并且还维持与其他MEMS反射镜的同步。
零交叉事件的定时信息还可以被MEMS驱动器25用于生成相位时钟信号(Phase_CLK)。相位时钟信号是具有固定数目的脉冲的高频信号(例如，14MHz)，该高频信号提供了MEMS反射镜12的细粒度相位信息。在该情况下，反射镜的移动在时域中被分为等距切片(受数字控制振荡器(DCO)频率生成器的量化误差影响)。“切片(slice)”可以被视为两个连续的零交叉事件之间的时间间隔的子部分。特别地，两个零交叉事件之间(即，两个Position_L信号或脉冲之间)的时间间隔被划分为相同的部分，以便在每个部分处生成信号脉冲。因此，相位时钟信号是如下的脉冲信号，该脉冲信号的频率取决于两个零交叉事件之间的时间间隔，其中时间间隔越短，频率越高。因此，相位时钟信号将反射镜的移动划分为明确数目的相位切片。MEMS驱动器25可以生成相位时钟信号，并且将相位时钟信号输出到系统控制器23。
图3还图示了每个振荡周期包括多个脉冲的相位时钟信号(Phase_CLK)，其中振荡周期由两个连续的零交叉事件之间的时间间隔限定。
MEMS反射镜12包括用于驱动反射镜的致动器结构。致动器结构包括由交叉的反射镜梳和框架梳制成的交叉指状电极，由MEMS驱动器25向其施加驱动电压(即，致动信号或驱动信号)。驱动电压可以被称为高电压(HV)。施加于指状结构的驱动电压生成对应的电容。跨指状结构的驱动电压在交叉的反射镜梳和框架梳之间创建驱动力，该驱动力关于旋转轴线在反射镜主体上创建扭矩。驱动电压可以被开关或切换，从而产生振荡的驱动力。振荡的驱动力使反射镜在反射镜的旋转轴线上在两个极值之间来回振荡。根据配置，可以通过调整驱动电压断开时间、驱动电压的电压水平或占空比来调节或调整该致动。
在其他实施例中，电磁致动器可以用于驱动MEMS反射镜12。对于电磁致动器，驱动电流(即，致动信号或驱动信号)可以用于生成振荡的驱动力。因此，应当理解的是，致动电压/驱动电压和致动电流/驱动电流可以在本文中互换使用来指示致动信号或驱动信号，并且二者通常都可以被称为驱动力。
随着反射镜的振荡，指状电极之间的电容根据反射镜的旋转位置而改变。MEMS驱动器25被配置成测量交叉指状电极之间的电容，并且从中确定MEMS反射镜12的旋转位置或角度位置。通过监控电容，MEMS驱动器25可以检测零交叉事件及其定时，并且可以在任何给定时刻确定MEMS反射镜12的倾斜角。MEMS驱动器25还可以使用所测量的电容来确定反射镜频率，并且将信息记录在MEMS驱动器25或系统控制器23处的存储器中。
基于被配置成测量电容的检测器，执行对MEMS反射镜12的位置的感测。例如，随着MEMS反射镜的移动，指状结构的几何结构发生改变，导致电容的几何结构发生改变。随着电容几何结构的改变，电容本身也发生改变。因此，特定电容与MEMS反射镜的特定位置(即，倾斜角)直接对应。通过感测指状结构的电容，MEMS驱动器25可以监控并跟踪反射镜的振荡，并且确定MEMS反射镜的特定位置，包括零交叉。
测量电容的一种方法是测量流过指状结构的电流，将所测量的电流转换成电压，并且然后还将电压与电容和/或旋转角度相关联。但是，可以使用任何测量电容的方法。通过测量电容随时间的改变来检测旋转方向(例如，正或负、从左到右或从右到左、顺时针或逆时针，等等)，其中正或负的改变指示相反的旋转方向。MEMS驱动器25还可以记录在测量电容期间测量的电流和电压。因此，提高反射镜的位置感测的准确性可以提高LIDAR系统的整体准确性。
由于反射镜以振荡频率(例如，2kHz)被驱动，所以当反射镜沿第一旋转方向(例如，从左向右或顺时针)旋转时，反射镜在特定时间点与零位置(即，0°)交叉。同样，当反射镜沿第二旋转方向(例如，从右向左或逆时针)旋转时，反射镜将在特定时间点与零位置交叉。与零位置交叉的这些情况可以被称为发生在零交叉时间的零交叉事件。
图4A图示了根据一个或多个实施例的微反射镜设备的角度振幅-频率响应曲线。特别地，图4A绘制了MEMS反射镜12的反射镜角度θmirror与反射镜频率fm的关系。图中的两个轴都是任意单位。完整的响应曲线包括顶部响应曲线(1)和底部响应曲线(0)。顶部响应曲线(1)还可以被称为操作响应曲线，其中频率扫过操作范围。相反，底部响应曲线(0)可以被称为非操作响应曲线，该非操作响应曲线在达到振幅操作范围之前存在。完整的响应曲线可以被测量，并且被存储在LIDAR系统200的存储器中(例如，在系统控制器23中)。
现在将描述MEMS反射镜从点1到点7的操作流程，在此期间通过MEMS驱动器25向MEMS反射镜12施加恒定的驱动电压。这里，“恒定的驱动电压”是指在致动(即，接通)时驱动电压是相同的电压。然而，应当理解的是，驱动电压被接通和断开以产生反射镜振荡。
如之前段落所述，图上的所有点均在由MEMS驱动器25提供的相同驱动电压下操作。驱动电压仅拉伸或压缩曲线(即，由于由更高的驱动电压投入更多的能量，可以达到更高的频率和更大的倾斜角)。
MEMS反射镜的操作从底部响应曲线(0)上的起始频率fstart处的点1开始。这里，MEMS驱动器25启动对MEMS反射镜12的驱动电压信号。作为响应，MEMS反射镜12将根据fstart的值开始稍稍移动(例如，以低角度)。从起始频率fstart开始，反射镜频率向下扫频(即，减小，从右向左)。
降低频率，以使反射镜与所提供的驱动信号同步(即，减小二者之间的相位偏移)。由于随时间的推移施加更多的能量(即，恒定的驱动电压)，反射镜继续轻微地移动到谐振之外，直到跳变频率(jump frequency)fjump(点2)。即，反射镜频率继续降低，直到找到不稳定点，并且反射镜振荡的振幅在点2处增加(180相移，因此跳变)。在跳变频率处，反射镜相位从θjump0(点2)偏移180度到θjump1(点3)，在此，输入的能量转化为运动。
