DE102011006337B4

DE102011006337B4 - Mikrospiegelsystem, dazugehöriges Steuerungsverfahren sowie dazugehöriges Computerprogramm

Info

Publication number: DE102011006337B4
Application number: DE102011006337.4A
Authority: DE
Inventors: Mohamad Iyad Al Dibs; Oliver Krayl; Axel Wenzler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: US8810892B2; DE102011006337A1; US20120262775A1

Abstract

Mikrospiegelsystem (10) mit(i) einem Mikrospiegelaktor;(ii) einem Sensor (14) zur Lagendetektion des Mikrospiegelaktors;(iii) einem Lichtmodul mit wenigstens einer Lichtquelle (30) und dazugehöriger Steuerung, über die eine Lichtintensität der Lichtquelle (30) regelbar ist; und(iv) einer Auswerte- und Ansteuereinheit (20), die ausgelegt ist, den Mikrospiegelaktor in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sensors (14) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Ansteuereinheit (20) eine Kompensationsroutine umfasst, bei der in Abhängigkeit von der zu erwartenden Lichtintensität der Lichtquelle (30) zum Ansteuerzeitpunkt des Mikrospiegelaktors eine Offset-Spannung des Ausgangssignals des Sensors (14) festlegbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrospiegelsystem, ein dazugehöriges Steuerungsverfahren, ein Computerprogramm, mit dem das Verfahren ausführbar ist und ein Speichermedium, das das Computerprogramm beinhaltet.
Stand der Technik
Ein Mikrospiegelaktor ist ein mikroelektromechanisches Bauelement zur dynamischen Modulation von Licht. Es wird bei Mikrospiegelaktoren zwischen so genannten Mikroscannern und Flächenlichtmodulatoren unterschieden.
Bei Mikroscannern erfolgt die Modulation eines Strahlenbündels an einem kontinuierlich bewegten Einzelspiegel. Licht kann streifend über eine Projektionsfläche geführt bzw. „gescannt“ werden. Einsatz finden Mikroscanner unter anderem in Projektionsdisplays, Barcodescannern, in der Endoskopie und in der Spektroskopie.
Bei Flächenlichtmodulatoren erfolgt die Modulation des Lichtes über eine Spiegelmatrix. Die einzelnen Spiegel nehmen im Zeitverlauf diskrete Auslenkungen an. Hierdurch wird die Ablenkung von Teilstrahlen bzw. eine Phasen schiebende Wirkung erzielt. Mithilfe einer matrixförmigen Anordnung können Mikrospiegelaktoren das Licht einer starken Lichtquelle so ablenken, dass ein Bild projiziert wird.
Die Mikrospiegelaktoren bestehen in der Regel aus matrixförmig angeordneten Einzelelementen, bei denen der einzelne Mikrospiegel aus einer verkippbaren spiegelnden Fläche mit einer Kantenlänge von wenigen Mikrometern besteht. Die Bewegung wird durch die Kraftwirkung elektrostatischer Felder hervorgerufen. Jeder Mikrospiegel lässt sich in seinem Winkel einzeln verstellen und besitzt in der Regel zwei stabile Endzustände, zwischen denen er innerhalb einer Sekunde bis zu 5000-mal wechseln kann.
Die Auslenkung des Spiegels soll präzise erfolgen, um den Lichtstrahl an eine genau gewünschte Stelle zu lenken. Beispielsweise soll ein Lichtstrahl aus Bildpunkten gezielt in einen Bereich gelenkt werden, um ein Bild systematisch und homogen aufzubauen.
Um die Auslenkung des Mikrospiegelaktors zu erfassen, werden am Mikrospiegel-Element oder in dessen naher Umgebung Lagesensoren, insbesondere piezoresistive Sensoren angebracht. Solche Sensoren sind in der Lage, Vibrationen und Auslenkung zu detektieren. Wird auf den Spiegel zur Auslenkung eine Kraft ausgeübt, resultiert dann am Ausgang des Sensors eine Spannungsänderung.
Die Ausgangsspannung eines solchen Sensors weist in Abhängigkeit der Mikrospiegelauslenkung ideal einen messtechnisch ermittelbaren Kurvenverlauf auf. Der reale Kurvenverlauf weist einige kompensierbare systematische Fehler wie Linearitäts- und Offsetfehler sowie zufällige Fehler aufgrund von Technologieschwankungen auf.
Bekannt ist, dass eine Temperaturänderung bei Lagesensoren, insbesondere piezoresistiven Sensoren, eine Nullpunktverschiebung der Sensor-Ausgangsspannung verursacht (Änderung der Offset-Spannung). Die statische Fehlerkennlinie und das Temperaturverhalten können für die Sensoren ermittelt und über geeignete Kompensationsalgorithmen in der Ansteuerungs- und Auswerteelektronik korrigiert werden. Die Umgebungstemperatur und Temperaturänderung des Sensors können von einem Temperatursensor ermittelt werden. Somit ist permanent die temperaturabhängige Nullpunktverschiebung der Sensorausgangsspannung ermittelbar und kann im Kompensationsalgorithmus berücksichtigt werden.
US 2006 / 0 029 295 A1 offenbart einen Abtastmechanismus einer Anzeigevorrichtung, wobei die Anzeigevorrichtung einen biaxialen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner umfasst. US 2006 / 0 029 295 A1 beschreibt zudem ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgangstaktes zum Abrufen von Daten aus einer Speichermatrix unter Kompensation der nichtlinearen Abtastgeschwindigkeit des Scanners.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Mikrospiegelsystem mit

