KR20200019102A - Driving Method for MEMS Mirror Scanner and Driving Device for MEMS Mirror Scanner using the method thereof - Google Patents

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KR20200019102A
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Abstract

The present invention relates to a MEMS mirror scanner driving method in which a mirror can rotate around an x-axis and a y-axis perpendicular to the same. The method comprises the steps of: obtaining a transfer function (T (f)) of a MEMS mirror scanner; setting a target time series output signal (d(t)) for mirror driving of the MEMS mirror scanner; converting the target time series output signal (o(t)) into an output signal (D(f)) of a Fourier target frequency domain; obtaining an input signal (V(f)) of a frequency domain from the target frequency domain output signal (D(f)) and the transfer function (T(f)) of the MEMS mirror scanner; converting the input signal (V(f)) of the frequency domain into a time series input signal (v(t)); and applying the time series input signal (v(t)) as a driving voltage to the MEMS mirror scanner. The present invention can effectively suppress unwanted residual vibration appearing in an output.

Description

MEMS 미러 스캐너 구동 방법 및 위 방법을 이용한 MEMS 미러 스캐너 구동 장치{Driving Method for MEMS Mirror Scanner and Driving Device for MEMS Mirror Scanner using the method thereof}Driving method for MEMS mirror scanner and MEMS mirror scanner using the above method

본 발명은 MEMS 미러 스캐너 구동 방법 및 위 방법을 이용한 MEMS 미러 스캐너 구동 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 적은 비용으로 출력에 나타나는 원하지 않는 잔류 진동을 효과적으로 억제할 수 있는 MEMS 미러 스캐너를 구동 방법 및 위 구동 방법을 이용한 MEMS 미러 스캐너 구동 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for driving a MEMS mirror scanner and a device for driving a MEMS mirror scanner using the above method. MEMS mirror scanner driving apparatus using the method.

MEMS 미러 스캐너(MEMS mirror scanner)는 1개의 거울만으로 두 축 구동이 가능한 초소형 마이크로 시스템이다. 일반적으로 MEMS 미러 스캐너는 도 1에 도시된 것과 같이 중앙에 배치된 미러를 중심으로 상하좌우에 콤 전극(Comb Electrodes)이 배치되고, 콤 전극에 가해지는 신호에 따라 서로 이웃하는 콤 전극 쌍 사이에는 정전기력(electrostatic)에 의한 인력이 발생하게 된다. 위 인력에 의해서 미러는 힌지축(탄성부)을 중심으로 x축 또는 y축으로 회동하게 된다. 이하 x축 방향의 구동은 미러가 x축을 중심으로 회동하게끔 구동력을 제공하는 것을, y축 방향의 구동은 미러가 y축을 중심으로 회동하게끔 구동력을 제공하는 의미로 용어를 사용하도록 하겠다. MEMS mirror scanner is a compact micro system that can drive two axes with only one mirror. In general, as shown in FIG. 1, in the MEMS mirror scanner, comb electrodes are disposed on the top, bottom, left, and right sides of a mirror disposed in the center, and a pair of comb electrodes adjacent to each other according to a signal applied to the comb electrode is disposed. The attraction due to electrostatic force is generated. Due to the above attractive force, the mirror is rotated about the hinge axis (elastic part) in the x axis or the y axis. Hereinafter, the driving in the x-axis direction will provide a driving force to rotate the mirror about the x axis, and the driving in the y-axis direction will be used to mean that the driving force is provided to rotate the mirror about the y axis.

특히, 정전기적 구동 방식은 작은 크기, 낮은 전력소모, 집적화 관점에서 장점이 있어, OCT, 레이저 프로젝션, LiDAR와 같은 분야에 많이 응용되고 있다. 이와 같은 이미징 시스템에서는 스캐닝의 광학 스캔 앵글(OSA;optical scan angle)이 같더라도 빔 스티어링(beam steering) 속도의 불균일성에 따라 사용 가능 스캔 범위(USR;usable scan range)가 달라지게 된다. In particular, the electrostatic driving method has advantages in terms of small size, low power consumption, and integration, and thus is widely applied in fields such as OCT, laser projection, and LiDAR. In such an imaging system, even if the optical scan angle (OSA) of scanning is the same, the usable scan range (USR) varies according to the nonuniformity of the beam steering speed.

도 2 (a) 및 도 2 (b)는 스캐닝 출력 파형(scanning output waveform)에 따른 시간 영역(time domain)에서의 스캐너 최대 구동각과 속도의 불균일성을 보여주며, USR 관점에서 보면 도 2(b)와 같은 삼각 스캐닝(triangular scanning)이 도 2(a)와 같은 사인 스캐닝(sinusoidal scanning)보다 넓은 균일 스캔 속도(uniform scan velocity) 범위를 지닌다. 이와 같은 정속 스캐닝(constant velocity scanning) 상태에서는 이미지의 데이터 포인트 간격이 일정하기 때문에 별도의 포스트 프로세싱이 필요하지 않아 프레임율(frame rate)를 높일 수 있다. 2 (a) and 2 (b) show the nonuniformity of the scanner maximum driving angle and speed in the time domain according to the scanning output waveform, and from the USR perspective, FIG. 2 (b) Triangular scanning as shown in FIG. 2A has a wider uniform scan velocity range than sinusoidal scanning as shown in FIG. In this constant velocity scanning state, since the data point interval of the image is constant, no post processing is required, and thus the frame rate can be increased.

삼각 스캐닝 출력을 얻기 위하여 MEMS 미러 스캐너에 삼각형 형태의 입력(전압)을 가해주게 되면, 삼각형 형태의 입력이 가지는 고조파(harmonics) 중 하나가 MEMS 미러 스캐너의 토션 모드(torsional mode)의 주파수에 근접하게 될 경우 원하지 않는 잔류 진동(undesired residual oscillation)이 발생할 수 있고, 이는 스캐닝 출력에 영향을 미쳐서 심각한 이미지 왜곡을 유발할 수 있다. 참고로, 이와 같은 문제는 삼각형 형태의 입력 뿐만 아니라 고조파 성분을 가지는 다양한 형태의 입력에서 다 문제될 수 있다. When a triangular input (voltage) is applied to the MEMS mirror scanner to obtain a triangular scanning output, one of the harmonics of the triangular input is close to the frequency of the torsional mode of the MEMS mirror scanner. Undesired residual oscillations can occur, which can affect the scanning output and cause severe image distortion. For reference, such a problem may be problematic for various types of inputs having harmonic components as well as triangular inputs.

도 3(a)는 20Hz의 삼각 파형(triangular waveform)의 전압을 MEMS 미러 스캐너에 입력으로 인가하였을 때, MEMS 미러 스캐너가 가지는 정상 상태 응답(steady-state respose)의 실험 결과이다. 여기서, 출력값인 OSA(Optical Scanning Angle)의 지배적 주파수(dominant frequency)는 20Hz로 나타났지만 원하지 않은 잔류 진동(undesired residual oscillation)의 주파수 성분이 많이 실려 있는 것을 확인할 수 있다. 이 원하지 않은 진동이 실린 이유를 분석하기 위하여 입력 신호(삼각형 웨이브폼)를 푸리에 변환한 것을 파란색으로, MEMS 미러 스캐너의 전달함수를 검은색으로 도 3(b)에 도시하였다. 여기서 입력 신호의 고조파들 중 260 Hz에 해당하는 성분이 작은 진폭(amplitude)를 가지고 있음에도 불구하고, MEMS 미러 스캐너의 주 공진 주파수(264Hz)에 근접하였기 때문에 상대적으로 큰 진폭을 지닌 원하지 않는 잔류 진동을 발생시키게 된다.FIG. 3 (a) shows an experimental result of a steady-state respose of the MEMS mirror scanner when a voltage of a triangular waveform of 20 Hz is applied to the MEMS mirror scanner. Here, although the dominant frequency of the optical scanning angle (OSA), which is an output value, is 20 Hz, it can be seen that many frequency components of undesired residual oscillation are loaded. In order to analyze the reason for the unwanted vibration, the Fourier transform of the input signal (triangle waveform) is shown in blue, and the transfer function of the MEMS mirror scanner is shown in black in FIG. 3 (b). Here, despite the fact that 260 Hz of the harmonics of the input signal have a small amplitude, it is close to the main resonance frequency (264 Hz) of the MEMS mirror scanner. Will be generated.

도 3(c)는 입력 신호의 주파수를 44Hz로 했을 경우의 OSA 출력값을 도시한 것인데, 입력 신호가 20Hz일 경우와 비교하여 잔류 진동이 덜 심각한 것을 알 수 있는데, 이는 도 3(d)로부터 알 수 있는 것과 같이 입력 신호의 고조파(220Hz)가 MEMS 미러 스캐너의 공진 주파수(260Hz)와 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문임을 확인할 수 있다.  Figure 3 (c) shows the OSA output value when the frequency of the input signal is 44 Hz, it can be seen that the residual vibration is less severe than when the input signal is 20 Hz, which can be seen from Figure 3 (d) As can be seen, the harmonic (220 Hz) of the input signal is relatively far from the resonant frequency (260 Hz) of the MEMS mirror scanner.

이러한 문제를 해결하고자 하는 선행연구들이 존재하며 크게 오픈 루프 컨트롤(open-loop control) 방식과 클로즈드 루프 컨트롤(closed-loop control) 방식으로 구분된다. 오픈 루프 컨트롤 방식의 입력 셰이핑(input shaping)에서는, 먼저 MEMS 미러 스캐너에 대한 주파수 응답(frequency response)을 측정한 후, 2차 동적 모델(2nd order dynamic model)로 피팅함으로써 해당 전달함수(transfer function)을 구한다. 이를 통하여 추출된 셰이프 입력 신호(shaped input signal)를 MEMS 미러 스캐너에 인가함으로써 원하지 않는 잔류 진동을 줄일 수 있다. 그러나, 2차 전달 함수가 기본 모드에 대한 스펙트럼 데이터(spectral data)를 정확하게 표현하지 못하는 경우에 파형 오차가 발생한다. 더구나 무시할 수 없는 고차 모드 성분이 있는 경우에는 원하지 않는 잔류 진동을 피할 수 없다는 단점이 있다. There are prior studies to solve this problem, and it is divided into open-loop control method and closed-loop control method. In input shaping with open loop control, the transfer function is measured by first measuring the frequency response of the MEMS mirror scanner and then fitting it to a 2nd order dynamic model. Obtain By applying the extracted shape input signal to the MEMS mirror scanner, unwanted residual vibration can be reduced. However, waveform error occurs when the second order transfer function does not accurately represent the spectral data for the fundamental mode. Moreover, there is a disadvantage in that undesired residual vibrations can not be avoided if there are higher order mode components that cannot be ignored.

이에 반하여 클로즈드 루프 컨트롤 방식은 포지셔닝 센서(positioning sensor)의 출력을 피드백함으로써 미러를 원하는 구동 속도로 움직이게 할 수 있다. MEMS 미러 스캐너의 클로즈드 루프 컨트롤 방식는 최근에 많이 연구되고 있으며, 오픈 루프 컨트롤 방식에서 추출된 2차 전달 함수를 추가적으로 이용하기 때문에 미러의 각 위치 에러(angular position error)를 더욱 줄일 수 있다. 클로즈드 루프 컨트롤 방식은 불완전한 2차 동적 모델링, 잔류 진동(residual oscillation), 외란(external disturbance)에 대해서 강건하여, 오픈 루프 컨트롤 방식에 비하여 정확한 응답을 달성할 수 있다. On the other hand, the closed loop control method may move the mirror at a desired driving speed by feeding back an output of a positioning sensor. Closed loop control schemes of MEMS mirror scanners have been studied in recent years, and the angular position error of mirrors can be further reduced by additionally using a second transfer function extracted from the open loop control scheme. The closed loop control method is robust against incomplete secondary dynamic modeling, residual oscillation, and external disturbance, thereby achieving an accurate response compared to the open loop control method.