在点4处，反射镜频率fm开始向上扫频(即，增大，从左到右)。沿顶部响应曲线，反射镜相位可以继续增大。在点5处，反射镜处于稳定操作区域(同相，但偏移)。反射镜在点5处可以处于最佳谐振。然而，如果反射镜频率继续增加到点6，则反射镜相位在回退频率(fallback frequency)ffb处达到回退相位0＝θfb1。因此，在点6的该临界点前，反射镜的倾斜角最大。
回退频率ffb是反射镜可以在所建立的驱动电压处维持的最大频率。回退点或临界点是如下的点，在该点处，通过驱动电压输入反射镜系统的势能等于反射镜系统抵抗该势能的动能(同相，无偏移)，将其推过该点会干扰平衡，并失去谐振。因此，在点6处，系统中没有足够的能量来维持反射镜相位，并且相位偏移180度，并且在回退相位θfb0处回退到底部响应曲线(0)。
点7是底部响应曲线(0)上的回退点，并且是反射镜所回退到的相位角。由于驱动电压仍然存在，因此该相位角不是必须为零度，但是反射镜不再同相。可以在点7或点1处再次开始循环。
图4B图示了根据一个或多个实施例的微反射镜设备的角度振幅稳态响应曲线(顶部)和相位延迟稳态响应曲线(底部)。针对两个图，示出了在使用具有50％占空比的60V方波致动情况下的频率响应。驱动信号的频率是反射镜频率fm的两倍。延迟由反射镜的零交叉与驱动信号的负边缘之间的时间限定(即，如果反射镜的零交叉在负驱动边缘之前发生，则相位为正)。
实施例涉及用于非线性振荡器的角度振幅和相位控制的控制结构，该非线性振荡器具有角度振幅和频率之间的相关性，其中振幅-频率(AF)相关性可以是明显的。如果只有相对噪声较大的振幅测量可用，则可以将振荡器频率改变用作振幅误差估计的备选，这允许更高的控制带宽。控制带宽限定了系统可以跟踪参考信号(例如，反馈信号)的速度。
图5图示了根据一个或多个实施例的振荡器控制系统500的示意性框图。图5对图6和图7通用，振荡器控制系统500包括级联控制结构，该级联控制结构包括慢的外控制回路和更快的内控制回路。特别地，振荡器控制系统500包括：振幅控制器51，该振幅控制器51表示外控制回路；周期和相位控制器52，该周期和相位控制器52表示内控制回路；以及振荡器53，该振荡器53包括由周期和相位控制器52驱动的振荡结构。振荡器53的振荡结构是非线性振荡器，该非线性振荡器在角度振幅和频率之间具有相关性。振荡器53可以包括例如MEMS反射镜12作为其振荡结构。
因此，两个控制器51和52被级联，因为振幅控制器51的输出被提供作为到周期和相位控制器52的输入。周期和相位控制器52是多输入多输出(MIMO)控制器52，该多输入多输出(MIMO)控制器52被配置成生成用于驱动振荡器53的控制信号U和Tdr。基于控制器52的两个输入来生成和调整控制器52的两个输出。另外，控制器52被配置成具有比控制器51的控制带宽高的控制带宽。
变量A是在振幅控制器51处接收的角度振幅。由于振幅控制器51使用噪声较大的振幅测量A，因此振幅控制器51具有低的控制带宽。角度振幅A由检测电路(未图示)测量。
变量Tref是由振幅控制器51基于所测量的角度振幅A生成的基准振荡器周期，其中在MEMS反射镜12振荡时，外控制回路将振幅误差控制为平均为零(即，平均振幅误差为零)。
变量ΔT是在周期和相位控制器52处接收的相位误差。该相位误差ΔT由检测电路(未图示)测量。
变量U表示由周期和相位控制器52响应于基准振荡器周期Tref和相位误差ΔT生成的一个或多个控制参数(例如，电压水平、占空比、用于相位控制的基准相位等)。周期和相位控制器52基于基准振荡器周期Tref和相位误差ΔT来改变控制参数U，基准振荡器周期Tref又基于振幅测量A而改变。特别地，周期和相位控制器52结合驱动周期Tdr改变控制参数U，以便满足基准振荡器周期Tref并且实现零相位误差。
变量Tdr是由周期和相位控制器52施加的驱动周期(即，振荡周期)。周期和相位控制器52可以包括驱动PLL，该驱动PLL适配Tdr以补偿相位误差ΔT并且实现基准振荡器周期Tref。周期和相位控制器52由于高信噪比(SNR)相位检测信号而以高控制带宽适配Tdr。然而，对驱动周期Tdr的改变或补偿可以比对控制参数U的补偿慢。在该情况下，控制参数U快速改变，而驱动周期Tdr仅以比控制参数U慢的速度适度地被适配。
周期和相位控制器52同时生成控制参数U和驱动周期Tdr，以将振荡器53驱动至基准振荡器周期Tref，并且以高控制带宽同时补偿相位误差ΔT。
鉴于以上内容，振荡器控制系统500包括慢的外回路51，该外回路51使用(可能会具有噪声的)振幅测量A来导出与所期望的振幅(即，基准振幅)相对应的基准振荡器周期Tref，其中振幅误差平均为零。然后，内回路以高带宽控制相位和振荡器周期误差(并且因此控制振幅)。作为结果，振荡器控制系统500将可精确测量的振荡器周期Tm用作振幅等效参数(A-f效应)，并且补偿与所期望的周期和相位的偏差。
应当提及的是，与例如具有动态尖端表面相互作用的悬臂梁不同，振荡器53的振幅对频率的相关性被假设为恒定或至少缓慢改变。即使在外部干扰的情况下，用于内回路52的基准振荡器周期Tref仍在短时间尺度内呈现期望的振幅。另外，与要求振幅和频率(或相位)测量都要精确以实现高控制带宽的其他振荡器控制系统不同，本文描述的实施例仅要求精确的相位测量(即，相位误差ΔT)，而振幅测量A可以具有较大噪声并且不那么精确。
