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微机电系统 光子交换机的装置及方法

阅读：495发布：2020-07-06

专利汇可以提供微机电系统光子交换机的装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种控制微机电系统 (MEMS) 光子交换机的方法，该方法包括：对所述MEMS光子交换机的第一镜阵列的初始镜的电极施加电压，并点亮控制光束。该方法还包括使所述控制光束从所述初始镜反射，以在MEMS光子交换机的第二镜阵列上形成控制束斑，检测所述控制束斑的初始位置以产生初始光响应。另外，该方法包括当所述控制束斑的速度不为零时，根据所述初始光响应调整所述电压。，下面是微机电系统光子交换机的装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种控制微机电系统MEMS 光子交换机的方法，所述方法包括：
对所述MEMS光子交换机的第一镜阵列的初始镜的偏转电极施加电压；
点亮控制光束；
使所述控制光束从所述初始镜反射，在所述MEMS光子交换机的第二镜阵列上形成控制束斑；
检测所述控制束斑的初始位置，以产生初始光响应；以及
当所述控制束斑的速度不为零时，根据所述初始光响应调整所述电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述电压包括改变所述电压的施加时间。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
对所述初始镜的加速电极施加加速电压；以及
将所述加速电压从所述加速电极移除，其中所述电压为减速电压，其中所述偏转电极为减速电极，其中所述加速电压抵消所述减速电压。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
接收输入的交换机连接请求，所述输入的交换机连接请求指示所述初始镜的位置以及所述第二镜阵列上目标镜的位置；
根据所述初始镜的位置和所述目标镜的位置，确定初始加速电压、初始加速持续时间和初始减速电压；以及
在所述初始加速持续时间内，对所述初始镜的所述加速电极施加所述初始加速电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述初始加速持续时间内对所述初始镜的所述加速电极施加所述初始加速电压，为所述初始镜添加第一数量的能量，其中在减速期间内对所述初始镜的所述减速电极施加所述减速电压，移除第二数量的能量，且其中所述第一数量的能量大于所述第二数量的能量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一数量的能量与所述第二数量的能量的差值大于或等于处于目标偏转角度的所述初始镜的多个常平架弹簧中存储的能量数量。
7.根据权利要求4所述的方法，其中在所述初始加速持续时间内对所述初始镜的所述加速电极施加所述初始加速电压，为所述初始镜添加第一数量的动能，其中在减速期间内对所述初始镜的所述减速电极施加所述减速电压，移除第二数量的动能，且其中所述第一数量的动能约等于所述第二数量的动能。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一数量的动能与所述第二数量的动能的差值大于或等于位于期望偏转角度的所述初始镜的多个常平架弹簧中存储的势能数量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压为加速电压，其中所述电极为加速电极。
10.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述控制束斑的所述初始位置包括检测与所述第二镜阵列上的目标镜相关的一组光电二极管是否点亮不均。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括，根据所述一组光电二极管中光电二极管的响应，确定所述束斑的中心。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，所述控制光束到达所述第二镜阵列上的目标镜的中心，其中当到达所述目标镜的中心时，所述控制光束的速度为零。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括检测振动对所述MEMS光子交换机的影响，其包括：
检测所述控制束斑的位移；以及
根据所述控制束斑的位移，调整所述初始镜。
14.根据权利要求13所述的方法，其中检测所述控制光束的位移包括检测与目标镜相关的多个光电二极管的多个响应的变化，其中所述方法进一步包括，确定所述控制束斑的位移距离向量和所述控制束斑的速度。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括，根据所述控制束斑的所述位移距离向量和速度，生成对所述控制束斑的校正。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述第二镜阵列上的目标镜的不确定性区域中选择一组镜；
锁定所述第一镜阵列上的多个镜，其中所述多个镜与所述一组镜中的镜相关；以及从所述不确定性区域中的多个光电二极管接收多个响应。