그렇지만 이러한 클로즈드 루프 컨트롤의 장점에도 불구하고, 포지셔닝 센서가 MEMS 미러 스캐너에 추가되어야 하는데, 이 때 온칩 MEMS 미러 스캐너 센서(on-chip MEMS position sensors)에는 용량성 센서(capacitive sensor) 또는 압전 저항형 센서(piezoresistive sensor)가 이용된다. 그렇지만, 용량성 센서의 경우에는 IC 인티그레이션(IC integration)이 필요하며, 압전 저항형 센서(piezoresistive sensor)의 경우에는 온도 의존성(temperature dependence)이 존재하여 이를 해결하기 위해서는 보다 복잡한 회로 부가 및 비용상승이 발생할 수 있다. However, despite the advantages of this closed loop control, a positioning sensor must be added to the MEMS mirror scanner, where on-chip MEMS position sensors include capacitive or piezo-resistive sensors. (piezoresistive sensor) is used. However, IC integration is required for capacitive sensors, and temperature dependence exists for piezoresistive sensors. May occur.

미국 등록특허공보 US6,795,225 (2004.09.21.)United States Patent Application Publication US6,795,225 (2004.09.21.) 미국 공개특허공보 US2008/0061026 (2008.03.13.)US published patent US2008 / 0061026 (2008.03.13.)

본 발명은 고비용을 필요로하는 클로즈드 루프 컨트롤 방식 대신 저렴한 비용의 오픈 루프 컨트롤 방식을 채택하여 비용을 절감함과 동시에, 종래에 사용되던 오픈 루프 컨트롤 방식의 문제점(전달 함수가 주요 모드에 대한 스페트럼 데이터를 정확하게 표현하지 못하여 파형 오차가 발생하거나, 무시할 수 없는 고차 모드가 무시됨으로 인하여 원하지 않는 잔류 진동이 발생할 수 있음)을 해결하는 것을 목적으로 한다. The present invention reduces costs by adopting a low cost open loop control method instead of a closed loop control method which requires a high cost, and at the same time a problem of the conventional open loop control method (the transfer function is a spectrum for the main mode. Waveform errors due to inaccurate representation of the data, or unwanted residual vibration due to the neglect of higher order modes that cannot be ignored).

본 발명은 x축 및 이와 수직인 y축을 중심으로 미러가 회동할 수 있는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법에 관한 것으로서, MEMS 미러 스캐너의 전달함수(T(f))를 구하는 단계; MEMS 미러 스캐너의 미러 구동을 위한 목표 시계열 출력 신호(d(t))를 설정하는 단계; 상기 목표 시계열 출력 신호(o(t))를 푸리에 목표 주파수 영역의 출력 신호(D(f))로 변환하는 단계; 상기 목표 주파수 영역 출력 신호(D(f))와 상기 MEMS 미러 스캐너의 전달함수(T(f))로부터 주파수 영역의 입력 신호(V(f))를 구하는 단계; 상기 주파수 영역의 입력 신호(V(f))를 시계열 입력 신호(v(t))로 변환하는 단계; 및 상기 시계열 입력 신호(v(t))를 구동 전압으로서 MEMS 미러 스캐너에 인가하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a method of driving a MEMS mirror scanner in which a mirror can rotate about an x axis and a y axis perpendicular thereto, the method comprising: obtaining a transfer function T (f) of the MEMS mirror scanner; Setting a target time series output signal d (t) for driving the mirror of the MEMS mirror scanner; Converting the target time series output signal o (t) into an output signal D (f) in a Fourier target frequency domain; Obtaining an input signal V (f) in the frequency domain from the target frequency domain output signal D (f) and a transfer function T (f) of the MEMS mirror scanner; Converting the input signal V (f) in the frequency domain into a time series input signal v (t); And applying the time series input signal v (t) as a driving voltage to a MEMS mirror scanner.

상기 전달함수(T(f))는, x축 시계열 출력 신호(oxx(t))를 푸리에 변환한 x축 주파수 영역 출력 신호(Oxx(f))를, x축 시계열 입력 신호(ix(t))를 푸리에 변환한 x축 주파수 영역 입력 신호(Ix(f))로 나누어서 얻어진 x축 전달함수(Tx(f))인 것을 특징으로 한다.The transfer function T (f) converts an x-axis frequency domain output signal O xx (f) obtained by Fourier transforming an x-axis time series output signal o xx (t) and an x-axis time series input signal i x. and an x-axis transfer function T x (f) obtained by dividing (t)) by the Fourier transformed x-axis frequency domain input signal I x (f).

x축 주파수 영역 입력 신호(Ix(f)) 및 x축 주파수 영역 출력 신호(Oxx(f))를 이용하여 x축 전달함수(Tx(f))를 산출하는 과정을 복수 회 반복하고, 복수 회 반복되어 산출된 x축 전달함수(Tx(f))를 평균하여 최종적인 x축 전달함수(Tx(f))가 결정될 수 있다. The process of calculating the x-axis transfer function T x (f) using the x-axis frequency domain input signal I x (f) and the x-axis frequency domain output signal O xx (f) is repeated a plurality of times. The final x-axis transfer function T x (f) may be determined by averaging the x-axis transfer function T x (f) calculated repeatedly.

더 나아가, MEMS 미러 스캐너의 x축에 대한 전산모사 해석으로 진동특성을 추출하여 이론적으로 전달함수를 구할 수 있다. x축, y축을 중심으로 한 회동 뿐만 아니라 z축 방향으로의 움직임 역시 회전 움직임으로 측정될 수 있기 때문에 이러한 고차 모드로 인한 잔류 진동이 스캐닝 출력에 영향을 줄 수 있다. 그러므로 측정에 영향을 주는 고차 모드에 대한 이론적 전달함수를 구하며, y축 구동이 x축의 움직임에 영향으로 주는 크로스토크에 대한 이론적 전달함수를 구한 뒤, 앞에서 구한 이론적 전달함수들을 모두 더함으로써 최종적인 x축 전달함수(Tx(f))가 결정될 수 있다. Furthermore, the transfer function can be theoretically determined by extracting the vibration characteristics through the computer simulation of the x-axis of the MEMS mirror scanner. Since the movement in the z-axis direction as well as the rotation about the x- and y-axes can be measured as the rotational movement, the residual vibration due to this higher-order mode can affect the scanning output. Therefore, we calculate the theoretical transfer function for the higher-order mode that affects the measurement, calculate the theoretical transfer function for crosstalk that the y-axis drive affects the movement of the x-axis, and then add all the theoretical transfer functions obtained earlier to obtain the final x The axis transfer function T x (f) can be determined.

그리고 상기 목표 시계열 출력 신호(d(t))는 x축 목표 시계열 출력 신호(dx(t))이며, 상기 x축 목표 시계열 출력 신호(dx(t))를 푸리에 변환하여 얻어지는 x축 목표 주파수 영역 출력 신호(Dx(f))와 상기 x축 전달함수(Tx(f))를 곱하여 x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f))를 얻으며, x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f))를 역푸리에 변환하여 얻어진 x축 시계열 입력 신호(vx(t))를 기초로 구동 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다. The target time series output signal d (t) is an x-axis target time series output signal d x (t), and the x-axis target obtained by Fourier transforming the x-axis target time series output signal d x (t). Multiplying the frequency domain output signal D x (f) by the x-axis transfer function T x (f) to obtain an x-axis frequency domain input signal V x (f), and the x-axis frequency domain input signal V A driving voltage is applied based on the x-axis time series input signal v x (t) obtained by inverse Fourier transforming x (f).

더 나아가 상기 전달함수(T(f))는, x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))에 의하여 발생한 x축 방향 시계열 출력 신호(oxx(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oxx(f))를, x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Ix(f))로 나누어 얻어진 xx 전달함수(Txx(f)); x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))에 의하여 발생한 y축 방향 시계열 출력 신호(oxy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oxy(f))를, x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Ix(f))로 나누어 얻어진 xy 전달함수(Txy(f)); y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))에 의하여 발생한 x축 방향 시계열 출력 신호(oyx(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oxy(f))를, y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Iy(f))로 나누어 얻어진 yx 전달함수(Txy(f)); 및 y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))에 의하여 발생한 y축 방향 시계열 출력 신호(oyy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oyy(f))를, y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Iy(f))로 나누어 얻어진 yy 전달함수항(Tyy(f))를 포함하는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the transfer function T (f) is a frequency domain output signal obtained by Fourier transforming the x-axis time series output signal o xx (t) generated by the x-axis time series input signal i x (t). An xx transfer function (T xx (f)) obtained by dividing (O xx (f)) by the x-axis time series input signal i x (t) by a Fourier transformed frequency domain input signal I x (f). ; The frequency domain output signal (O xy (f)) obtained by Fourier transforming the y-axis time series output signal (o xy (t)) generated by the x-axis time series input signal (i x (t)). An xy transfer function T xy (f) obtained by dividing the input signal i x (t) by the Fourier transformed frequency domain input signal I x (f); The frequency domain output signal O xy (f) obtained by Fourier transforming the x-axis time series output signal o yx (t) generated by the y-axis time series input signal i y (t), and the y-axis time series An yx transfer function T xy (f) obtained by dividing the input signal i y (t) by the Fourier transformed frequency domain input signal I y (f); And a frequency domain output signal O yy (f) obtained by Fourier transforming the y-axis time series output signal o yy (t) generated by the y-axis time series input signal i y (t), and the y-axis direction. And a yy transfer function term (T yy (f)) obtained by dividing the time series input signal i y (t) by the Fourier transformed frequency domain input signal I y (f).

또 다른 실시예로서, 상기 전달함수(T(f))를 구하는 단계는, MEMS 미러 스캐너에 대한 전산모사 해석을 통하여 x축 및 y축에 대한 진동 특성을 분석한 뒤 이론적으로 x축과 y축의 기본 공진에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 측정에 영향을 주는 고차 모드에 대한 이론적 전달함수를 구하며, x축과 y축에 각각 독립적으로 펄스 신호를 인가한 후 서로 다른 축의 변위를 측정하여 각 축의 크로스토크에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 앞에서 구한 이론적 전달함수들을 모두 더하여 x축 구동이 x축에 영향을 미치는 xx 전달함수항(Txx(f)), x축 구동이 y축에 영향을 미치는 xy 전달함수(Txy(f)), y축 구동이 x축에 영향을 미치는 yx 전달함수(Tyx(f)), y축 구동이 y축에 영향을 미치는 yy 전달함수항(Tyy(f))를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In another embodiment, the step of obtaining the transfer function T (f) may be performed by analyzing the vibration characteristics of the x-axis and the y-axis through computational simulation of the MEMS mirror scanner, and then theoretically Find the theoretical transfer function for the fundamental resonance, calculate the theoretical transfer function for the higher-order mode that affects the measurement, apply pulse signals independently to the x- and y-axes, and measure the displacement of different axes to cross each axis. Calculate the theoretical transfer function for torque and add all the theoretical transfer functions obtained earlier, and the xx transfer function term (T xx (f)) where x-axis drive affects the x-axis, xy where x-axis drive affects the y-axis Transfer function (T xy (f)), yx transfer function whose y-axis drive affects the x axis (T yx (f)), yy transfer function term that y-axis drive affects the y axis (T yy (f) It is characterized in that it comprises a)) extracting.