图6图示了根据一个或多个实施例的振荡器控制系统600的示意性框图。特别地，振荡器控制系统600包括完全级联的控制结构，该控制结构包括慢的外控制回路和更快的内控制回路。因此，类似于振荡器控制系统500，振荡器控制系统600包括：振幅控制器51，该振幅控制器51表示外控制回路的一部分；周期和相位控制器52，该周期和相位控制器52表示内控制回路的一部分；以及振荡器53，该振荡器53由周期和相位控制器52驱动。振荡器53包括MEMS反射镜12作为非线性振荡器，该非线性振荡器在其角度振幅和其频率之间具有相关性。振荡器53还包括检测电路61，该检测电路61被配置成测量MEMS反射镜12的角度振幅θ(对应于图5中的角度振幅A)和相位误差ΔT。
由于梳致动的MEMS反射镜的非线性，MEMS反射镜显示出振幅和频率之间的显著的非线性相关性，如图4B所示的开环频率响应所示。在高振幅(例如，大于8在)下，该行为主要由顶部响应曲线(即，主干曲线)支配，该顶部响应曲线表示反射镜的纯机械行为。
因此，反射镜周期反映反射镜的振幅，并且可以根据等式(1)从驱动PLL的相位检测信号估计出反射镜周期。
Figure BDA0002889124550000241
其中
Figure BDA0002889124550000242
是反射镜的第i个所估计的半周期，
Figure BDA0002889124550000243
是第i个所施加的驱动周期，
Figure BDA0002889124550000244
是对应的第i个所测量的相位误差，并且
Figure BDA0002889124550000245
是对应的第i-1个所测量的相位误差(即，先前测量的相位误差)。因此，
Figure BDA0002889124550000251
和
Figure BDA0002889124550000252
表示用于计算反射镜周期的两个连续的相位误差。先前的相位误差
Figure BDA0002889124550000253
可以被存储在存储器中以用于等式(1)。控制器52基于所测量的相位误差、基准振荡器周期Tm,ref和所估计的反射镜周期Tm来计算驱动周期Tdr和附加控制参数U，所估计的反射镜周期Tm由控制器52使用等式(1)来计算。
为了一般的描述，相位误差被限定为：在MEMS反射镜12的所测量的(实际)零交叉与由内控制回路52给出的预期零交叉
Figure BDA0002889124550000254
之间的时间。按照限定，通过
Figure BDA0002889124550000255
来计算随后的预期零交叉，其中
Figure BDA0002889124550000256
是第i+1个所施加的驱动周期，依此类推。因此，如果
Figure BDA0002889124550000257
是当前施加的驱动周期，则
Figure BDA0002889124550000258
是下一个被施加的驱动周期。因此，下一个被施加的驱动周期由两个连续的零交叉
Figure BDA0002889124550000259
限定。
此外，在该实施方式中，假设在预期的零交叉事件处或至少在短的处理时间(该短的处理时间相对于反射镜周期可以忽略)之后，反馈测量θ和ΔT可用。例如，移位寄存器62和63可以分别存储测量样本θ和ΔT，其产生单位采样延迟时间周期(z-1)。
如果满足等式(2)，则振荡器控制系统600的完全级联结构是优选的：
Figure BDA00028891245500002510
其中θ是反射镜标称振幅，并且σθ和
Figure BDA00028891245500002511
分别是振幅测量的标准偏差和反射镜周期估计的标准偏差。
在图6中，振幅噪声测量和相位噪声测量分别由
Figure BDA00028891245500002512
和
Figure BDA00028891245500002513
表示。这些输入对应于检测器的噪声特性，并且被自然地添加到它们相应的振幅和相位误差测量中。例如，实际测量的相位误差值包括真实值(例如，ΔT)和噪声/不确定度
Figure BDA00028891245500002514
另外，Δdext,i+1表示施加于MEMS反射镜12的外部干扰(例如，振动)。反射镜周期梯度
Figure BDA00028891245500002515
可以被测量(例如，从图4B的响应曲线中)，从反射镜动态特性中被计算，或者从所测量的振幅和反射镜周期误差中估计。如果满足等式(2)，对于反射镜振幅变化，反射镜周期是比反射镜测量本身更好的估计。因此，仅通过使用等式(1)的驱动PLL的相位检测信号就可以较好地处理由环境波动Δdext,i(诸如，振动)引起的、反射镜振幅的快速改变。
慢的外回路包括角度振幅误差生成器64和振幅控制器51。角度振幅误差生成器64被配置成接收来自反馈路径(例如，来自寄存器62)的第i个所测量的角度振幅θi以及基准角度振幅θref，并且基于第i个所测量的角度振幅θi以及基准角度振幅θref，来生成振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000261
特别地，从第i个所测量的角度振幅θi减去基准角度振幅θref，来生成振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000262
振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000263
可以是与振幅有关的任何测量(例如，6°至0°时间)。
角度振幅误差生成器64还可以接收第i个振幅噪声测量
Figure BDA0002889124550000264
并且基于三个输入来生成振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000265
特别地，从第i个所测量的角度振幅θi和第i个振幅噪声测量
Figure BDA0002889124550000266