17.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述第二镜阵列上的目标镜的不确定性区域内选择一组镜；以及
点亮所述控制光束后，在第一测量周期中，从所述不确定性区域中的多个光电二极管接收多个响应。
18.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述控制束斑的所述初始位置包括：
从所述第二镜阵列上的多个光电二极管接收多个信号；以及
根据所述多个信号，确定所述控制束斑的所述初始位置。
19.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
检测所述第二镜阵列上所述控制束斑调整后的位置；
根据所述控制束斑调整后的位置，确定调整后的光束路径；
确定所述调整后的光束路径是否拦截所述第二镜阵列上的目标镜的位置；
当所述调整后的光束路径拦截所述目标镜的位置时，确定所述控制束斑调整后的位置是否位于所述目标镜的位置；
当所述控制束斑调整后的位置位于所述目标镜的位置时，确定所述控制束斑的速度是否为零；以及
当所述调整后的光束路径未拦截所述目标镜的位置、所述控制束斑调整后的位置并不位于所述目标镜的位置、或所述控制束斑调整后的位置的速度不为零时，确定第二校正后的减速电压。
20.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定所述控制束斑点亮与所述第二镜阵列上的目标镜相关的一组目标光电二极管；以及
当所述控制束斑点亮所述目标光电二极管时，解锁一组远端镜。
21.根据权利要求1所述的方法，其中点亮所述控制光束包括，当所述控制束斑进入所述第二镜阵列上的目标镜的不确定性区域时，点亮所述控制光束。
22.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
检测所述控制束斑随后的位置；
根据所述控制束斑的初始位置及所述控制束斑随后的位置，确定所述控制束斑的初始速度；
检测所述控制束斑另一个随后的位置；
根据所述控制束斑随后的位置和所述控制束斑另一个随后的位置，确定所述控制束斑另一个随后的速度；以及
根据所述控制束斑的初始速度和所述控制束斑另一个随后的速度，确定所述控制束斑的加速度，其中调整所述电压包括，根据所述控制光束另一个随后的位置、所述控制束斑另一个随后的速度以及所述控制束斑的加速度，设置施加给所述初始镜的电压。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括，根据所述控制光束另一个随后的位置、所述控制束斑另一个随后的速度、所述控制束斑的加速度以及所述第二镜阵列上的目标镜的位置，确定投射光束路径。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括确定对所述投射光束路径的校正，其中调整施加给所述初始镜的电压包括，根据对所述投射光束路径的校正，调整施加给所述初始镜的电压。
25.根据权利要求22所述的方法，其中调整施加给所述初始镜的电压进一步包括，将所述控制束斑的速度设置为小于最大减速速率，以在距所述第二镜阵列上的目标镜的距离为零时，速度变为零。
26.根据权利要求22所述的方法，其中对施加给所述初始镜的电压进行设置使所述初始镜相对于所述控制光束的另一速度进行正交加速。
27.一种微机电系统MEMS光子交换机的控制系统，所述控制系统包括：
第一处理器；
存储编程的第一计算机可读存储介质，所述编程由所述处理器执行，所述编程包括指令以：
从所述MEMS光子交换机的第一镜阵列表面上的第一多个光电二极管接收第一多个响应，
根据所述第一多个响应，确定所述第一镜阵列上第一控制束斑当前的中心；
根据所述第一控制束斑当前的中心和所述第一控制束斑先前的中心，确定所述第一控制束斑当前的速度，
根据所述第一控制束斑当前的中心和所述第一控制束斑先前的中心，确定所述第一控制束斑当前的加速度，
根据所述第一控制束斑当前的中心、所述第一控制束斑当前的速度、以及所述第一控制束斑当前的加速度，确定对所述MEMS光子交换机的第二镜阵列的第一镜的第一校正，以及
根据所述第一校正，调整所述第一镜；以及
第一移位寄存器，其配置为存储所述第一控制束斑当前的中心和所述第一控制束斑先前的中心。
28.根据权利要求27所述的控制系统，进一步包括：
第二处理器；
存储编程的第二计算机可读存储介质，所述编程由所述处理器执行，所述编程包括指令以：
从所述第二镜阵列表面上的第二多个光电二极管接收第二多个响应，
根据所述第二多个响应，确定所述第二镜阵列上第二控制束斑当前的中心，根据所述第二控制束斑当前的中心和所述第二控制束斑先前的中心，确定所述第二控制束斑当前的速度，
根据所述第二控制束斑当前的中心和所述第二控制束斑先前的中心，确定所述第二控制束斑当前的加速度；
根据所述第二控制束斑当前的中心、所述第二控制束斑当前的速度、以及所述第二控制束斑当前的加速度，确定对所述第一镜阵列的所述第二镜的第二校正，以及根据所述第二校正，调整所述第二镜；以及
第二移位寄存器，其配置为存储所述第二控制束斑当前的中心和所述第二控制束斑先前的中心。
29.一种控制微机电系统MEMS光子交换机的方法，所述方法包括：
对所述MEMS光子交换机的镜阵列的镜的加速电极施加加速电压；
移除所述加速电压；以及
移除所述加速电压后，对所述MEMS光子交换机的所述镜阵列的所述镜的减速电极施加减速电压，其中所述减速电极与所述加速电极相对。