상기 목표 시계열 출력 신호(d(t))는 x축 목표 시계열 출력 신호(dx(t)) 및 y축 목표 시계열 출력 신호(dy(t))를 포함하되, 이들을 각각 푸리에 변환하여 x축 목표 주파수 영역 출력 신호(Dx(f)) 및 y축 목표 주파수 영역 출력 신호(Dy(f))를 구하고, The target time series output signal d (t) includes an x-axis target time series output signal d x (t) and a y-axis target time series output signal d y (t), each of which is Fourier-transformed by Obtaining a target frequency domain output signal D x (f) and a y-axis target frequency domain output signal D y (f),

Figure pat00001
Figure pat00001

에 의하여 x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f)) 및 y축 주파수 영역 입력 신호(Vy(f))를 얻어내는 것을 특징으로 한다. It is characterized by obtaining the x-axis frequency domain input signal V x (f) and the y-axis frequency domain input signal V y (f).

상기 x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f)) 및 y축 주파수 영역 입력 신호(Vy(f))를 각각 역푸리에 변환하여 얻어진 x축 시계열 입력 신호(vx(t)) 및 y축 시계열 입력 신호(vy(t))를 기초로 구동전압을 인가하는 것을 특징으로 한다. The x-axis time series input signal v x (t) and the y-axis obtained by inverse Fourier transforming the x-axis frequency domain input signal V x (f) and the y-axis frequency domain input signal V y (f), respectively. The driving voltage may be applied based on the time series input signal v y (t).

더 나아가, 구동전압을 인가하여 MEMS 미러 스캐너의 소자를 구동한 뒤 위치 오차가 있는 경우 원하는 출력각에 근접하도록 피드백 제어를 수행할 수 있다. Furthermore, after driving the device of the MEMS mirror scanner by applying a driving voltage, feedback control may be performed to approach a desired output angle when there is a position error.

상기 미러 스캐너의 전달함수(T(f))를 실험적으로 구하는 단계는, 주파수 스윕(frequency sweep) 테스트 또는 임펄스 응답(impulse response) 테스트를 통해 얻어진 주파수 데이터에 기초한 것을 특징으로 한다. The experimentally obtaining the transfer function T (f) of the mirror scanner may be based on frequency data obtained through a frequency sweep test or an impulse response test.

그리고 상기 미러 스캐너의 전달함수(T(f))를 실험적으로 구하는 단계는, 복수 회의 주파수 스윕(frequency sweep) 테스트 또는 임펄스 응답(impulse response) 테스트를 통해 얻어진 주파수 데이터를 평균하여 얻어진 주파수 데이터에 기초할 수 있다. The experimentally obtaining the transfer function T (f) of the mirror scanner may be based on frequency data obtained by averaging frequency data obtained through a plurality of frequency sweep tests or an impulse response test. can do.

기존 오픈 루프 컨트롤 방식보다 주요 모드에 대하여 보다 정확한 전달함수의 추출이 가능하며, 또한 고차 모드가 존재하는 경우에도 그 영향을 효과적으로 제거할 수 있게 된다. It is possible to extract the transfer function more accurately for the main mode than the existing open loop control method, and also to effectively remove the effect even when the higher order mode exists.

도 1은 통상적인 MEMS 미러 스캐너의 상면을 도시한 것이다.
도 2는 출력 파형에 따른 사용가능한 스캔 범위(usable scan range)를 도시한 것이다((a) 사인파, (b) 삼각파).
도 3은 20Hz 및 44 Hz의 삼각파 입력(구동전압: 10V)시 MEMS 미러 스캐너의 동적 응답을 도시한 것이다.
도 4는 MEMS 미러 스캐너의 전극 상태를 도시한 것이다((a) 초기상태, (b)구동전압 인가 상태).
도 5는 구동 전압에 대하여 선형화된 구동에 대한 MEMS 미러 스캐너의 실험적 특성을 도시하고 있다.
도 6은 MEMS 미러 스캐너의 전달함수를 얻기 위한 실험 장치를 도시한 것이다.
도 7은 MEMS 미러 스캐너의 전달 함수를 얻기 위한 실험 결과로서 (a)는 입력 임펄스를, (b)는 출력 응답을, (c)는 전달함수를, (d)는 전달함수값의 평균치를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 ISETF를 MEMS 미러 스캐너에 입력값으로 적용했을 경우 출력값을 시간영역에서 도시한 것이다.
도 9는 다양한 구동전압에 대한 ISET의 분석 결과이다(구동주파수 20 Hz, 샘플링 주파수 50 kHz).
도 10은 1.0% 및 1.5% SLE에 대해서, 구동 전압 증가함에 따른 입력 셰이핑을 분석한 것이다.
도 11은 다양한 구동주파수에 대한 ISET의 분석 결과이다(구동전압 25V, 샘플링 주파수 50 kHz).
도 12는 1.0%, 1.5% SLE에 대해서, 구동 주파수 증가함에 따른 입력 셰이핑을 분석한 것이다.
도 13 내지 18은 여러 실시예에 MEMS 미러 스캐너의 구동 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.
1 illustrates a top view of a conventional MEMS mirror scanner.
2 shows usable scan range according to the output waveform ((a) sine wave, (b) triangle wave).
Figure 3 shows the dynamic response of the MEMS mirror scanner at 20 Hz and 44 Hz triangular wave inputs (driving voltage: 10V).
4 shows an electrode state of the MEMS mirror scanner ((a) initial state, (b) driving voltage application state).
5 shows the experimental characteristics of a MEMS mirror scanner for linearized driving with respect to the driving voltage.
6 shows an experimental setup for obtaining a transfer function of a MEMS mirror scanner.
7 is an experimental result for obtaining a transfer function of a MEMS mirror scanner, (a) shows an input impulse, (b) shows an output response, (c) shows a transfer function, and (d) shows an average value of the transfer function. Doing.
8 illustrates the output value in the time domain when ISETF according to the present invention is applied as an input value to a MEMS mirror scanner.
9 is an analysis result of ISET for various driving voltages (driving frequency 20 Hz, sampling frequency 50 kHz).
FIG. 10 analyzes input shaping with increasing driving voltage for 1.0% and 1.5% SLE.
11 shows ISET analysis results for various driving frequencies (driving voltage 25V, sampling frequency 50 kHz).
FIG. 12 analyzes input shaping with increasing driving frequency for 1.0% and 1.5% SLE.
13 to 18 are flowcharts illustrating each step of a method of driving a MEMS mirror scanner in various embodiments.

MEMS 미러 스캐너에서의 단일 정전구동기의 특성을 살펴보면, 구동력은 전압의 제곱에 비례하기 때문에 구동전압과 토크(torque) 사이에 필연적으로 비선형성이 존재한다. 그러나, 한 쌍의 구동기에 서로 다른 전압을 인가할 수 있는 전극 구조를 가진 경우에는 구동전압에 대한 토크를 선형적으로 비례하게 할 수 있다. 이와 같은 전압에 대한 선형화(V-linearization)는 이하에서 설명될 Input-Shaping based on Experimental Transfer function (ISETF)를 시스템에 적용하는 것을 가능하게 한다. Looking at the characteristics of a single electrostatic actuator in a MEMS mirror scanner, there is inevitably a nonlinearity between the drive voltage and the torque since the driving force is proportional to the square of the voltage. However, in the case of having an electrode structure capable of applying different voltages to a pair of drivers, the torque with respect to the driving voltage may be linearly proportional. This V-linearization makes it possible to apply an Input-Shaping based on Experimental Transfer function (ISETF) to the system, described below.

본 발명의 일 실시예에서 사용된 MEMS 미러 스캐너의 초기 전극 상태는 도 4(a)에 도시된 바와 같이 TSC(titled stationary comb) 구조를 가지고 있다. MEMS 미러 스캐너에 대하여 V-선형화(V-Linearization)을 하기 위하여, 도 4(a)에 도시된 것과 같이 제1 고정전극(101)에는 그라운드를, 제2 고정전극(102)에는 바이어스 전압(Vb)을, 그리고 미러(200)에 결합된 제1 및 제2 구동전극(201,202)에는 구동 전압 Vd + Vb/2를 각각 인가하였다. The initial electrode state of the MEMS mirror scanner used in the embodiment of the present invention has a titled stationary comb (TSC) structure as shown in FIG. In order to perform V-Linearization with respect to the MEMS mirror scanner, as shown in FIG. 4 (a), the ground is applied to the first fixed electrode 101 and the bias voltage Vb is applied to the second fixed electrode 102. ) And driving voltages Vd + Vb / 2 are applied to the first and second driving electrodes 201 and 202 coupled to the mirror 200, respectively.

이 경우 제1 고정전극(101) 및 제2 고정전극(102)이 제1 구동전극(201) 및 제2 구동전극(202)에 각각 가하는 토크(T1, T2)는 아래의 수학식 1로 표현되는데, 전압(V)의 제곱에 비례한다. 그러나 미러(200)에 가해지는 총 토크(T)는 토크(T1, T2)의 부호가 서로 반대이므로 최종적으로 식(3)과 같이 전압(V)에 비례함을 보여준다. 이 인가 조건 하에서는 구동 전압(Vd)가 0인 경우 도 4(a)에 도시된 것과 초기 상태를 유지하며, 구동 전압(Vd)가 0보다 큰 경우에는 반시계방향 (angle in positive) 으로 회전함을 도 4(b)에서 보여준다. 도면에는 도시되지 않았지만 구동 전압(Vd)가 음(-)일 경우는 미러가(200)가 시계 방향으로 회전할 것임을 통상의 기술자라면 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다.In this case, torques T1 and T2 applied by the first fixed electrode 101 and the second fixed electrode 102 to the first driving electrode 201 and the second driving electrode 202, respectively, are represented by Equation 1 below. It is proportional to the square of the voltage (V). However, the total torque T applied to the mirror 200 shows that the signs of the torques T1 and T2 are opposite to each other, and thus are finally proportional to the voltage V as shown in Equation (3). Under this application condition, when the driving voltage Vd is 0, the initial state is maintained as shown in FIG. 4 (a). When the driving voltage Vd is larger than 0, the driving voltage Vd rotates counterclockwise (angle in positive). Is shown in Fig. 4 (b). Although not shown in the drawing, a person skilled in the art will appreciate that the mirror 200 will rotate clockwise when the driving voltage Vd is negative.