之和中减去基准角度振幅θref，以生成振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000267
振幅控制器51基于所接收的振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000268
生成基准反射镜周期
Figure BDA0002889124550000269
其中，如果反射镜振荡，则振幅误差平均为零。由于外环可能相当慢，因此振幅误差测量
Figure BDA00028891245500002610
的精确度
Figure BDA00028891245500002611
无关紧要，而仅关心其准确性。在一个集合的测量中，准确性是指测量与特定值的接近度，而精确度是指测量彼此之间的接近度。
较快的内回路包括相位误差生成器65以及周期和相位控制器52。如上所述，相位噪声被自然地添加到真实的相位误差。相位误差生成器65被配置成从反馈路径(例如，从寄存器63)接收第i个所测量的相位误差ΔTi并且接收相位噪声测量
Figure BDA00028891245500002612
并且生成表示第i次测量的总相位误差的、相加后的相位误差
Figure BDA00028891245500002613
周期和相位控制器52被配置成接收相加后的相位误差
Figure BDA00028891245500002614
并且通过使用等式(1)将MEMS反射镜12驱动到由外环提供的基准反射镜周期
Figure BDA00028891245500002615
并且补偿相位误差ΔTi。特别地，周期和相位控制器52被配置成使相位误差ΔT以及
Figure BDA00028891245500002616
与
Figure BDA00028891245500002617
之间的周期误差最小化。周期和相位控制器52通过基于基准振荡器周期Tm,ref和相位误差ΔT生成控制参数U来做到这一点，并且还基于基准振荡器周期Tm,ref和相位误差ΔT同时生成驱动周期Tdr。因此，控制参数U和驱动周期Tdr都取决于两个输入：基准振荡器周期Tm,ref和相位误差ΔT。
特别地，周期和相位控制器52使用等式(1)来计算所估计的反射镜周期Tm，并且然后将反射镜周期误差计算为所估计的反射镜周期Tm与基准反射镜周期Tm,ref之间的差异。周期和相位控制器52使用MEMS反射镜12的相位误差ΔT和周期误差两者来生成、调整和/或补偿控制参数U和驱动周期Tdr。
根据等式(1)，周期和相位控制器52被配置成：基于所测量的相位误差与驱动周期之和减去的先前测量的相位误差，来估计振荡器结构的振荡器周期。因此，周期和相位控制器52被配置成：估计振荡器结构的振荡器周期，基于所估计的振荡器周期和基准振荡器周期来确定振荡器周期误差，以及适配驱动周期和驱动信号的至少一个控制参数，来补偿所测量的相位误差和所确定的振荡器周期误差。所确定的振荡器周期误差是所估计的振荡器周期与基准振荡器周期之间的差异。
作为结果，控制器52将振荡器53驱动到基准振荡器周期Tm,ref以校正周期误差，并且同时补偿相位误差ΔT。由于精确的相位检测(例如，
Figure BDA0002889124550000271
的标准偏差是低的)，因此可以快速控制反射镜振幅和反射镜相位。
振荡器控制系统600包括驱动器电路66，驱动器电路66被配置成生成经调制的(例如，脉宽调制(PWM))驱动信号Vdrive(即，驱动电压)来驱动MEMS反射镜12。驱动器电路66包括驱动PLL的可变/可配置的振荡器，其中可变/可配置的振荡器用于驱动MEMS反射镜12，并且将MEMS反射镜12维持在稳定状态。PLL包括相位检测器、回路滤波器/控制器和可变振荡器，并且检测电路61可以从驱动PLL的不同级提取信号，以进行与MEMS反射镜12的操作有关的测量。例如，检测电路61可以测量角度振幅、反射镜周期、反射镜频率和反射镜相位。因此，检测电路61可以与驱动器电路66集成在一起，如图2中所示(参见MEMS驱动器25)。应当注意的是，周期和相位控制器52是驱动PLL以及可配置振荡器的一部分。
基于由周期和相位控制器52生成并且从周期和相位控制器52接收的一个或多个控制参数，驱动器电路66使用驱动PLL来调制驱动信号Vdrive。驱动器电路66可以使用控制参数来改变驱动电压的电压水平、占空比、周期和/或基准相位。例如，控制参数U可以包括用于设置驱动信号的驱动电压水平的
Figure BDA0002889124550000281
并且包括用于调制驱动信号的切换的定时的切换参数
Figure BDA0002889124550000282
和
Figure BDA0002889124550000283
另外，
Figure BDA0002889124550000284
是另一个切换参数，该切换参数设置驱动信号的驱动周期，该驱动周期由在t0i和t0i+1处的两个连续的预期零交叉时间限定。
Figure BDA0002889124550000285
设置驱动电压在信号周期中的接通时间，并且
Figure BDA0002889124550000286
设置驱动电压在信号周期中的关断时间。接通时间限定了在驱动周期Tdr内从低电压水平到高电压水平的转变，并且关断时间限定了在驱动周期Tdr内从高电压水平到低电压水平的转变。
控制参数
Figure BDA0002889124550000287
和Tdr中的至少两个控制参数取决于基准振荡器周期Tm,ref和相位误差ΔT，并且由控制器52适配来最小化相位和周期误差。在一些情况下，所有控制参数基于两个输入而被适配，并且用于使相位和周期误差最小化。在一些情况下，驱动周期Tdr和控制参数U中的至少一个控制参数基于两个输入而被适配，并且用于使相位和周期误差最小化。
