基于MEMS微镜的数字辅助校准与控制：实现高精度光栅扫描投影新突破

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Digitally-Assisted Calibration and Control of a Raster-Scanning System Based on MEMS Mirrors

本刊编辑推荐：为解决MEMS微镜在光栅扫描投影系统中存在的控制精度不足、同步困难等问题，意大利米兰理工大学与意法半导体团队开展了基于数字辅助校准与控制系统的创新研究。该研究通过全数字控制架构实现了1280×720像素分辨率下的双向扫描，其中水平扫描轴振幅误差低至18.5 mdeg，垂直扫描线性度达3.4 mdeg（相当于视场的580 ppm）。系统集成了状态观测器（State Observer）和自动校准功能，显著提升了扫描精度与稳定性，为微型投影、AR/VR等应用提供了关键技术支撑。

　　

在增强现实眼镜、激光雷达和微型投影仪等前沿科技领域，如何实现高精度、高效率的光束控制一直是技术突破的关键。微机电系统（MEMS）微镜因其体积小、功耗低、响应快等优势，成为光束扫描技术的核心元件。然而，传统模拟控制方案存在温漂敏感、校准复杂、抗干扰能力弱等痛点，尤其在高分辨率扫描场景下，扫描线性度和帧间稳定性难以兼顾。例如，在实现1280×720像素（720p）显示时，既要求水平扫描镜以27 kHz高频共振保持稳定振幅，又需要垂直扫描镜精准跟踪锯齿波信号，任何微小的相位误差或非线性失真都会导致图像畸变。

为解决这一难题，米兰理工大学Paolo Frigerio团队与意法半导体合作，在《Journal of Microelectromechanical Systems》发表最新研究成果，提出了一套全数字化的MEMS微镜控制系统。该系统的核心创新在于用数字电路替代传统模拟控制器，通过实时状态观测和自适应校准算法，显著提升了扫描精度与鲁棒性。研究团队针对水平（快轴）和垂直（慢轴）扫描镜的不同动力学特性，分别设计了共振频率锁定模块和基于状态空间模型的多模态控制器，最终在60 Hz帧率下实现了振幅误差仅18.5 mdeg的水平扫描，以及线性度误差低至3.4 mdeg的垂直扫描。

关键技术方法包括：①基于数值控制振荡器（NCO）和CORDIC算法的快轴锁相环控制，通过IQ解调实时追踪微镜相位；②针对慢轴设计的降维状态观测器（State Observer），仅建模扭转模态（1 kHz）和主要杂散模态（6 kHz），通过全状态反馈抑制谐振；③嵌入式自动校准流程，利用频率扫描和阶跃响应拟合非线性参数（如刚度系数k_f1、k_f2），无需外部设备即可完成系统参数标定。

系统架构设计

双轴控制系统以快轴为基准时钟源，通过NCO生成同步信号（CK_SYNC）驱动共振镜。慢轴核心采用状态观测器预估镜面位移，结合类型II控制器（C(z)）提升跟踪带宽至1.5 kHz。开关阵列（S1-S4）支持动态路由，允许共用快轴电路对两镜进行参数校准。

非线性特性表征

通过相位参考扫描捕获了微镜的幅频响应非线性。共振镜表现出软化特性（频率随振幅增加而降低），而慢镜的扭转模态和杂散模态均呈现硬化效应。多项式拟合得到非线性系数α，用于修正观测器模型中的刚度项。

动态性能验证

快轴频率稳定性达到52 ppm（艾伦偏差11 mHz/√Hz），慢轴闭环带宽扩展至1.5 kHz，相位裕度35°。投影窗口内锯齿波线性度误差仅3.4 mdeg（0.058%视场），帧间重复性均值5.55 mdeg，较传统 notch滤波器方案提升3倍。

同步与时序控制

通过HSYNC（行同步）、VSYNC（帧同步）和BLANK（消隐）信号实现双轴协同。双向扫描策略将帧率提升至60.5 Hz，其中垂直扫描有效投影占比90%，回扫时间优化至10%周期，避免锯齿波峰值失真。

该研究通过数字化架构革新了MEMS扫描控制范式：其一，状态观测器替代传统滤波器，有效抑制杂散模态且避免相位滞后；其二，在线校准功能突破工厂标定限制，支持设备生命周期内自主参数优化；其三，同步机制确保高分辨率下时序精准性。尽管当前6.24°慢轴角度尚未满足HDTV（需14.07°机械角）要求，但提出的控制方法为后续大角度微镜设计奠定基础。未来集成激光模块与优化ADC接口后，系统有望在5 mm×5 mm芯片内实现完整投影解决方案，推动微型显示技术向更高精度、更低功耗迈进。