Figure pat00002
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수학식 1의 (3)에 나타난 바와 같이, 정전기적 토크는 커패시턴스의 변화율에 비례하게 된다. V-선형화 조건 하에서 DC전압에 따른 광학 스캔 각(OSA;optical scan angle)을 측정한 결과는 도 5와 같으며 이 때의 바이어스 전압(Vb)은 130V 이고, 구동전압(Vd)의 범위는 -65V < Vd < 65V이다. 측정 결과에 의하면 OSA가 -5°에서 5° 인 범위에서는 커패시턴스의 변화가 1% 이내이지만, 위 범위를 벗어나게 될 경우 커패시턴스가 급격하게 변하게 되는데, 이러한 커패시턴스 비선형(C-비선형; capacitance nonlinearity)에 의하여 구동각이 포화되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 C-비선형이 발생하는 이유는, 정전기적 토크와 비례하는 용량성 변화율이 구동각이 작은 범위에서는 일정하지만, 구동각이 더 커지는 경우에는 감소하기 때문이다. As shown in Equation 1 (3), the electrostatic torque is proportional to the rate of change of capacitance. The result of measuring the optical scan angle (OSA) according to the DC voltage under the V-linearization condition is shown in FIG. 5, wherein the bias voltage (Vb) is 130V and the driving voltage (Vd) is in the range of − 65 V <Vd <65 V. According to the measurement result, the change in capacitance is within 1% in the range of -5 ° to 5 °, but when it is out of the above range, the capacitance changes rapidly, due to this capacitance nonlinearity (capacitive nonlinearity). It can be seen that the driving angle is saturated. This C-nonlinearity occurs because the rate of change in capacitive power proportional to the electrostatic torque is constant in the range where the driving angle is small, but decreases when the driving angle becomes larger.

전달 함수는 주파수 영역에서의 입력과 출력의 관계를 설명한다. 이러한 전달 함수는 대표적으로 주파수 스윕(frequency sweep) 테스트와 임펄스 응답(impulse response) 테스트를 통하여 구할 수 있다. 주파수 스윕 테스트는 정확한 전달함수를 구할 수 있지만, 진폭과 위상을 주파수별로 측정하기 때문에 복잡하고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 반면 임펄스 응답 테스트의 경우, 펄스 입력 신호를 한 번 인가하여 전달함수를 구한다는 장점이 있지만, 주파수 성분을 충분히 포함하기 위해서는 펄스 폭이 충분히 짧아야 한다. The transfer function describes the relationship between input and output in the frequency domain. Such a transfer function is typically obtained through a frequency sweep test and an impulse response test. Frequency sweep tests can yield accurate transfer functions, but they are complex and time-consuming because they measure amplitude and phase by frequency. On the other hand, in the impulse response test, the transfer function is obtained by applying the pulse input signal once, but the pulse width must be short enough to sufficiently include the frequency component.

본 실시예에서는 임펄스 응답 테스트부터 얻어진 ISETF의 성능을 평가할 것이며, 구동주파수는 스캐너의 공진주파수 (264Hz) 보다 높은 300Hz에서도 주파수 성분이 최소 6개가 포함될 수 있도록 충분히 짧은 펄스(500 μs)를 사용하였다. 샘플링 주파수는 50kHz로서, 최대 구동 주파수(300Hz)의 10번째 고조파까지 포함하면서 나이키스트 조건(Nyquist criterion)보다 충분히 높게 설정하였으며, 샘플링 시간은 주파수의 간격이 1Hz가 되도록 1초로 결정하였다.In this example, the performance of ISETF obtained from the impulse response test will be evaluated. The driving frequency is short enough (500 μs) so that at least 6 frequency components can be included even at 300 Hz, which is higher than the resonance frequency (264 Hz) of the scanner. The sampling frequency was 50 kHz, including the 10th harmonic of the maximum driving frequency (300 Hz) and sufficiently higher than the Nyquist criterion, and the sampling time was determined to be 1 second so that the frequency interval was 1 Hz.

MEMS 미러 스캐너의 전달 함수는 임펄스 신호를 인가하였을 때의 MEMS 스캐너의 응답 신호로부터 계산될 수 있다. 인가된 시간 영역의 임펄스 입력 신호와 그에 따른 출력 신호를 각각 i(t), o(t)라고 할 때, 푸리에 변환한 주파수 영역의 I(f)와 O(f)를 구한 후, 수학식 2와 같이 O(f)를 I(f)로 나누어 줌으로써 MEMS 미러 스캐너의 전달함수, T(f)구할 수 있다.The transfer function of the MEMS mirror scanner can be calculated from the response signal of the MEMS scanner when the impulse signal is applied. When the impulse input signal and the corresponding output signal of the applied time domain are i (t) and o (t), respectively, I (f) and O (f) of the Fourier transformed frequency domain are obtained. By dividing O (f) by I (f), the transfer function of the MEMS mirror scanner, T (f), can be obtained.

Figure pat00003
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전달함수를 구하기 위한 테스트 장치의 세팅은 도 6에 도시된 것과 같다. 함수 발생기, 바람직하게는 2채널 함수 발생기(301)를 통하여 발생한 펄스 신호는 증폭기(302)를 통하여 증폭된 후 미러(200)의 구동전극에 입력 신호로 공급된다. 레이저 발생부(303), 구체적으로는 레이저 다이오드에서 발생한 레이저 빔은 MEMS 미러 스캐너의 미러(200)에 입사된 후, 미러(200)에 반사된 레이저 빔의 위치 정보는 PSD(304);Position-sensitive detector)로 측정된다. 이 때, 트리고노메트릭 에러(trigonometric error)를 최소화하기 위하여 레이저 입사방향과 미러(200)의 회전축이 수직하도록 정렬하였으며, 미러(200)의 초기 위치에서 반사된 레이저 빔은 PSD(304)에 수직방향으로 입사되었다. 시그널 프로세싱 모듈(305)은 PSD(304)에 도달한 레이저 빔의 위치정보를 각각 x와 y축 좌표값으로 계산한다. 1초 동안 수집된 PSD 신호는 오실로스코프(306)을 통하여 50kHz로 디지털화되어 총 50,000개의 데이터를 추출하였다. 오실로스코프(306)을 통해 추출된 데이터는 변위에 대한 정보지만, 트리고노메트릭 에러의 영향을 없애기 위하여 OSA로 환산하였다.The setting of the test apparatus for obtaining the transfer function is as shown in FIG. The pulse signal generated through the function generator, preferably the two-channel function generator 301, is amplified by the amplifier 302 and then supplied as an input signal to the driving electrode of the mirror 200. After the laser beam generated by the laser generator 303, specifically, the laser diode is incident on the mirror 200 of the MEMS mirror scanner, the position information of the laser beam reflected by the mirror 200 is PSD 304; sensitive detector). At this time, in order to minimize the trigonometric error (trigonometric error), the laser incident direction and the axis of rotation of the mirror 200 is aligned so that the laser beam reflected at the initial position of the mirror 200 is perpendicular to the PSD 304 Incident in the direction. The signal processing module 305 calculates position information of the laser beam that reaches the PSD 304 as x and y axis coordinate values, respectively. The PSD signal collected for one second was digitized at 50 kHz through an oscilloscope 306 to extract a total of 50,000 data. The data extracted through the oscilloscope 306 is information about the displacement, but converted to OSA to eliminate the influence of trigonometric error.

[임펄스 응답][Impulse Response]

임펄스 응답을 통하여 MEMS 미러 스캐너의 전달함수를 구하는 경우, 펄스의 폭과 크기에 따라 전달함수에 반영되는 시스템의 특성이 달라질 수 있다. 따라서 펄스 폭은 전술한 바와 같이 500 μs로 충분히 짧게 설정하였으며, ISETF는 선형 시스템에 적용되므로, C-비선형이 나타나지 않는 범위 내에서 OSA가 나오도록 펄스의 크기를 설정하였다. When the transfer function of the MEMS mirror scanner is obtained through the impulse response, the characteristics of the system reflected in the transfer function may vary depending on the width and magnitude of the pulse. Therefore, the pulse width was set short enough to 500 μs as described above, and since ISETF is applied to the linear system, the size of the pulse was set so that OSA came out within the range where C-nonlinearity did not appear.

실험에 의한 전달함수(ISETF)를 구하기 위하여 도 7(a)에 도시된 것과 같은 펄스 입력을 인가하여 도 7(b)와 같이 OSA의 시계열 관측값을 측정하였다. 도 7(c)는 구해진 ETF로서, 높은 주파수 영역에서 뿐만 아니라 낮은 주파수 영역에서도 노이즈가 실린 것을 확인할 수 있었다. 측정 노이즈의 영향을 줄이기 위하여 10번의 반복 실험 데이터를 평균하여 도 7(d)와 같이 최종 ETF를 구하였다. 도 7(c)에 비하여, 전체 주파수영역에서 노이즈가 많이 감소되었으며, 공진 주파수의 higher peaks 성분이 527Hz과 790Hz에서 존재한다는 것을 알 수 있다(노이즈 제거 전에는 공진 주파수의 higher peaks 성분이 노이즈에 묻혀서 드러나지 아니하였음). 일반적으로 MEMS 미러 스캐너의 전달함수를 2차 모델링하는 기존 오픈 루프 제어 방식에서는 1차 모드만 표현할 수 있다는 단점이 있는데, 제안된 방식은 공진 주파수의 higher peaks 성분 뿐만 아니라, 2차 3차 모드 또는 공진 주파수의 고조파 성분까지도 포함할 수 있어, 이에 대한 원하지 않는 잔류 주파수를 제거할 수 있다는 장점이 있다. 위 실시예에서는 10번의 실험결과로 평균치를 구하였으나, 통상의 기술자라면 그 회수는 필요에 따라 조절 가능함을 통상의 기술자라면 자명하게 인식할 수 있을 것이다. In order to obtain an experimental transfer function (ISETF), a pulse input as shown in FIG. 7 (a) was applied to measure the time series observation value of OSA as shown in FIG. 7 (b). 7 (c) shows the obtained ETF, in which noise was carried out not only in the high frequency region but also in the low frequency region. In order to reduce the influence of measurement noise, the average of 10 repeated experiment data was averaged to obtain a final ETF as shown in FIG. Compared to FIG. 7 (c), the noise is significantly reduced in the entire frequency domain, and it can be seen that the higher peaks of the resonance frequency exist at 527 Hz and 790 Hz (before the noise removal, the higher peaks of the resonance frequency are buried in the noise. No). In general, the conventional open loop control method that second-orders the transfer function of the MEMS mirror scanner can express only the first mode. The proposed method is not only the higher peaks of the resonant frequency but also the second-order third mode or resonance. It can also include harmonic components of the frequency, there is an advantage that can eliminate the unwanted residual frequency for this. In the above embodiment, the average value was obtained from the results of ten experiments, but a person skilled in the art would readily recognize that the number of times may be adjusted as needed.

[삼각 신호 출력을 위한 입력 셰이핑(INPUT SHAPING)][INPUT SHAPING FOR TRIANGLE SIGNAL OUTPUT]

원하는 출력 신호, 여기서는 삼각형의 신호 출력값(triangular waveform)을 d(t)로 설정하고, 출력값이 d(t)가 나올 수 있도록 ISETF 방식을 이용하여 입력 신호를 셰이핑하였다. A desired output signal, here a triangular waveform, is set to d (t), and the input signal is shaped by using the ISETF method so that the output value is d (t).

(1) 우선 d(t)를 푸리에 변환하여 D(f)를 얻는다. 여기서 d(t)는 이상적인 수학적 모델이므로, 매트랩(matlab)과 같은 프로그램을 이용하여 쉽게 계산할 수 있다. (1) First, d (t) is Fourier transformed to obtain D (f). Since d (t) is an ideal mathematical model, it can be easily calculated using a program like matlab.