还应当注意的是，尽管在本示例中使用方波驱动，但是应当理解的是，可以使用其他波形。例如，可以使用正弦波，并且控制参数U可以包括由控制器52基于基准振荡器周期Tm,ref和相位误差ΔT设置的振幅、频率和相位。
为了通过改变驱动电压水平
Figure BDA0002889124550000288
来实现快速振幅控制，应当使用低的建立时间，以便在
Figure BDA0002889124550000289
内达到期望的振幅值。但是，如果驱动电压可以被快速改变，则由于带宽随着
Figure BDA00028891245500002810
(其中第二项在理想情况下应当为零)增加，通过电流感测进行的相位检测可能会具有较大噪声。
为了实现大控制带宽而不在电流感测中引入更多的噪声，驱动电压Vdrive被认为只能在两个电压水平状态(例如0V和不同于0V的某个电压值(即，
Figure BDA0002889124550000291
))之间切换，而控制通过调节切换的定时(即，使用控制参数
Figure BDA0002889124550000292
和
Figure BDA0002889124550000293
)来执行。然而，为了补偿环境条件的缓慢漂移(例如，压力改变和老化)，还可以缓慢地适配驱动电压的非零状态，而不损害感测。
振幅控制器51以及周期和相位控制器52可以是由合适的MEMS反射镜模型设计的非线性或线性控制器。一种使用简单的低增益比例积分(PI)控制器作为振幅控制器51，并且使用线性二次高斯(LQG)调节器作为周期和相位控制器52的可行方案通过线性化模型在所期望的操作点被设计。同样，可以实施提供例如快速振幅变化的前馈算法。
为了减小控制自由度(DoF)，驱动电压Vdrive的接通可以被固定为
Figure BDA0002889124550000294
因此，在梳驱动不会产生明显扭矩的最大角度点(即，最大振幅点)处，接通电压。其余的控制自由度是关断时间
Figure BDA0002889124550000295
和驱动周期
Figure BDA0002889124550000296
由于驱动周期
Figure BDA0002889124550000297
限定了下一个预期的零交叉，因此它直接影响下一个相位误差，而
Figure BDA0002889124550000298
通过注入能量或将能量排出而仅影响反射镜动态特性。为了实现到基准反射镜周期Tm,ref的快速收敛并且还实现由于感测噪声引起的驱动周期的低变化，与对驱动周期
Figure BDA0002889124550000299
的反应相比，
Figure BDA00028891245500002910
应当对相位误差和周期误差反应更快。
鉴于上述内容，外回路调节用于内回路的反射镜基准反射镜周期
Figure BDA00028891245500002911
使得振幅误差变为平均为零。内回路将MEMS反射镜12驱动至期望的反射镜基准周期，并且使用控制参数U和驱动周期Tdr两者来补偿残余相位误差ΔTi。
图7图示了根据一个或多个实施例的振荡器控制系统700的示意性框图。特别地，振荡器控制系统700包括混合级联的控制结构，该控制结构包括慢的外控制回路和更快的内控制回路。除了振荡器控制系统700包括补充反馈路径70之外，振荡器控制系统700与图6中描绘的振荡器控制系统600相同，补充反馈路径70在一端耦合到角度振幅误差生成器64的输出，并且在另一端耦合到周期和相位控制器52的输入。因此，补充反馈路径70将振幅控制器51旁路，并且将振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000301
直接提供给周期和相位控制器52，周期和相位控制器52使用所接收的振幅误差测量和所估计的反射镜周期误差来控制参数Tdr和U。所估计的反射镜周期误差是所估计的反射镜周期Tm与基准反射镜周期Tm,ref之间的差异。
当不满足等式(2)时，使用补充反馈路径70。例如，如果
Figure BDA0002889124550000302
或至少针对一些外部影响条件，反射镜周期变化不能正确表示振幅，则混合级联实施方式是优选的，因为直接和间接振幅测量的组合会导致更好的检测SNR。因此，如所示出的，振幅误差测量被转发到内回路。
作为结果，如图6中所述，周期和相位控制器52接收基准反射镜周期
Figure BDA0002889124550000303
和相加后的相位误差
Figure BDA0002889124550000304
以及振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000305
周期和相位控制器52使用振幅误差测量
Figure BDA0002889124550000306
来减小测量的不确定性，并且计算控制参数U和驱动周期Tdr，以便将MEMS反射镜12驱动到基准反射镜周期Tm,ref并且使相位误差最小化。
在系统500、600和700中，振幅控制器51以及周期和相位控制器52可以包括前馈算法和反馈算法的组合。反馈信号可以是逐周期的测量或连续的/经采样的信号。前馈算法和反馈算法可以由振荡器模型设计，该振荡器模型可以由所测量的振荡器响应或由数学模型导出。
另外，可以实施由专用标识程序和算法进行的离线模型标识或在线模型标识。离线模型标识可以使用MEMS反射镜12的非线性模型或使用线性化模型，该线性化模型在MEMS反射镜12的所期望的操作点附近有效。标识做一次，并且利用相同的参数操作MEMS反射镜12。在线模型标识可以使用MEMS反射镜12的非线性模型或使用线性化模型，该线性化模型在MEMS反射镜12的所期望的操作点附近有效。通过观察专用参数，在MEMS反射镜12的操作期间进行标识。