(i) einem Mikrospiegelaktor;
(ii) einem Sensor zur Lagendetektion des Mikrospiegelaktors;
(iii) einem Lichtmodul mit wenigstens einer Lichtquelle und dazugehöriger Steuerung, über die eine Lichtintensität der Lichtquelle regelbar ist; und
(iv) einer Auswerte- und Ansteuereinheit, die ausgelegt ist, den Mikrospiegelaktor in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sensors anzusteuem.

Das System zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerte- und Ansteuereinheit eine Kompensationsroutine umfasst, bei der in Abhängigkeit von der zu erwartenden Lichtintensität der Lichtquelle zum Ansteuerzeitpunkt des Mikrospiegelaktors eine Offset-Spannung des Ausgangssignals des Sensors festlegbar ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Sensoren zur Lagendetektion, insbesondere piezoresistive Sensoren, eine Lage der Offset-Spannung auch von der Lichtintensität des einfallenden Streulichtes und vom Streulichteinfallwinkel abhängt. Insbesondere piezoresistive Halbleiterwiderstände haben eine relativ große Lichtempfindlichkeit. Die Offset-Spannung ist somit auch von der Lichtintensität I(t) abhängig, die auf den Sensor fällt.
Eine Information zur Lichtintensität, die möglicherweise auf den Sensor zu einem bestimmten Zeitpunkt auftreffen kann, lässt sich bereits im Vorfeld ermitteln, denn alle dazu notwendigen Daten liegen in der Steuerung für das Lichtmodul bereit beziehungsweise sind durch die relative Anordnung der Lichtquelle zum Sensor und Bauart des Sensors gegeben. Bei Mikrospiegelaktoren zur Bilderzeugung steht für jeden Bildpunkt eine Intensitätsinformation, zum Beispiel für die Grundfarben Rot, Gelb und Blau (RGB), fest. Diese Daten liegen zumeist digital in hoher Auflösung bereit und werden mit hoher Frequenz vom Prozessor in das Datenfeld gelesen und liegen zeitweise in einem Pufferspeicher vor, bevor sie an den Treiber für die Lichtquelle (z. B. einen Laser) weitergegeben werden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Ansatzes werden nun die Bildpunktinformationen mit der Steuerung des Mikrospiegelmoduls synchronisiert, so dass eine aktive Kompensation der Lichtabhängigkeit des Offsets des Sensors möglich ist.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist demnach die Nutzung der an sich bekannten Informationen der die Lage des Offsets beeinflussenden Lichtintensität eines zu lenkenden Strahles von einer oder mehreren Lichtquellen, zum Beispiel einem RGB-Laser, um den Offset beziehungsweise die Offset-Änderung der Sensorausgangsspannung permanent im aktiven Zustand zu kompensieren. Hierdurch wird eine aktive Kompensation des statischen lichtabhängigen Offsets des Sensors um die tatsächliche Lage des Mikrospiegels in X-, Y- und Z-Richtung erreicht. Zudem kann auch eine aktive Kompensation des dynamischen lichtabhängigen Offsets, dessen Frequenz in der Bandbreite der Auswerteelektronik liegt und die tatsächliche Lage des Mikrospiegels ebenfalls verfälscht, erfolgen. Insgesamt ist es somit möglich, die Lagendetektion und die Auslenkung sehr präzise durchzuführen, was zu einer erhöhten Bildqualität führt.
Vorzugsweise wird für die Bestimmung der Offset-Spannung die Intensität der Grundfarben RGB der Lichtquelle berücksichtigt; Streulichteffekte anderer Wellenlängen können in der Regel vernachlässigt werden.
Der Sensor ist insbesondere ein piezoresistiver Sensor, bei dem die Abhängigkeit der Offsetspannung von der Lichtintensität besonders hoch sein kann (je nach Bauart).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des zuvor beschriebenen Mikrospiegelsystems. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerte- und Ansteuereinheit eine Kompensationsroutine umfasst, bei der in Abhängigkeit von der zu erwartenden Lichtintensität der Lichtquelle zum Ansteuerzeitpunkt des Mikrospiegelaktors eine Offset-Spannung des Ausgangssignals des Sensors festgelegt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das nach dem Laden in ein Speichermittel einer Datenverarbeitungsanlage die Durchführung des zuvor genannten Verfahrens zur Steuerung eines Mikrospiegelsystems ermöglicht.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Mikrospiegelsystem herkömmlicher Bauart, und