(2) 다음으로 수학식 3과 같이 D(f)를 MEMS 미러 스캐너의 전달함수인 T(f)로 나누어줌으로써, 주파수 영역 상에서의 셰이핑된 입력 신호 V(f)를 구할 수 있다. 여기서 T(f)는 전술한 ISETF 방식에 의하여 실험적으로 도출될 수 있다.(2) Next, by dividing D (f) by T (f), which is a transfer function of the MEMS mirror scanner, as shown in Equation 3, the shaped input signal V (f) in the frequency domain can be obtained. Here, T (f) can be experimentally derived by the above-described ISETF method.

(3) 셰이핑된 입력 신호 V(f)를 고속 푸리에 역변환(inverse FFT)을 통하여 시간 영역에서의 입력 신호 v(t)를 구한다.(3) The input signal v (t) in the time domain is obtained through the fast inverse FFT of the shaped input signal V (f).

(4) v(t)를 함수 발생기에 저장시키고, d(t)와 같은 출력 값이 필요한 상황에서 입력 신호 값으로 v(t)를 호출한다. (4) Store v (t) in the function generator and call v (t) as the input signal value when an output value such as d (t) is needed.

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위의 과정으로 구한 ISETF의 성능을 살펴보기 위하여, OSA의 범위를 -1°에서 1° 로 하고, 20 Hz의 주파수를 가지는 삼각 출력값을 아이디얼한 목표치 d(t)로 설정하고, 위에서 제시한 방식에 따라서 입력 신호를 셰이핑하여 v(t)를 구한 다음, v(t)를 이용하여 MEMS 미러 스캐너를 구동하였다. In order to examine the performance of ISETF obtained from the above process, the range of OSA is set from -1 ° to 1 °, the triangular output value having a frequency of 20 Hz is set to the ideal target value d (t), and the method presented above. After shaping the input signal to obtain v (t), the MEMS mirror scanner was driven using v (t).

도 8(a)에서 붉은색 점선은 셰이핑되지 아니한 삼각 신호이고, 검정색 실선은 ISETF를 이용하여 셰이핑된 입력 신호이다. 도 8(b)는 붉은색 점선은 얻고자 하는 출력값, 즉 d(t)이고 검정색 실선은 v(t)를 입력 신호로 했을 때 실제로 얻어지는 출력값이다. 파란색 실선은 위 두 출력값 사이의 차이를 나타낸 것인데, 원하지 않는 잔류 진동(undesired residual oscillation)을 대폭 감소시킨 상태에서 실제 출력값이 얻고자 하는 출력값(d(t))을 미세한 오차를 가지고 추종하는 것을 확인할 수 있었다. In FIG. 8 (a), the red dotted line is an unshaped triangular signal, and the black solid line is an input signal shaped using ISETF. 8 (b) shows a red dotted line as an output value to be obtained, that is, d (t) and a solid black line is an output value actually obtained when v (t) is used as an input signal. The solid blue line shows the difference between the above two output values, and it is confirmed that the actual output value follows the output value (d (t)) to be obtained with a slight error while greatly reducing the unwanted residual oscillation (undesired residual oscillation). Could.

[구동 전압] [Drive voltage]

위에서 언급된 바와 같이, C-nonlinearity의 영향에 대한 ISETF의 적용 한계를 살펴보고자 입력전압(Vd)를 변화시켜 가면서 출력값을 확인하였다. 도 8(b)과 마찬가지로 붉은색 점선은 얻고자 하는 출력값, 즉 d(t)이고 검정색 실선은 v(t)를 입력 신호로 했을 때 실제로 얻어지는 출력값이다. 파란색 실선은 위 두 출력값 사이의 차이를 나타낸 것이다. 도 9(a)는 Vd=10V, 도 9(b)는 Vd=35V, 도 9(c)는 Vd=45V, 도 9(d)는 Vd=65V 일 때를 도시하고 있는데, Vd=35V 일때까지는 잔류 진동을 무시할 수 있는 수준으로 유지하다가, Vd=65V 수준에서는 잔류 진동을 무시하기 어렵게 됨을 확인할 수 있었다. As mentioned above, to examine the limitation of the application of ISETF to the effect of C-nonlinearity, the output value was checked by changing the input voltage (Vd). As shown in Fig. 8 (b), the red dotted line is the output value to be obtained, that is, d (t) and the black solid line is the output value actually obtained when v (t) is used as the input signal. The solid blue line shows the difference between the two outputs. 9 (a) shows Vd = 10V, FIG. 9 (b) shows Vd = 35V, FIG. 9 (c) shows Vd = 45V and FIG. 9 (d) shows Vd = 65V, when Vd = 35V. Until the residual vibration is maintained at a level that can be ignored, it was confirmed that it is difficult to ignore the residual vibration at the Vd = 65V level.

더 나아가, 스캐닝 출력값이 얼마나 이상적인 삼각 파형(triangular waveform)에 가까운 지를 정량적으로 분석하기 위하여 스캔 라인 에러(SLE;scan line error)라는 기준을 정의한다. 예를 들어, 균일한 100개의 스캔 라인을 갖는 래스터 스캔(raster scan)에서 어떤 스캔 라인의 포지션이 스캔 라인 n개의 간격만큼 벗어나는 경우 SLE = (n lines /100 scan lines )x 100 %에 해당한다. 최종적인 성능 지표(PI; performance index)로는 도 1에서 설명한 USR(Usable scan range)(USR)을 사용하며, 이것은 주어진 SLE 기준을 만족하는 길이를 전체 범위에 대한 퍼센트로 구한 값이다. 정의한 SLE에 따른 USR의 타당성을 검증하기 위하여 NRMSE(normalized root mean square error)도 같이 계산되었다. 구동 전압 Vd(t)의 크기에 따른 USR (SLE 1.0%, 1.2%, and 1.5%기준)과 NRMSE를 도 5에 도시한 구동 전압(DC)에 대해서 선형화된 MEMS 미러 스캐너의 TOSA(Total Optical Scanning Angle)와 같이 도 10에 도시하였다. Furthermore, a criterion called scan line error (SLE) is defined to quantitatively analyze how close the ideal triangular waveform is to the scanning output value. For example, in a raster scan having 100 uniform scan lines, when a position of a scan line deviates by n intervals of scan lines, SLE = (n lines / 100 scan lines) x 100%. As a final performance index (PI), the Usable Scan Range (USR) described in FIG. 1 is used, which is a value obtained as a percentage of the entire range of a length satisfying a given SLE criterion. In order to verify the validity of the USR according to the defined SLE, the normalized root mean square error (NRMSE) was also calculated. Total Optical Scanning of a MEMS Mirror Scanner Linearized with USR (Based on SLE 1.0%, 1.2%, and 1.5%) and NRMSE According to Drive Voltage Vd (t) with Drive Voltage (DC) Shown in FIG. As shown in FIG. 10.

도 10에 도시된 것처럼, SLE 1.5% 기준일 때에는, 구동 전압이 15V(TOSA 3.4°)~40V(TOSA 9°)인 영역에서는 96% 이상의 넓은 USR을 가지며, 이보다 구동 전압이 높거나 낮을 때에는 USR이 현격하게 떨어짐을 알 수 있다. 5V(TOSA 1.2°)-10V(TOSA 2.2°)의 낮은 전압에서는 스캐닝 출력이 삼각 파형에 가깝게 나왔음에도 불구하고 USR이 작다. 왜냐하면 USR을 정의하는 기준인 SLE가 스캔 앵글에 따라 기준 값이 바뀌기 때문이며, 이는 선형 피팅 라인(linear fitting line)을 기준으로 스캐닝 출력의 편차가 같더라도 낮은 스캔 앵글에 대해서는 상대적으로 더 큰 SLE를 나타냄을 의미한다. 구동 전압이 낮으면 구동각(OSA)이 작아져서 상대적으로 노이즈의 영향이 커지기 때문이다. 한편 45V(TOSA 9.8°)이상의 높은 전압에서도 USR과 NRMSE가 나빠지는 현상을 관찰할 수 있다. As shown in FIG. 10, when the SLE is 1.5%, the USR has a wide USR of 96% or more in the region where the driving voltage is 15V (TOSA 3.4 °) to 40V (TOSA 9 °), and when the driving voltage is higher or lower, It can be seen that the fall dramatically. At low voltages of 5V (TOSA 1.2 °) -10V (TOSA 2.2 °), the USR is small, even though the scanning output is close to a triangular waveform. This is because the SLE, which defines the USR, changes the reference value according to the scan angle, which indicates a relatively larger SLE for low scan angles, even if the scanning output varies with respect to the linear fitting line. Means. This is because the lower the driving voltage, the smaller the driving angle OSA, and thus the greater the influence of noise. On the other hand, USR and NRMSE deteriorate even at high voltages above 45V (TOSA 9.8 °).

그 이유는 구동각이 커짐에 따라 토크에 직접 영향을 주는 전극 사이의 커패시턴스 변화율이 많이 작아지는 구간(C-비선형)의 영향이며, ETF가 C-선형 구간의 선형 시스템정보를 담고 있어 C-비선형이 크게 나타나는 영역에서 스캐너가 구동되기 때문이다(즉, ETF가 C-선형 구간의 선형 시스템 정보를 담고 있기 때문이며, 그 결과로서 C-비선형이 커질수록 원하는 스캐닝 출력과 차이가 커지는 것이다.).The reason for this is the influence of the section (C-nonlinear) where the capacitance change rate between electrodes which directly affects torque increases as the driving angle increases, and the CTF nonlinear because the ETF contains linear system information of the C-linear section. This is because the scanner is driven in this large area (i.e., because the ETF contains linear system information of the C-linear interval, and as a result, the larger the C-nonlinearity, the larger the difference with the desired scanning output).

스캐닝 출력에 대하여 더 엄격한 조건의 SLE 1.0%, 1.5 %로 USR을 계산하였을 때, 80% 이상의 높은 USR 값을 가지는 전압 범위는 20V(TOSA 4.5°)~30V(TOSA 6.7°)로 좁아졌다. 한편, USR이 작을 때 NRMSE이 커지는 것은 USR이 PI로서 유효하다는 것을 입증한다. When the USR was calculated with SLE 1.0% and 1.5% under more stringent conditions for the scanning output, the voltage range with high USR values of 80% or more narrowed from 20V (TOSA 4.5 °) to 30V (TOSA 6.7 °). On the other hand, an increase in NRMSE when the USR is small proves that the USR is valid as a PI.

[구동 주파수][Drive frequency]

구동 주파수의 증가에 따른 입력 셰이핑(input-shaping)의 적용 한계를 규명하고자 한다. 한편, 샘플링 주파수가 높을수록 고주파 항(high frequency term)을 많이 고려할 수 있기 때문에 스캐닝 출력을 원하는 파형으로 보다 쉽게 근접시킬 수 있다. 따라서 본 규명에서는 샘플링 주파수의 영향을 받지 않도록 50 kHz로 고정된 상태에서 구동 주파수를 변화시켰으며, 그 결과는 도 11에 도시된다. 도 11(a)는 20 Hz, 도 11(b)는 40 Hz, 도 11(c)는 160 Hz, 도 11(d)는 300 Hz이다. 여기에서 붉은색 점선은 얻고자 하는 출력값, 즉 d(t)이고 검정색 실선은 v(t)를 입력 신호로 했을 때 실제로 얻어지는 출력값이다. 파란색 실선은 위 두 출력값 사이의 차이를 나타낸 것이다.The purpose of this study is to investigate the limitation of application of input-shaping with increasing driving frequency. On the other hand, the higher the sampling frequency, the higher frequency term (high frequency term) can be considered, so that the scanning output can be more easily approached to the desired waveform. Therefore, in the present specification, the driving frequency is changed at a fixed state of 50 kHz so as not to be affected by the sampling frequency, and the result is shown in FIG. 11. Fig. 11 (a) is 20 Hz, Fig. 11 (b) is 40 Hz, Fig. 11 (c) is 160 Hz, and Fig. 11 (d) is 300 Hz. Here, the red dotted line is the output value to be obtained, that is, d (t) and the black solid line is the output value actually obtained when v (t) is used as the input signal. The solid blue line shows the difference between the two outputs.