调节回路(例如，检测电路61和系统控制器23)将MEMS反射镜12对调节过程的所测量的反应与预期反应进行比较，并且基于比较结果，确定MEMS反射镜12在操作期间的所谓的实际振幅/频率特性。如果与振荡器模型相比，该特性随时间改变，并且如果该改变不能由温度相关性来解释，则这可以指示MEMS反射镜12的机械退化。这可以被报告给系统控制器23，以在MEMS反射镜12在操作期间破裂之前，用信号发出及时更换MEMS反射镜12的请求。因此，可以通过监控与预期模型的操作偏差来预计对MEMS反射镜12的更换。
在线标识的一个示例是在频率行为(即，A-f效应)上估计局部反射镜振幅。使用从驱动PLL提取的信号，检测电路61测量角度振幅和反射镜周期，并且系统控制器23评估例如以下等式
Figure BDA0002889124550000311
其中Θm和Tm是分别包含针对角度振幅和反射镜周期的测量值的矢量，并且
Figure BDA0002889124550000312
是观察到的标量参数(例如，通过最小二乘法拟合)。在变量处的增量符号Δ指示与其标称值的偏差，并且因此是测量值和对应标称值的增量值。换句话说，ΔΘm和ΔTm是针对所测量的角度振幅和反射镜周期的误差值。标称值由所期望的操作点限定，反射镜应当在该操作点处操作。如果观察到的参数
Figure BDA0002889124550000313
突然改变，则观察到的参数
Figure BDA0002889124550000314
可以用于控制或用于疲劳检测。当检测到参数
Figure BDA0002889124550000315
的突然改变(例如，参数
Figure BDA0002889124550000316
超过阈值)时，系统控制器23可以生成指示MEMS反射镜12应当被更换的警告信号。
尽管本文描述的实施例涉及一种具有反射镜的MEMS设备，但是应当理解的是，其他实施方式可以包括除MEMS反射镜设备(包括其他非线性振荡结构)之外的光学设备，该光学设备包括那些与LIDAR无关的设备。另外，尽管已经在装置的上下文中对一些方面进行了描述，但是清楚的是，这些方面还呈现了对相应方法的描述，其中框或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。同样，在方法步骤的上下文中描述的各个方面还呈现了对相应的装置的相应的框或项或特征的描述。方法步骤中的一些或全部方法步骤可以由(或使用)硬件装置(例如，微处理器、可编程计算机或电子电路)执行。在一些实施例中，这种装置可以执行方法步骤中的一个或多个方法步骤。
虽然已经对各种实施例进行了描述，但是对于本领域技术人员而言，显而易见的是，在本公开的范围内，更多的实施例和实施方式是可能的。因而，除了根据所附权利要求及其等同物之外，本发明不受约束。关于由上文所描述的部件或结构(组件、设备、电路、系统等)所执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术语(包括对“手段”的引用)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件或结构(即，其在功能上等同)，即使在结构上不等同于本文中所图示的发明的示例性实施方式中的执行该功能的被公开的结构。
此外，所附权利要求在此并入到具体实施方式中，其中每个权利要求可以作为单独的示例实施例而单独存在。虽然每个权利要求可以作为单独的示例实施例而单独存在，但是应当指出，尽管从属权利要求可以在权利要求中是指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施例还可以包括从属权利要求与彼此的从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。除非指出不旨在特定组合，否则本文中提出了这样的组合。此外，旨在将权利要求的特征也包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接地从属于该独立权利要求。
还应当指出的是，说明书或权利要求书中所公开的方法可以由具有用于执行这些方法的各个动作中的每个动作的手段的设备来实现。
还应当理解的是，说明书或权利要求书中所公开的多个动作或功能的公开内容可以不被解释为在特定次序内。因此，除非由于技术原因导致这些动作或功能不可互换，否则多个动作或功能的公开内容不会将它们限制为特定次序。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分解成多个子动作。除非明确排除，否则这些子动作可以包括在内，并且是该单个动作的公开内容的一部分。
指令可以由一个或多个处理器(诸如一个或多个中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等同的集成或分立逻辑电路装置)执行。因而，如本文中所使用的术语“处理器”或“处理电路装置”是指前述结构或适合于实现本文描述的技术的任何其他结构中的一种结构。另外，在一些方面中，可以在专用硬件和/或软件模块内提供本文描述的功能。此外，可以在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现该技术。
因此，可以至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合来实现本公开中所描述的技术。例如，所描述的技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，这些处理器包括一个或多个微处理器、DSP、ASIC、或任何其他等同的集成或分立逻辑电路装置、以及这些部件的任何组合。