2 ein Mikrospiegelsystem gemäß der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Mikrospiegelsystem 10 mit einem Mikrospiegelmodul 12, das unter anderem piezoresistive Sensoren 14 zur Erfassung der relativen Lage beinhaltet. Ein Temperatursensor 16 erfasst permanent die aktuelle Temperatur des Lagesensors.
Das System 10 umfasst weiterhin eine Auswerte- und Ansteuereinheit 20, die ausgelegt ist, den im Mikrospiegelmodul 12 enthaltenen Mikrospiegelaktor anzusteuern. Die piezoresistiven Sensoren 14 liefern ein Ausgangssignal, das über elektronische Filterelemente 22, 23 in die Auswerte- und Ansteuereinheit 20 eingelesen wird. Zur Bestimmung eines technologieabhängigen Offsets 24 für das Ausgangssignal der piezoresistiven Sensoren 14 wird eine temperaturabhängige Offsetkennlinie 26 berücksichtigt.
Eine Lichtquelle 30, hier ein RGB-Lasermodul, wird über eine eigenständige Steuereinheit betrieben. Dabei wird ein Datenfeld an einen Zwischenspeicher 32 übergeben, der wiederum die Daten für den Lasertreiber 34 zur Verfügung stellt.
Das erfindungsgemäße Mikrospiegelsystem 10 ist in 2 näher illustriert. Sofern die Bauteile im erfindungsgemäßen Mikrospiegelsystem denen des bekannten Mikrospiegelsystems nach 1 entsprechen, wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Nachfolgend wird daher nur auf die Unterschiede zum herkömmlichen System 1 0 gemäß der 1 näher eingegangen. Auch beim erfindungsgemäßen Mikrospiegelsystem 10 erfolgt eine temperaturabhängige Adaption über die Offsetkennlinie 26. Ergänzend wird eine aktive Kompensation des Effekts von Streulicht 40 auf die Offset-Ausgangsspannung der Sensoren 14 durchgeführt. Dazu weist die Auswerte- und Ansteuerungseinheit 20 elektronische Glieder 50 auf, mit denen die RGB-Datenströme vom Pufferspeicher 32 hinsichtlich der zu erwartenden Lichtintensität ausgewertet werden, die zum Ansteuerungszeitpunkt des Mikrospiegelaktors voraussichtlich auf die Sensoren 14 treffen wird. Entsprechend diesem prognostizierten Wert erfolgt eine Korrektur des Offsets der Sensoren 14.
Der auf den Mikrospiegel zu lenkende Lichtstrahl wird immer auch in einem bestimmten Umfang gestreut und das Streulicht 40 beeinflusst die Offset-Ausgangsspannung des piezoresistiven Sensors 14. Die zu erwartende Streulichtintensität kann bestimmt werden und der Streulicht-Einfallwinkel sowie die Lichtempfindlichkeit des piezoresistiven Sensors 14 sind gegeben. So kann man im Vorfeld die durch das Licht verursachte Offsetverschiebung für einen Zeitpunkt beziehungsweise ein Zeitintervall ermitteln, bevor die Bilddaten an die Lichtquelle 30 weitergegeben werden.
Eine Anpassung des Offsets infolge einer Änderung der Lichtintensität kann synchron mit dem Bilddatentakt erfolgen, das heißt im MHz-Bereich. Solche Änderungen sind jedoch in der Regel von der bandbegrenzten Auswerteelektronik nicht mehr erkennbar. Was von Interesse ist, ist daher oft nur der dynamische Offset, der in der Bandbreite der Auswerteelektronik liegt. Um diesen dynamischen Offset innerhalb der Bandbreite detektieren zu können, kann man den Mittelwert der Offset-verursachenden Lichtintensität jeder Farbe über mehrere Datenzeilen beziehungsweise mehrere Datenfelder ermitteln, beispielsweise über eine Zeitdauer von 2 ms bis 16 ms bei einer Bildänderung von 60 Hz und einer Systembandbreite von 500 Hz.
In Abhängigkeit von der Information der Lichtintensität und von den beeinflussenden Faktoren wird in der Auswerteelektronik ein Kompensationsalgorithmus hinterlegt, zum Beispiel in Form einer Kennlinie. Im sensoraktiven Zustand wird der lichtabhängige Offset dann aktiv kompensiert.