전압은 USR 이 좋은 영역으로 판단된 Vd=50V이며, 스캐닝 출력을 SLE과 d NRMSE에 대해서 분석하였다.The voltage was Vd = 50V which was judged to be a good USR region, and the scanning outputs were analyzed for SLE and d NRMSE.

도 12에 도시된 분석 결과를 살펴보면, SLE 1.5%를 기준으로 할 때 낮은 주파수 대역인 80Hz까지는 USR이 90% 이상으로 스캐닝 출력이 이상적인 삼각 파형에 매우 가까움을 알 수 있다. 하지만 90Hz부터 220Hz까지는 USR값이 변화가 심한 경향을 보이고, 240Hz부터는 USR값이 50%이하로 많이 감소하는 경향을 보인다. 그 이유는 샘플링 주파수가 50 kHz로 고정된 상태에서는 구동주파수가 높아질수록 입력 셰이핑 계산 과정에서 포함할 수 있는 고조파 주파수의 개수가 줄어들기 때문이다.Referring to the analysis result shown in FIG. 12, it can be seen that the scanning output is very close to an ideal triangular waveform with USR of 90% or more up to 80 Hz, which is a low frequency band based on SLE 1.5%. However, from 90Hz to 220Hz, the USR value tends to change drastically, and from 240Hz, the USR value tends to decrease by less than 50%. This is because, with the sampling frequency fixed at 50 kHz, the higher the driving frequency, the less the number of harmonic frequencies that can be included in the input shaping calculation.

삼각 스캐닝 출력은 사인파 스캐닝 출력보다 측정 간격이 일정하기 때문에 USR 관점에서 선호된다. 그러나, 삼각 파형의 전압을 그대로 인가할 때, 고조파 주파수 중의 하나가 스캐너의 공진 주파수에 접하는 경우 원하지 않는 잔류 진동이 발생하기 때문에 이를 보상해주는 제어가 필요하다. 본 연구에서는 기본 공진주파수는 물론, 고차 모드의 영향까지 효율적으로 제거할 수 있는 ISETF를 제안하고 그 성능과 구동 전압 및 구동주파수의 적용 한계를 실험적으로 규명하였다.Triangular scanning output is preferred from the USR perspective because the measurement interval is more constant than sinusoidal scanning output. However, when the voltage of the triangular waveform is applied as it is, when one of the harmonic frequencies is in contact with the resonant frequency of the scanner, unwanted residual vibration occurs, so a control is required to compensate for this. In this study, we propose an ISETF that can efficiently remove not only the fundamental resonant frequency but also the effects of higher-order modes, and experimentally investigate its performance, application limits of driving voltage and driving frequency.

SLE 1.5%를 기준으로 할 때, 구동전압이 15V(TOSA 3.4°)부터 40V(TOSA 9°)까지 96%이상의 넓은 USR을 가졌으며, 이는 제안된 ISETF가 선형 영역에서 잘 작동한다는 것을 의미한다. 구동 주파수에 따른 적용 한계 실험에서는 저주파수 대역인 80Hz까지 97%이상의 넓은 USR을 보였지만, 90Hz 이상에서는 변동(fluctuation) 이 심하거나 USR값이 현저히 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 실험결과로부터, 제안된 ISET은 기존 오픈 루프 제어보다 고차 모드에 의한 잔류 진동 및 두 축 구동에서의 크로스토크(crosstalk)도 효율적으로 제거할 수 있다.Based on SLE 1.5%, the drive voltage has a wider USR of more than 96% from 15V (TOSA 3.4 °) to 40V (TOSA 9 °), which means that the proposed ISETF works well in the linear region. In the application limit test according to the driving frequency, the USR showed a wide USR of more than 97% up to the low frequency band of 80Hz, but the fluctuation was severe or the USR value decreased significantly above 90Hz. From these experimental results, the proposed ISET can more efficiently remove residual vibration and higher crosstalk in two-axis driving.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 미러 스캐너 일 축 구동 방법의 실시 순서를 나타내는 플로우차트이다. FIG. 13 is a flowchart illustrating an implementation procedure of a MEMS mirror scanner uniaxial driving method according to an embodiment of the present invention.

여기서 MEMS 미러 스캐너 구조물에 대해서 전달함수 추출용 입력전압 ix(t)(임펄스 또는 주파수 스윕(sweep))를 이용하여 x축 방향 구동실험을 하고, 입력전압 ix(t) 및 출력각 oxx(t)에 대한 디지타이즈가 수행되고, 입력전압 및 출력각에 대한 푸리에 변환을 통하여 Ix(f) 및 Oxx(f)를 계산하고, 이를 이용하여 소자에 대한 실험적 전달함수 Txx(f)를 구한다. The MEMS mirror scanner structure is tested using the input voltage i x (t) (impulse or frequency sweep) for the transfer function extraction, and the input voltage i x (t) and the output angle o xx Digitization of (t) is performed, and I x (f) and O xx (f) are calculated through Fourier transform of input voltage and output angle, and the experimental transfer function T xx (f )

원하는 출력각 dx(t)를 설정하고 FT하여 Dx(f)를 구한다. 다음으로 Ox(f)를 앞서 구한 Txx(f)를 나누게 되면 셰이프된 입력 전압의 주파수영역 함수 Vx(f)를 계산할 수 있고, 이를 역푸리에 변환하여 시간영역 함수로 바꾸어주면 셰이프된 입력 vx(t)를 구할 수 있다. 그리고 실제 위 입력전압으로 소자를 구동한 뒤 위치오차가 있는 경우 원하는 출력각 dx(t)에 근접하도록 피드백 제어를 수행할 수 있다. 전술한 프로세스에 의하여 X축에 대한 제어가 끝나면, 위에서 제시한 방법과 마찬가지로 Y축에 대한 제어도 이루어질 수 있다. Set the desired output angle d x (t) and FT to find D x (f). By dividing O x (f) by T xx (f), we can calculate the frequency domain function V x (f) of the shaped input voltage, and convert it to the time domain function by inverse Fourier transform to the shape input. v x (t) can be found. After the device is driven with the above input voltage, feedback control may be performed to approach the desired output angle d x (t) when there is a position error. After the control on the X-axis is completed by the above-described process, the control on the Y-axis can be made like the above-described method.

도 14의 실시예는 전산모사 해석으로부터 이론적 전달함수를 추출함으로써 입력 셰이핑을 수행하는 방법을 보여준다. 첫 번째로 MEMS 미러 스캐너 전체의 x축에 대한 전산모사 해석으로 진동 특성(기본 공진주파수, 스프링 강성, 관성모멘트, 감쇠계수 등)을 추출한 뒤, 이론적으로 해당 진동계의 전달함수를 구한다. 두 번째로 마찬가지 방법을 이용하여 측정에 영향을 주는 고차 모드에 대한 이론적 전달함수를 구한다. 세 번째로, y축 구동이 x축에 영향을 주는 크로스토크(crosstalk) 분석 및 모델링을 수행하기 위하여 시뮬레이션으로 y축을 펄스 신호로 구동시킨 후 x축의 변위를 측정하고 이를 이용하여 y축이 x축에 미치는 크로스토크에 대한 이론적 전달함수를 구한다. 앞에서 구한 3가지 진동계에 대한 이론적 전달함수를 더함으로써 x축의 기본 공진, 고차 모드 및 크로스토크 (y축 구동이 x축에 주는 영향)가 통합된 이론적 전달함수 Txx(f)를 추출한다. 결과적으로 원하는 출력각에 대하여 셰이프된 입력 전압 vx(t)는 이론적 전달함수 Txx(f)를 이용하여 도 13과 마찬가지 방법으로 구할 수 있다. 14 shows a method of performing input shaping by extracting a theoretical transfer function from a computer simulation. First, the vibration characteristics (basic resonant frequency, spring stiffness, moment of inertia, damping coefficient, etc.) are extracted from the computer simulation of the whole MEMS mirror scanner, and then the transfer function of the corresponding vibration system is theoretically obtained. Second, we use the same method to find the theoretical transfer function for higher-order modes that affect the measurement. Third, in order to perform crosstalk analysis and modeling in which the y-axis drive affects the x-axis, the y-axis is measured using a pulse signal after the y-axis is driven by a simulation. Find the theoretical transfer function for crosstalk. By adding the theoretical transfer functions for the three vibration systems, we extract the theoretical transfer function T xx (f) that integrates the fundamental resonance of the x-axis, the higher-order mode and the crosstalk (the effect of the y-axis drive on the x-axis). As a result, the shaped input voltage v x (t) for the desired output angle can be obtained in the same manner as in FIG. 13 using the theoretical transfer function T xx (f).

도 15의 실시예는 도 13의 실시예에서 얻은 실험적 전달함수로부터 이론적 전달함수를 추출함으로써 입력 셰이핑을 수행하는 방법을 보여준다. 즉, 실험적 전달함수는 3가지 진동계(기본 공진주파수, 고차 모드, 크로스토크)에 대한 전달함수의 합이라 가정할 수 있다. 따라서 3가지 피크값은 각 진동계의 공진주파수에 해당하며, 이 조건으로부터 각 진동계의 스프링 상수, 질량 및 감쇠계수를 차례로 구할 수 있다. 이와 같이 실험적 전달함수로부터 얻어진 3가지 전달함수를 모두 더함으로써, 최종적으로 이론적인 전달함수를 얻을 수 있다. The embodiment of FIG. 15 shows a method of performing input shaping by extracting the theoretical transfer function from the experimental transfer function obtained in the embodiment of FIG. That is, it can be assumed that the experimental transfer function is the sum of the transfer functions for three vibration systems (basic resonant frequency, higher order mode, and crosstalk). Therefore, the three peak values correspond to the resonant frequency of each vibration system. From this condition, the spring constant, mass, and damping coefficient of each vibration system can be obtained in turn. Thus, by adding all three transfer functions obtained from the experimental transfer function, the theoretical transfer function can be finally obtained.

위에 설명한 바와 같이, 도 13, 14, 15는 한 축에 대하여 원하는 출력을 얻을 수 있는 입력 셰이핑 방법을 도시한 플로우차트이다. 이 때, 크로스토크는 x축과 y축 사이에 서로 영향을 주는 커플링 현상을 의미하며, 도 13, 14, 15는 한 축에 대해서만 크로스토크 영향을 제거하되, 다른 축은 다루지 않는다는 특징이 있다. As described above, FIGS. 13, 14, and 15 are flowcharts illustrating an input shaping method for obtaining a desired output on one axis. In this case, crosstalk refers to a coupling phenomenon affecting each other between the x-axis and the y-axis, and FIGS. 13, 14, and 15 remove the crosstalk effect on only one axis, but do not cover the other axis.