说明书全文

微机电系统 光子交换机的装置及方法

[0001] 本申请要求于2014年10月3日提交的申请号为14/506,413、题目为“微机电系统光子交换机的装置及方法”的美国临时专利申请的权益，该专利申请以引用方式纳入本文，以再现其全部内容。

技术领域

[0002] 本发明涉及光子学，特别涉及一种微机电系统(micro-electro-mechanical-system,MEMS)光子交换机的装置及方法。

背景技术

[0003] 光子交换机的一种类型是三维(three dimensional,3D)微机电系统(MEMS)光子交换机。MEMS光子交换机具有优良的性能，例如，可实现高端口计数(count)。此外，MEMS光子交换机具有优异的光学特性，如低损耗、低偏振依赖性、高线性度和低噪声。与此同时，MEMS光子交换机具有优良的关态特性，如高隔离度和低串扰。

[0004] 然而，MEMS光子交换机的某些问题，如交换机速度慢、通过复杂的控制方法进行驱动对其广泛应用有所限制。而当MEMS光子交换机用于级联配置，如三级CLOS交换机，或在整个光子交换机交换网络中建立中转多个节点的路径时，问题尤为突出。另外，控制方法可能导致交换机引入的剩余调制，这可能干扰交换机的级联。

发明内容

[0005] 一实施例中，一种控制微机电系统(MEMS)光子交换机的方法包括：对所述MEMS光子交换机的第一镜阵列的初始镜的一个或多个偏转电极施加电压，并点亮(illuminating)控制光束。该方法还包括使所述控制光束从所述初始镜反射，以在所述MEMS光子交换机的第二镜阵列上形成控制束斑，检测所述控制束斑的初始位置以产生初始光响应。另外，该方法包括当所述控制束斑的速度不为零时，根据所述初始光响应调整所述电压。

[0006] 一实施例中，一种微机电系统(MEMS)光子交换机的控制系统包括：第一处理器，和存储由所述处理器执行的编程的第一计算机可读存储介质。该编程包括指令，以从所述MEMS光子交换机的第一镜阵列表面的第一多个光电二极管接收第一多个响应，并根据该第一多个响应确定所述第一镜阵列的第一控制束斑当前的中心。该编程还包括指令，以根据所述第一控制束斑当前的中心和所述第一控制束斑先前的中心确定所述第一控制束斑当前的速度，并根据所述第一控制束斑当前的中心和所述第一控制束斑先前的中心确定所述第一控制束斑当前的加速度。另外，该编程还包括指令，以根据所述第一控制束斑当前的中心、所述第一控制束斑当前的速度和所述第一控制束斑当前的加速度，确定对所述MEMS光子交换机的第二镜阵列的第一镜的第一校正，并根据所述第一校正调整所述第一镜。该系统还包括第一移位寄存器，其配置为存储所述第一控制束斑当前的中心和所述第一控制束斑先前的中心。