包括硬件的控制器还可以执行本公开中所描述的技术中的一种或多种技术。这种硬件、软件和固件可以在同一设备内或在分开的设备内实现以支持本公开中所描述的各种技术。软件可以存储在非暂态计算机可读介质上，使得该非暂态计算机可读介质包括存储在其上的程序代码或程序算法，该程序代码或程序算法当被执行时使得控制器经由计算机程序执行方法步骤。
尽管已经公开了各种示例性实施例，但是对于本领域技术人员而言明显的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改实现本文中所公开的概念的优点中的一些优点。对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以适当替换执行相同功能的其他部件。应当理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构改变或逻辑改变。应当提及的是，即使在未明确提及的特征中，参考特定附图所解释的特征也可以与其他附图的特征组合。对总发明构思的这种修改旨在由所附权利要求书及其合法等同物涵盖。

Claims (26)

1.一种振荡器控制系统，包括：
振荡器结构，被配置成绕轴线振荡，其中所述振荡器结构的角度振幅和频率具有非线性相关性；
驱动器电路，被配置成生成驱动信号，以驱动所述振荡器结构的振荡；
检测电路，被配置成测量所述振荡器结构的所述角度振幅和相位误差；
外控制回路，包括振幅控制器，所述振幅控制器被配置成基于所测量的所述角度振幅来生成基准振荡器周期；以及
内控制回路，包括周期和相位控制器，所述周期和相位控制器被配置成：接收来自所述外控制回路的所述基准振荡器周期、和来自所述检测电路的所测量的所述相位误差；基于所述基准振荡器周期和所测量的所述相位误差，来生成所述驱动信号的至少一个控制参数；并且基于所述基准振荡器周期和所测量的所述相位误差，来确定所述驱动信号的驱动周期，
其中所述驱动器电路被配置成：基于所述驱动信号的所述至少一个控制参数和所述驱动周期，来生成所述驱动信号。
2.根据权利要求1所述的振荡器控制系统，其中：
所述外控制回路还包括振幅误差生成器，所述振幅误差生成器被配置成：接收所测量的所述角度振幅和基准角度振幅，并且基于所测量的所述角度振幅和所述基准角度振幅之间的差异，来生成振幅误差测量，并且
所述振幅控制器被配置成：接收所述振幅误差测量，并且基于所述振幅误差测量生成所述基准振荡器周期。
3.根据权利要求2所述的振荡器控制系统，其中所述振幅控制器被配置成：基于所述振幅误差测量来生成所述基准振荡器周期，以使在所述振荡器结构振荡的同时，所述振幅误差测量变为平均为零。
4.根据权利要求2所述的振荡器控制系统，还包括：
补充反馈路径，耦合到所述振幅误差生成器的输出，并且所述补充反馈路径被配置成将所述振幅误差测量传送到所述周期和相位控制器，
其中所述周期和相位控制器被配置成：接收所述振幅误差测量、所述基准振荡器周期和所测量的所述相位误差，并且基于所接收的所述振幅误差测量、所接收的所述基准振荡器周期和所测量的所述相位误差，来生成所述驱动信号的所述至少一个控制参数和所述驱动周期。
5.根据权利要求1所述的振荡器控制系统，其中：
所述周期和相位控制器被配置成：估计所述振荡器结构的振荡器周期；基于所估计的所述振荡器周期和所述基准振荡器周期，来确定振荡器周期误差；并且适配所述驱动周期和所述驱动信号的所述至少一个控制参数，以补偿所测量的所述相位误差和所确定的所述振荡器周期误差两者，并且
所确定的所述振荡器周期误差是所估计的所述振荡器周期与所述基准振荡器周期之间的差异。
6.根据权利要求5所述的振荡器控制系统，其中所述周期和相位控制器被配置成：基于所测量的所述相位误差、所述驱动周期和先前测量的相位误差，来估计所述振荡器结构的所述振荡器周期。
7.根据权利要求1所述的振荡器控制系统，其中：
所述内控制回路还包括相位误差生成器，所述相位误差生成器被配置成：接收噪声测量和所测量的所述相位误差，并且从振幅噪声测量和所测量的所述相位误差生成相加后的相位误差，并且
所述周期和相位控制器被配置成：基于所述相加后的相位误差，来确定所述驱动信号的所述驱动周期、和所述驱动信号的所述至少一个控制参数，其中所述周期和相位控制器适配所述驱动周期和所述驱动信号的所述至少一个控制参数，以补偿所述相加后的相位误差。
8.根据权利要求1所述的振荡器控制系统，其中所测量的所述相位误差由出现所述振荡器结构的零交叉的测量时间与预期出现所述振荡器结构的所述零交叉的预期时间之间的时间差限定。
9.根据权利要求1所述的振荡器控制系统，其中所述驱动周期由所述振荡器结构的两个连续的预期零交叉时间限定。
10.根据权利要求1所述的振荡器控制系统，其中所述振幅控制器具有第一控制带宽，并且所述周期和相位控制器具有大于所述第一控制带宽的第二控制带宽。
11.根据权利要求1所述的振荡器控制系统，其中所述至少一个控制参数包括以下至少一项：所述驱动信号的电压水平、所述驱动信号的占空比、或所述驱动信号的基准相位。
12.根据权利要求11所述的振荡器控制系统，其中所述驱动信号是在低电压水平和高电压水平之间切换的脉宽调制(PWM)信号，
所述驱动电路被配置成：基于所述至少一个控制参数，来调整所述驱动信号的所述低电压水平或所述高电压水平中的至少一项。
13.根据权利要求11所述的振荡器控制系统，其中所述驱动信号是在低电压水平和高电压水平之间切换的脉宽调制(PWM)信号，
所述驱动电路被配置成：调整所述驱动信号的接通时间或关断时间中的至少一项，其中所述接通时间限定在所述驱动周期内从所述低电压水平到所述高电压水平的转变，并且所述关断时间限定在所述驱动周期内从所述高电压水平到所述低电压水平的转变。