이와는 달리, 도 16 내지 18은 본 발명의 일 실시예를 응용한 MEMS 미러 스캐너 두 축 모두에 대한 구동 방법의 실시 순서를 나타내는 플로우차트이다. In contrast, FIGS. 16 to 18 are flowcharts showing an implementation procedure of a driving method for both axes of a MEMS mirror scanner to which an embodiment of the present invention is applied.

여기서 MEMS 미러 스캐너 구조물에 대해서 각 축의 전달함수 추출용 입력전압 x축과 y축에 대한 입력전압 함수 ixx(t), iyy(t)(임펄스 또는 주파수 스윕)가 결정된다. ixx(t)를 이용하여 구동실험을 하고, ixx(t)(x축 입력 신호(전압)), oxx(t)(ixx(t)에 의한 x축 출력 신호(출력각)), oxy(t)(ixx(t)에 의한 y축 출력신호(출력각))에 대한 디지타이즈가 수행되고, 입력신호 및 출력신호에 대한 푸리에 변환을 이용하여 Ixx(f), Oxx(f), Oxy(f)를 각각 계산하고, 이를 이용하여 소자에 대한 실험적 전달함수 Txx(f)(x축 입력과 x축 출력 의 관계)와 Txy(f)(x축 입력과 y축 출력의 관계)를 구한다. 마찬가지로 iyy(t)(y축 입력 신호)에 대하여 같은 과정을 수행한 후 실험적 전달함수 Tyy(f)(y축 입력과 y축 출력 관계)와 Tyx(f)(y축 입력과 x축 출력의 관계)를 추출한다(수학식 4 참조).Here, for the MEMS mirror scanner structure, the input voltage functions i xx (t) and i yy (t) (impulse or frequency sweep) for the x and y axes for extracting the transfer function of each axis are determined. a driving test using the i xx (t), and, i xx (t) (x-axis input signal (voltage)), o xx (t) (i xx (x-axis output signal (output angle) due to t)) , digitization is performed on xy (t) (y-axis output signal (output angle) by i xx (t)) and I xx (f), O using Fourier transform on the input and output signals. xx (f) and O xy (f) are calculated, respectively, and the experimental transfer function T xx (f) (relationship between x-axis input and x-axis output) and T xy (f) (x-axis input) for the device And y-axis output). Similarly, after performing the same process for i yy (t) (y-axis input signal), the experimental transfer functions T yy (f) (y-axis input and y-axis output relation) and T yx (f) (y-axis input and x Extract the relationship between the axis outputs (see Equation 4).

Figure pat00005
Figure pat00005

두 축 구동시 x축과 y축의 원하는 출력각 dx(t)와 dy(t)를 설정하고 푸리에 변환하여 Dx(f)와 Dy(f)를 구한다. 다음으로 앞서 구한 실험적 전달함수들 Txx(f), Txy(f), Tyy(f) 및 Tyx(f)와 원하는 출력각 Dx(f)와 Dy(f)를 이용하여 원하는 출력각에 대한 주파수 영역에서의 입력전압 함수인 Vx(f), Vy(f)를 계산할 수 있고(수학식 5 참조), 이를 역푸리에 변환하여 시간영역 함수로 바꾸면 셰이프 입력 vx(t)와 vy(t)를 구할 수 있다. 그리고 실제 위 입력전압으로 소자를 구동한 뒤 위치 오차가 있는 경우 원하는 출력각 dx(t)에 근접하도록 피드백 제어를 수행할 수 있다.When two axes are driven, the desired output angles d x (t) and d y (t) are set on the x-axis and y-axis, and Fourier transform is used to find D x (f) and D y (f). Next, using the experimental transfer functions T xx (f), T xy (f), T yy (f) and T yx (f) and the desired output angles D x (f) and D y (f), You can calculate V x (f) and V y (f), the input voltage functions in the frequency domain for the output angle (see Equation 5), and convert them to inverse Fourier transforms into a time domain function to obtain the shape input v x (t ) And v y (t). After driving the device with the actual input voltage, feedback control may be performed to approach the desired output angle d x (t) when there is a position error.

Figure pat00006
Figure pat00006

도 17의 실시예는 전산모사 해석으로부터 이론적 전달함수를 추출함으로써 입력 셰이핑을 수행하는 방법을 보여준다. 첫 번째로, 소자 전체에 대한 전산모사 해석으로 MEMS 미러 스캐너 각 축의 진동 특성(기본 공진주파수, 스프링 강성, 감쇠비 등)을 분석한 뒤, 이론적으로 x축과 y축의 기본 공진에 대한 전달함수를 구하는 과정을 나타낸다. 두 번째로, 위와 마찬가지 방법을 이용하여 측정에 영향을 주는 고차 모드에 대한 이론적 전달함수를 구한다. x축, y축을 중심으로 한 회동 뿐만 아니라 z축 방향으로의 움직임 역시 회전 움직임으로 측정될 수 있기 때문에 이러한 고차 모드로 인한 잔류 진동이 스캐닝 출력에 영향을 줄 수 있다. 위 과정들로부터 구한 2가지 이론적 전달함수를 더함으로써 x축와 y축 각각에 대한 기본 공진, 고차 모드(higher mode)가 통합된 이론적 전달함수 Txx(f)와 Tyy(f)를 추출한다. 세 번째로, 두 축이 같이 구동될 때 발생하는 크로스토크에 대한 모델링을 수행하기 위하여, 시뮬레이션으로 각 축에 대하여 독립적으로 펄스 신호로 인가한 후 다른 축의 변위를 측정하여 각 축의 크로스토크에 대한 이론적 전달함수 Txy(f)와 Tyx(f)를 추출한다. 결과적으로, 원하는 출력각에 대한 셰이프된 입력 전압 vx(t)와 vy(t)는 도 13과 마찬가지 방법으로 수학식 5에 이론적 전달함수 Txx(f), Tyy(f), Txy(f), Tyx(f)를 대입하여 구할 수 있다. 17 illustrates a method of performing input shaping by extracting a theoretical transfer function from a computer simulation. First, we analyze the vibration characteristics (basic resonant frequency, spring stiffness, damping ratio, etc.) of each axis of MEMS mirror scanner by computer simulation of the whole device and then theoretically calculate the transfer function for fundamental resonance of x and y axes. Indicate the process. Second, we use the same method as above to find the theoretical transfer function for higher order modes that affect the measurement. Since the movement in the z-axis direction as well as the rotation about the x- and y-axes can be measured as the rotational movement, the residual vibration due to this higher-order mode can affect the scanning output. By adding two theoretical transfer functions obtained from the above processes, the theoretical transfer functions T xx (f) and T yy (f) that integrate the fundamental resonance and higher mode for the x and y axes are extracted. Third, in order to model the crosstalk generated when the two axes are driven together, the theoretical application of the crosstalk of each axis is measured by applying the pulse signal independently to each axis by simulation and measuring the displacement of the other axis. Extract the transfer functions T xy (f) and T yx (f). As a result, the shaped input voltages v x (t) and v y (t) for the desired output angles are calculated by the theoretical transfer functions T xx (f), T yy (f), T in the same manner as in FIG. Can be obtained by substituting xy (f) and T yx (f).

도 18의 실시예는 도 16의 실시예에서 얻은 실험적 전달함수로부터 이론적 전달함수를 추출함으로써 입력 셰이핑을 수행하는 방법을 보여준다. 첫 번째로, 도 도 16에서 얻은 실험적 전달함수들로부터 MEMS 미러 스캐너의 진동 특성(공진주파수, 스프링 강성, 감쇠비 등)을 구한다. 이 때, 기본공진 및 고차 모드가 포함된 실험적 전달함수 Txx(f)와 Tyy(f)는 각각 2가지 진동계(기본 공진주파수, 고차모드(higher mode))의 합으로 이루어져있으며, 각각의 피크값은 각 진동계의 공진주파수라 가정할 수 있다. 각각의 이론적 전달함수를 구한 후도 15에서와 같이 더함으로써 Txx(f)와 Tyy(f)를 구할 수 있다. 두 번째로, 두 축 구동시 크로스토크 모델링을 수행하기 위하여 x축 구동에 따른 y축 변위의 관계를 하나의 진동계로 가정하고 실험적 전달함수 Txy(f)로부터 추출한 진동 특성을 바탕으로 스프링-질량-감쇠 진동계를 표현하는 식에 대입하여 이론적 전달함수 Txy(f)를 추출한다. 같은 과정으로 이론적 전달함수 Tyx(f)를 추출한다. 결과적으로, 원하는 출력각에 대한 셰이ㅇ이된 입력 전압 vx(t)와 vy(t)는 도 13과 마찬가지 방법으로 수학식 5에 이론적 전달함수 Txx(f), Tyy(f), Txy(f), Tyx(f)를 대입하여 구할 수 있다. The embodiment of FIG. 18 shows a method of performing input shaping by extracting the theoretical transfer function from the experimental transfer function obtained in the embodiment of FIG. First, the vibration characteristics (resonance frequency, spring stiffness, damping ratio, etc.) of the MEMS mirror scanner are obtained from the experimental transfer functions obtained in FIG. 16. At this time, the experimental transmission functions T xx (f) and T yy (f) including the fundamental resonance and the higher order mode each consist of the sum of two vibration systems (basic resonance frequency and higher mode), respectively. The peak value can be assumed to be the resonance frequency of each vibration system. After each theoretical transfer function is obtained, T xx (f) and T yy (f) can be obtained by adding them as in 15. Secondly, in order to perform crosstalk modeling when driving two axes, the spring-mass is based on the vibration characteristics extracted from the experimental transmission function T xy (f) assuming the relation of y-axis displacement according to the x-axis driving as one vibration system. Extract the theoretical transfer function T xy (f) by substituting the equation for the damped vibration system. In the same process, the theoretical transfer function T yx (f) is extracted. As a result, the shaded input voltages v x (t) and v y (t) for the desired output angle are calculated in the same manner as in Fig. 13 by the theoretical transfer functions T xx (f) and T yy (f). Can be obtained by substituting T xy (f) and T yx (f).