[0007] 另一实施例中，一种控制微机电系统(MEMS)光子交换机的方法包括：对所述MEMS光子交换机的镜阵列的镜的加速电极施加加速电压，并移除所述加速电压。该方法还包括：移除所述加速电压后，对所述MEMS光子交换机的镜阵列的镜的减速电极施加减速电压，其中所述减速电极与所述加速电极相对。

[0008] 上述内容已较为宽泛地概括了本发明一实施例的特征，使下文对发明的详细描述可被更好的理解。本发明实施例的其他特征和优点将会在下文中进行描述，形成本发明权利要求的主题。本领域的技术人员应该理解，可在所述理念和公开的具体实施例的基础上修改或设计其他结构或过程，以实施与本发明相同的目的。本领域的技术人员还应认识到，此类等同构造并不偏离所附权利要求描述的本发明的精神和范围。附图说明

[0009] 为了更完整地理解本发明及其优点，结合附图，对下列说明做出引用，其中：

[0010] 图1示出了微机电系统(MEMS)光子交换机的一个实施例；

[0011] 图2示出了MEMS镜结构的一个实施例；

[0012] 图3示出了用于MEMS镜的常平架的一个实施例；

[0013] 图4A-4E示出了具有填隙(interstitial)光电二极管的MEMS镜阵列的实施例；

[0014] 图5示出了具有MEMS镜阵列的系统的一个实施例，该MEMS镜阵列具有填隙光电二极管；

[0015] 图6示出了束斑，该束斑位于作为一实施例且具有填隙光电二极管的MEMS阵列上；

[0016] 图7示出了具有消色准直器的MEMS模块的一个实施例；

[0017] 图8示出了MEMS模块的一个实施例，该MEMS模块处于控制波长的有效焦距大于其处于业务波长的有效焦距；

[0018] 图9示出了MEMS模块的一个实施例，该MEMS模块处于控制波长的有效焦距小于其处于业务波长的有效焦距；

[0019] 图10示出了具有光电二极管的MEMS镜阵列的一个实施例，该光电二极管集成于镜上；

[0020] 图11A-11C示出了具有填隙光电二极管和集成于镜上的光电二极管的MEMS镜阵列的实施例；

[0021] 图12示出了用于对准具有集成光电二极管的MEMS镜的帧结构的一个实施例；

[0022] 图13示出了用于对准具有集成光电二极管的MEMS镜的控制结构的一个实施例；

[0023] 图14示出了束斑误差；

[0024] 图15示出了MEMS镜的簧载质量模型；

[0025] 图16示出了MEMS镜对所施加电压的响应；

[0026] 图17示出了MEMS镜对快速边缘波形的响应；

[0027] 图18示出了MEMS镜的阶跃响应；

[0028] 图19A-19B示出了簧载质量对脉冲的响应；

[0029] 图20示出了簧载质量对脉冲的响应；

[0030] 图21示出了MEMS镜对各种驱动波形上升时间的响应；

[0031] 图22示出了谐振过冲对MEMS镜的影响；

[0032] 图23示出了具有驱动电极的MEMS镜的一个实施例；

[0033] 图24示出了移动MEMS镜的脉冲加速和减速；

[0034] 图25示出了用于控制MEMS镜的控制系统的一个实施例；

[0035] 图26示出了光束中心的三角剖分；

[0036] 图27示出了使用闭环控制对MEMS镜进行控制；

[0037] 图28A和28B示出了使用闭环控制对MEMS镜进行控制的方法的一个实施例的流程图；

[0038] 图29A和29B示出了用于对MEMS镜进行闭环控制的控制系统的一个实施例；

[0039] 图30A和30B示出了用于对MEMS镜进行闭环控制的控制系统的另一实施例；

[0040] 图31示出了MEMS镜对所施加的脉冲的响应；

[0041] 图32示出了具有开环和闭环控制的MEMS镜响应；