14.一种用于控制振荡器结构的方法，所述振荡器结构被配置成根据驱动信号而绕轴线振荡，其中所述振荡器结构的角度振幅和频率具有非线性相关性，所述方法包括：
测量所述振荡器结构的所述角度振幅；
测量所述振荡器结构的所述相位误差；
基于所测量的所述角度振幅来生成基准振荡器周期；
基于所述基准振荡器周期和所测量的所述相位误差，来生成所述驱动信号的至少一个控制参数，包括：适配所述驱动信号的所述至少一个控制参数，以补偿所测量的所述相位误差；
基于所述基准振荡器周期和所测量的所述相位误差，来确定所述驱动信号的驱动周期，包括：适配所述驱动周期，以补偿所测量的所述相位误差；以及
基于所述驱动信号的所述至少一个控制参数和所述驱动周期，来生成所述驱动信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于所测量的所述角度振幅与基准角度振幅之间的差异，来生成振幅误差测量；以及
基于所述振幅误差测量来生成所述基准振荡器周期。
16.根据权利要求15所述的方法，其中生成所述振幅误差测量包括：基于所述振幅误差测量来生成所述基准振荡器周期，以使在所述振荡器结构振荡的同时，所述振幅误差测量变为平均为零。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
基于所述振幅误差测量、所述基准振荡器周期和所测量的所述相位误差，来生成所述驱动信号的所述至少一个控制参数和所述驱动周期，其中所述振幅误差测量和所述基准振荡器周期被用作分离的输入，以用于生成所述至少一个控制参数并且用于确定所述驱动周期。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：
从噪声测量和所测量的所述相位误差生成相加后的相位误差，
其中确定所述驱动信号的所述驱动周期包括：基于所述相加后的相位误差来确定所述驱动信号的所述驱动周期，包括：适配所述驱动周期，以补偿所述相加后的相位误差，并且
其中生成所述至少一个控制参数包括：基于所述相加后的相位误差来生成所述至少一个控制参数，包括：适配所述至少一个控制参数，以补偿所述相加后的相位误差。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所测量的所述相位误差由出现所述振荡器结构的零交叉的测量时间与预期出现所述振荡器结构的所述零交叉的预期时间之间的时间差限定。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述驱动周期由所述振荡器结构的两个连续的预期零交叉时间限定。
21.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个控制参数包括以下至少一项：所述驱动信号的电压水平、所述驱动信号的占空比、或所述驱动信号的基准相位。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述驱动信号是在低电压水平和高电压水平之间切换的脉宽调制(PWM)信号，所述方法还包括：
基于所述至少一个控制参数，来调整所述驱动信号的所述低电压水平或所述高电压水平中的至少一项。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述驱动信号是在低电压水平和高电压水平之间切换的脉宽调制(PWM)信号，所述方法还包括：
调整所述驱动信号的接通时间或关断时间中的至少一项，其中所述接通时间限定在所述驱动周期内从所述低电压水平到所述高电压水平的转变，并且所述关断时间限定在所述驱动周期内从所述高电压水平到所述低电压水平的转变。
24.根据权利要求14所述的方法，还包括：
确定所述振荡器结构的所估计的振荡器周期；
将振荡器周期误差确定为所估计的所述振荡器周期与所述基准振荡器周期之间的差异；
基于所确定的所述振荡器周期误差和所测量的所述相位误差，来生成所述驱动信号的所述至少一个控制参数；以及
基于所确定的所述振荡器周期误差和所测量的所述相位误差，来确定所述驱动信号的所述驱动周期。
25.一种光检测与测距LIDAR控制系统，包括：
微机电系统MEMS反射镜，被配置成绕轴线振荡，其中所述MEMS反射镜的角度振幅和频率具有非线性相关性；
驱动器电路，被配置成生成驱动信号，以驱动所述MEMS反射镜的振荡；
检测电路，被配置成测量所述MEMS反射镜的所述角度振幅和相位误差；
外控制回路，包括振幅控制器，所述振幅控制器被配置成：基于所测量的所述角度振幅来生成基准反射镜周期；以及
内控制回路，包括周期和相位控制器，所述周期和相位控制器被配置成：接收来自所述外控制回路的所述基准反射镜周期、和来自所述检测电路的所测量的所述相位误差；基于所述基准反射镜周期和所测量的所述相位误差，来生成所述驱动信号的至少一个控制参数；并且基于所述基准反射镜周期和所测量的所述相位误差，来确定所述驱动信号的驱动周期，
其中所述驱动器电路被配置成：基于所述驱动信号的所述至少一个控制参数和所述驱动周期，来生成所述驱动信号。
26.根据权利要求25所述的LIDAR控制系统，其中所述周期和相位控制器被配置成：
确定所述MEMS反射镜的所估计的振荡器周期，
将振荡器周期误差确定为所估计的所述振荡器周期与所述基准振荡器周期之间的差异，
基于所确定的所述振荡器周期误差和所测量的所述相位误差，来生成所述驱动信号的所述至少一个控制参数，以及
基于所确定的所述振荡器周期误差和所测量的所述相位误差，来确定所述驱动信号的所述驱动周期。
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