Claims (14)

x축 및 이와 수직인 y축을 중심으로 미러가 회동할 수 있는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법에 관한 것으로서,
MEMS 미러 스캐너의 전달함수(T(f))를 구하는 단계;
MEMS 미러 스캐너의 미러 구동을 위한 목표 시계열 출력 신호(d(t))를 설정하는 단계;
상기 목표 시계열 출력 신호(o(t))를 푸리에 목표 주파수 영역의 출력 신호(D(f))로 변환하는 단계;
상기 목표 주파수 영역 출력 신호(D(f))와 상기 MEMS 미러 스캐너의 전달함수(T(f))로부터 주파수 영역의 입력 신호(V(f))를 구하는 단계;
상기 주파수 영역의 입력 신호(V(f))를 시계열 입력 신호(v(t))로 변환하는 단계; 및
상기 시계열 입력 신호(v(t))를 구동 전압으로서 MEMS 미러 스캐너에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
A method of driving a MEMS mirror scanner in which a mirror can rotate about an x axis and a y axis perpendicular thereto,
Obtaining a transfer function T (f) of the MEMS mirror scanner;
Setting a target time series output signal d (t) for driving the mirror of the MEMS mirror scanner;
Converting the target time series output signal o (t) into an output signal D (f) in a Fourier target frequency domain;
Obtaining an input signal V (f) in the frequency domain from the target frequency domain output signal D (f) and a transfer function T (f) of the MEMS mirror scanner;
Converting the input signal V (f) in the frequency domain into a time series input signal v (t); And
And applying the time series input signal (v (t)) as a drive voltage to a MEMS mirror scanner.
청구항 1에 있어서, 상기 전달함수(T(f))는, x축 시계열 출력 신호(oxx(t))를 푸리에 변환한 x축 주파수 영역 출력 신호(Oxx(f))를, x축 시계열 입력 신호(ix(t))를 푸리에 변환한 x축 주파수 영역 입력 신호(Ix(f))로 나누어서 얻어진 x축 전달함수(Tx(f))인 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The x-axis time series of claim 1, wherein the transfer function T (f) comprises an x-axis frequency domain output signal O xx (f) obtained by Fourier transforming an x-axis time series output signal o xx (t). MEx mirror scanner driving method characterized in that the x-axis transfer function (T x (f)) obtained by dividing the input signal (i x (t) by the Fourier transform x-axis frequency domain input signal (I x (f)). .
청구항 2에 있어서, x축 주파수 영역 입력 신호(Ix(f)) 및 x축 주파수 영역 출력 신호(Oxx(f))를 이용하여 x축 전달함수(Tx(f))를 산출하는 과정을 복수 회 반복하고, 복수 회 반복되어 산출된 x축 전달함수(Tx(f))를 평균하여 최종적인 x축 전달함수(Tx(f))가 결정되는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The process of claim 2, wherein the x-axis transfer function T x (f) is calculated using the x-axis frequency domain input signal I x (f) and the x-axis frequency domain output signal O xx (f). Is repeated a plurality of times, and the final x-axis transfer function T x (f) is determined by averaging the x-axis transfer function T x (f) calculated a plurality of times. Way.
청구항 2에 있어서, MEMS 미러 스캐너의 x축에 대한 전산모사 해석으로 진동특성을 추출하여 이론적으로 전달함수를 구하고, 측정에 영향을 주는 고차 모드에 대한 이론적 전달함수를 구하며, y축 구동이 x축의 움직임에 영향으로 주는 크로스토크에 대한 이론전 전달함수를 구한 뒤, 앞에서 구한 이론적 전달함수들을 모두 더함으로써 최종적인 x축 전달함수(Tx(f))가 결정되는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The method of claim 2, wherein the computational simulation analysis of the MEMS mirror scanner extracts the vibration characteristics to obtain the theoretical transfer function, the theoretical transfer function for the higher-order mode affecting the measurement, and the y-axis drive Drive the MEMS mirror scanner characterized in that the final x-axis transfer function (T x (f)) is determined by adding all of the theoretical transfer functions obtained above. Way.
청구항 2에 있어서, 상기 목표 시계열 출력 신호(d(t))는 x축 목표 시계열 출력 신호(dx(t))이며,
상기 x축 목표 시계열 출력 신호(dx(t))를 푸리에 변환하여 얻어지는 x축 목표 주파수 영역 출력 신호(Dx(f))와 상기 x축 전달함수(Tx(f))를 곱하여 x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f))를 얻는 것을 특징으로 하는, MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The method of claim 2, wherein the target time series output signal d (t) is an x-axis target time series output signal d x (t),
The x-axis is multiplied by the x-axis target frequency domain output signal (D x (f)) obtained by Fourier transforming the x-axis target time series output signal (d x (t)) and the x-axis transfer function (T x (f)). A method of driving a MEMS mirror scanner, characterized by obtaining a frequency domain input signal (V x (f)).
청구항 5에 있어서, x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f))를 역푸리에 변환하여 얻어진 x축 시계열 입력 신호(vx(t))를 기초로 구동 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The MEMS mirror according to claim 5, wherein a driving voltage is applied based on the x-axis time series input signal v x (t) obtained by inverse Fourier transforming the x-axis frequency domain input signal V x (f). How to drive the scanner.
청구항 1에 있어서, 상기 전달함수(T(f))는,
x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))에 의하여 발생한 x축 방향 시계열 출력 신호(oxx(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oxx(f))를, x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Ix(f))로 나누어 얻어진 xx 전달함수(Txx(f));
x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))에 의하여 발생한 y축 방향 시계열 출력 신호(oxy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oxy(f))를, x축 방향 시계열 입력 신호(ix(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Ix(f))로 나누어 얻어진 xy 전달함수(Txy(f));
y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))에 의하여 발생한 x축 방향 시계열 출력 신호(oyx(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oxy(f))를, y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Iy(f))로 나누어 얻어진 yx 전달함수(Txy(f)); 및
y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))에 의하여 발생한 y축 방향 시계열 출력 신호(oyy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 출력 신호(Oyy(f))를, y축 방향 시계열 입력 신호(iy(t))를 푸리에 변환한 주파수 영역 입력 신호(Iy(f))로 나누어 얻어진 yy 전달함수항(Tyy(f))를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The method according to claim 1, wherein the transfer function (T (f)),
The frequency domain output signal O xx (f) obtained by Fourier transforming the x-axis time series output signal o xx (t) generated by the x-axis time series input signal i x (t) is obtained. An xx transfer function (T xx (f)) obtained by dividing the input signal i x (t) by the Fourier transformed frequency domain input signal I x (f);
The frequency domain output signal (O xy (f)) obtained by Fourier transforming the y-axis time series output signal (o xy (t)) generated by the x-axis time series input signal (i x (t)). An xy transfer function T xy (f) obtained by dividing the input signal i x (t) by the Fourier transformed frequency domain input signal I x (f);
The frequency domain output signal O xy (f) obtained by Fourier transforming the x-axis time series output signal o yx (t) generated by the y-axis time series input signal i y (t), and the y-axis time series An yx transfer function T xy (f) obtained by dividing the input signal i y (t) by the Fourier transformed frequency domain input signal I y (f); And
The y-axis time series output signal (O yy (f)) obtained by Fourier transforming the y-axis time series output signal (o yy (t)) generated by the y-axis time series input signal (i y (t)). And a yy transfer function term (T yy (f)) obtained by dividing the input signal i y (t) by the Fourier transformed frequency domain input signal I y (f). .
청구항 1에 있어서, 상기 전달함수(T(f))를 구하는 단계는,
MEMS 미러 스캐너에 대한 전산모사 해석을 통하여 x축 및 y축에 대한 진동 특성을 분석한 뒤 이론적으로 x축과 y축의 기본 공진에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 측정에 영향을 주는 고차 모드에 대한 이론적 전달함수를 구하며, x축과 y축에 각각 독립적으로 펄스 신호를 인가한 후 서로 다른 축의 변위를 측정하여 각 축의 크로스토크에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 앞에서 구한 이론적 전달함수들을 모두 더하여 x축 구동이 x축에 영향을 미치는 xx 전달함수항(Txx(f)), x축 구동이 y축에 영향을 미치는 xy 전달함수(Txy(f)), y축 구동이 x축에 영향을 미치는 yx 전달함수(Tyx(f)), y축 구동이 y축에 영향을 미치는 yy 전달함수항(Tyy(f))를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The method of claim 1, wherein the obtaining of the transfer function T (f) comprises:
Computational simulation of the MEMS mirror scanner analyzes the vibration characteristics of the x- and y-axes, then theoretically calculates the theoretical transfer function for the fundamental resonance of the x- and y-axes, and theoretically evaluates the higher-order modes that affect the measurement. To calculate the transfer function, apply the pulse signal to the x axis and the y axis independently, measure the displacement of different axis, calculate the theoretical transfer function for the crosstalk of each axis, and drive the x axis by adding the theoretical transfer functions. Xx transfer function term affecting this x axis (T xx (f)), xy transfer function affecting the y axis (T xy (f)), y axis drive affecting the x axis and yx transfer function (T yx (f)), extracting a yy transfer function term (T yy (f)) in which y-axis driving affects the y-axis.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 목표 시계열 출력 신호(d(t))는 x축 목표 시계열 출력 신호(dx(t)) 및 y축 목표 시계열 출력 신호(dy(t))를 포함하되,
이들을 각각 푸리에 변환하여 x축 목표 주파수 영역 출력 신호(Dx(f)) 및 y축 목표 주파수 영역 출력 신호(Dy(f))를 구하고,
Figure pat00007

에 의하여 x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f)) 및 y축 주파수 영역 입력 신호(Vy(f))를 얻어내는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The method of claim 7 or 8, wherein the target time series output signal d (t) includes an x-axis target time series output signal d x (t) and a y-axis target time series output signal d y (t). ,
Fourier transforms these to obtain an x-axis target frequency domain output signal D x (f) and a y-axis target frequency domain output signal D y (f),
Figure pat00007

And obtaining the x-axis frequency domain input signal (V x (f)) and the y-axis frequency domain input signal (V y (f)).
청구항 9에 있어서, 상기 x축 주파수 영역 입력 신호(Vx(f)) 및 y축 주파수 영역 입력 신호(Vy(f))를 각각 역푸리에 변환하여 얻어진 x축 시계열 입력 신호(vx(t)) 및 y축 시계열 입력 신호(vy(t))를 기초로 구동전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The x-axis time series input signal (v x (t) of claim 9, wherein the x-axis frequency domain input signal (V x (f)) and the y-axis frequency domain input signal (V y (f)) are respectively obtained by inverse Fourier transform. And) driving voltage based on the y-axis time series input signal (v y (t)).
청구항 5 또는 청구항 9에 있어서, 구동전압을 인가하여 MEMS 미러 스캐너의 소자를 구동한 뒤 위치오차가 있는 경우 원하는 출력각에 근접하도록 피드백 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너 구동 방법.
The method of driving a MEMS mirror scanner according to claim 5 or 9, wherein a feedback control is performed to drive a device of the MEMS mirror scanner by applying a driving voltage and to approach a desired output angle when there is a position error.
청구항 1 내지 청구항 9 중 하나의 청구항에 있어서, 상기 미러 스캐너의 전달함수(T(f))를 실험적으로 구하는 단계는, 주파수 스윕(frequency sweep) 테스트 또는 임펄스 응답(impulse response) 테스트를 통해 얻어진 주파수 데이터에 기초한 것을 특징으로 하는, MEMS 미러 스캐너의 구동 방법.
10. The method of claim 1, wherein the experimentally obtaining the transfer function T (f) of the mirror scanner comprises: a frequency obtained through a frequency sweep test or an impulse response test A method of driving a MEMS mirror scanner, based on data.
청구항 10에 있어서, 상기 미러 스캐너의 전달함수(T(f))를 실험적으로 구하는 단계는, 복수 회의 주파수 스윕(frequency sweep) 테스트 또는 임펄스 응답(impulse response) 테스트를 통해 얻어진 주파수 데이터를 평균하여 얻어진 주파수 데이터에 기초한 것을 특징으로 하는, MEMS 미러 스캐너의 구동 방법.
The method of claim 10, wherein the step of experimentally obtaining the transfer function T (f) of the mirror scanner is obtained by averaging frequency data obtained through a plurality of frequency sweep tests or impulse response tests. A method of driving a MEMS mirror scanner, based on frequency data.
청구항 1 내지 청구항 9 중 하나에 따른 MEMS 미러 스캐너의 구동 방법에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 MEMS 미러 스캐너.MEMS mirror scanner, characterized in that driven by the method of driving a MEMS mirror scanner according to any one of claims 1 to 9.
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