[0042] 图33A和33B示出了对MEMS镜进行闭环控制的方法的一个实施例的流程图；

[0043] 图34示出了MEMS系统的一个实施例；

[0044] 图35通过图形表征示出了施加驱动电压和恢复力矩力时的镜偏转；

[0045] 图36示出了束斑移动距离的表格，该束斑的移动距离为光路长度及镜偏转角度变化的函数；

[0046] 图37示出了最大减速曲线，以及示例性束斑位置和速度；

[0047] 图38示出了光束会聚至目标镜的轨迹；

[0048] 图39示出了束斑在不确定性区域中移动的示例；

[0049] 图40示出了位置和速度对光束点亮的容差的一种描述；

[0050] 图41示出了位置和速度对光束点亮的容差的另一描述；

[0051] 图42示出了位置和速度对光束点亮的容差的附加描述；以及

[0052] 图43示出了校正光束路线的方法一实施例的流程图。

[0053] 除非另有说明，不同附图中对应的数字和符号一般指的是对应的部件。绘制的附图目的是清晰说明实施例的相关方面，因此不一定按比例绘制。具体实施例

[0054] 一开始就应该理解，虽然下文提供了一个或多个实施例的说明性实施方式，但仍可使用任意数量的技术实施所公开的系统和/或方法，不论该技术当前是否已知或已经存在。本公开不应局限于下文所示的说明性的实施方式、附图以及技术——其中包括本文所述的示例性实施方式，但本公开可在所附权利要求的范围，及其所有的等效范围内修改。

[0055] MEMS光子交换机中，需要移动镜以配置光路。MEMS镜虽小，但具有一定质量，并悬挂在作为枢轴和弹簧的常平架配置上。事实上，弹簧功能通过抵消静电驱动的引力使MEMS镜稳定。弹簧与镜质量互相作用时多余的动能导致机械谐振。镜驱动电压可缓慢渐变以避免触发所述谐振，原因是谐振会大幅延长设置时间。另外，弹簧上悬挂的质量，如MEMS镜，容易被振动输入引发机械激励，从而导致通过交换机的光路容易被振动扰动。

[0056] 一个实施例中，MEMS镜的实时位置、速度及加速度由集成于MEMS镜阵列上的光电二极管的输出推导得出。基于这些测量，实施实时镜控制。镜位置、速度及加速度从光电二极管信号的变化而连续计算得出。基于实际的实时镜响应，连续动态地计算校正驱动，从而使镜在期望的操作点达到静止状态。当有振动诱发的扰动移动该镜时，检测到移动的开始，并计算校正驱动电压，以使镜回到准确的角度——该角度上残余速度为零，从而无动能可激发机械谐振。通过反射的光束位置持续跟踪镜位置，同时对所需的残余校正进行重新计算，对校正驱动电压进行动态调整。

[0057] 一个实施例对快速连接建立时间起到辅助作用，同时可大大抑制振动的影响，可大幅削弱机械镜质量-扭矩弹簧机械谐振的影响，产生振动容忍结构。

[0058] 三维(3D)MEMS光子交换机可使用一或两个可控镜阵列，在准直器阵列之间形成可切换的光路。当使用一个镜阵列时，将镜阵列设置为与静态平面或近似平面回射(retro-reflective)镜相对。该示例中，控制波长通过光子交换机同时在两个方向上传播，仅仅点亮在每个控制载波的路径上相遇的第二可控镜周围的光电二极管。

[0059] 图1示出了MEMS光子交换机100，即具有两个可控镜阵列的三维(3D)MEMS光子交换机。MEMS光子交换机100包含镜阵列104和106。光例如从光纤通过准直器阵列102进入，并投射到镜阵列104的镜上。在两个平面内调整镜阵列104的镜的角度，使光投射到镜阵列106中合适的镜上。镜阵列106的镜与准直器阵列108的特定输出端口相关联。同时，在两个平面内对镜阵列106的镜的角度进行调整，使其与合适的输出端口耦合。其后光在例如与光纤耦合的准直器阵列108的准直器中出射。与之类似，光进入准直器阵列108、从镜阵列106的镜反射、从镜阵列104的镜反射、并通过准直器阵列102出射。