Claims

Mikrospiegelsystem (10) mit (i) einem Mikrospiegelaktor; (ii) einem Sensor (14) zur Lagendetektion des Mikrospiegelaktors; (iii) einem Lichtmodul mit wenigstens einer Lichtquelle (30) und dazugehöriger Steuerung, über die eine Lichtintensität der Lichtquelle (30) regelbar ist; und (iv) einer Auswerte- und Ansteuereinheit (20), die ausgelegt ist, den Mikrospiegelaktor in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sensors (14) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Ansteuereinheit (20) eine Kompensationsroutine umfasst, bei der in Abhängigkeit von der zu erwartenden Lichtintensität der Lichtquelle (30) zum Ansteuerzeitpunkt des Mikrospiegelaktors eine Offset-Spannung des Ausgangssignals des Sensors (14) festlegbar ist.
Mikrospiegelsystem nach Anspruch 1, bei dem für die Bestimmung der Offset-Spannung die Intensität der Grundfarben RGB der Lichtquelle (30) berücksichtigt wird.
Mikrospiegelsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sensor (14) ein piezoresistiver Sensor ist.
Verfahren zur Steuerung eines Mikrospiegelsystems (10) mit (i) einem Mikrospiegelaktor; (ii) einem Sensor (14) zur Lagendetektion des Mikrospiegelaktors; (iii) einem Lichtmodul mit wenigstens einer Lichtquelle (30) und dazugehöriger Steuerung, über die eine Lichtintensität der Lichtquelle (30) regelbar ist; und (iv) einer Auswerte- und Ansteuereinheit (20), die ausgelegt ist, den Mikrospiegelaktor in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Sensors (14) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Ansteuereinheit (20) eine Kompensationsroutine umfasst, bei der in Abhängigkeit von der zu erwartenden Lichtintensität der Lichtquelle (30) zum Ansteuerzeitpunkt des Mikrospiegelaktors eine Offset-Spannung des Ausgangssignals des Sensors (14) festgelegt wird.
Computerprogramm, das nach dem Laden in ein Speichermittel einer Datenverarbeitungsanlage die Durchführung eines Verfahrens zur Steuerung eines Mikrospiegelsystems (10) nach Anspruch 4 ermöglicht.
Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 5 gespeichert ist.