[0060] 镜阵列具有双轴线可控3D-MEMS镜(文中称之为MEMS镜)阵列，其对由相关联的准直器投射到其上的光束进行反射。反射光束其后被与其相对的镜阵列上相对的镜反射。因此，NxN的MEMS光子交换机模块含有N个输入镜，每个输入镜均可接入相对镜阵列中N个镜中的任意一个，反之亦然。通过对NxN的交换机使用2N个可控镜，这使得镜的计数随交换机端口计数的增大呈线性增长。对于构建光子交换机的多种其他方法而言，镜的计数或相交点的计数随端口计数目平方的增大而增大。因此，可将MEMS光子交换机倍增至较大的端口计数，而某些其他方法受限于镜的计数或相交点的计数。然而，随着MEMS光子交换机中端口计数的增长，镜之间合适的最小光路长度和/或合适的最大镜偏转角度增大。

[0061] MEMS光子交换机100中的MEMS镜制造于改性的硅晶片工艺过程中。图2示出了一种示例性的MEMS镜结构110，该MEMS镜结构110的直径可为大约550μm至大约2.5mm，例如1mm左右。MEMS镜结构110包含悬挂在轴承114和116的两个轴线上的镜112，使其倾斜，对抗轴承的扭矩弹簧作用，而轴承的扭矩弹簧作用试图使镜112维持在特定的位置。对于1mm的镜而言，距离镜112下方大约80～100μm的位置为三或四个分段的平板偏转电极。使用四个电极时，每个电极均与镜象限相关联。当对电极施加电压时，镜112在静电吸引作用下被吸引靠近该电极，并发生扭曲以对抗硅扭矩弹簧的弹簧作用。可通过调整施加在一个或多个电极上的驱动电压控制该偏转的角方向和大小。对相对静止状态偏转10～14度的最大光束偏转、或20～28度的峰-峰光束偏转而言，驱动电压可达几百伏特，最大镜偏转为向平面外偏转5～7度。

[0062] 图3示出了常平架120，即可用作轴承114或轴承116的示例性常平架。常平架120可由硅扭矩弹簧制成，该硅扭矩弹簧试图使镜回到其平面位置。当镜移动时，驱动电压对一个或多个象限电极的引力与增加的弹簧张力之间的对抗决定镜最终的指向角度，该角度上这两个力达到平衡。

[0063] 光电二极管阵列被置于镜阵列的镜之间，作为填隙阵列，为整个镜阵列的光检测器提供检测栅格。一示例中，光电二极管与特定的镜相关联。图4A-E分别示出了MEMS阵列320、330、230、240和250。MEMS阵列320中，光电二极管324相对镜322的四个镜等距排列，而在MEMS阵列330中，光电二极管334在MEMS镜332周围排列成共用的八角形图案。同时，MEMS阵列230中，光电二极管234在MEMS阵列230的镜集合232周围设置为三角形结构，而在MEMS阵列240中，光电二极管244在MEMS镜集合242周围排列成正方形图案。另外，在MEMS阵列250中，光电二极管254在特定的MEMS镜252四周排列成交替的定向六角形图案，且光电二极管
255位于MEMS镜252之间。也可进行其他光电二极管设置。例如，可在MEMS镜周围设置五个、七个、八个或更多光电二极管，并使其与MEMS镜相关联。镜阵列具有一系列按照行与列排列的MEMS双轴可控微型镜，例如直径为0.5～1.5mm的微型镜，该微型镜的行/列间距为例如微型镜直径的1.5～4倍。

[0064] 图5示出了包含MEMS模块372的MEMS系统。镜阵列382和388可为MEMS阵列320、330、230、240、250或其他结构。通过在输入和输出处将控制光耦合至光纤中，光纤374和396上的业务光与具有带外波长的控制光在穿过镜腔的两个方向上叠加。一示例中，光纤374和396在控制波长和业务波长处皆为单模光纤。输入光纤连接终止于输入准直器380阵列，该阵列产生与光纤中的光平行的光束。输入光纤准直器用作透镜，在投射到镜阵列，例如镜阵列
388的镜上的业务光载波波长处生成直径稍小于MEMS镜直径的扩展的侧面平行准直光束，例如光束直径为0.45-1.3mm。在控制波长处，这些光束还可略微发散或略微会聚。当控制光束会聚时，焦点在光路的前面。控制光束在焦点之后发散。输出准直器模块394类似地对准镜阵列382。当光发射到输出准直器时，平行准直光束中心与各自的镜中心对准。如果存在相反路径业务信号，准直器在业务波长处投射名义上平行的光束，但是在控制光载波波长处投射会聚的或发散的光束

[0065] 镜阵列及其各自的准直器阵列放置在空光学腔的两侧，其大小足以使各个镜阵列中各个镜将其反射光束导向至相对镜阵列中的任何镜上。可替代地，光学腔具有一个或多个较大的平面或曲面镜，将较长的镜阵列间的光路折叠形成较小的物理空间，更有利于各个镜阵列中的各个镜通过折叠机制将其反射光束导向至相对镜阵列中的任何镜。

[0066] 通过对镜下的三或四个分段电极施加驱动电压，可对所述镜进行瞄准或操纵。电极距离所述镜的间隔为大约80～100微米。通过对电极段施加不同电压，镜的指向可为其最大偏转范围内的一个角度。例如，可使用所施加电极电压产生的静电力使该镜在x和y平面内具有约正或负5～7°的最大偏转范围，其中该静电力的作用是使所述镜对抗常平架底座的弹簧张力并发生偏移，而常平架底座用于使所述镜维持在其初始平面内。这些电极的驱动直线从镜腔中引出。

[0067] 镜阵列还包含沿MEMS镜外围放置的光电二极管。光电二极管跨镜阵列表面形成检测器的网格，便于在建立交换机连接的初始连接阶段对实际光束着屏(landing)放置进行直接检测。光电二极管用作与镜相关的光控制功率传感器，以进行优化，并对运行中(in service)的优化链路进行维护。连接至这些光电二极管的线还向外延伸。为避免产生数百个振幅较低的信号，可在与镜阵列物理相关的电子器件中对光电二极管输出进行放大、数字化和/或多路复用。阵列上的电子器件可位于由单片或杂合技术生成的扩展镜阵列基板的正面或该基板的反面。

[0068] 控制器402通过驱动线控制阵列中镜的指向角度，其中驱动控制基于相对镜阵列上镜周围的光电二极管的输出而实现。当适当的镜经对准以形成光路时，业务光束仅仅点亮每个路径中第二阵列上的目标镜以及与该镜相关的输出准直器表面，但同轴扩展控制光束会均匀点亮与光路中第二阵列的目标镜相关的光电二极管。光路径中第一镜周围的光电二极管不会被控制光束点亮，因此需要提供双向控制光载波以点亮第一镜。对束斑位置的测定提供了建立及维护中镜指向的优化检测。

[0069] 双向控制光束便于对光路中的相对的镜进行独立的同步初始对准，因此，控制光束将相对目标镜周围的光电二极管均匀点亮。因此，镜腔模块包含两组准直器，该准直器组与其各自镜阵列中的镜精确对准，使准直器阵列中来自光纤的光形成具有中心轴的光束，该中心轴穿过镜阵列中各个镜的中心。这些准直器阵列在业务光波长处投射准直光束，并在控制光波长处投射同轴光束。业务光束可为平行光束或略微会聚(waisted)的光束，以补偿高斯光束分散。

[0070] 当来自输入准直器的控制光束被第一镜反射时，该控制光束投射在第二镜阵列中的目标镜上或其附近。第一镜的直径足以反射业务光束和控制光束。目标镜周围或不确定性区域内镜附近的光电二极管确定产生的束斑放置。不确定性区域为目标镜周围光束可能初始入射的区域，并因初始盲目计算的镜指向等而产生。光电二极管响应使控制系统能够计算着屏位置偏差和校正向量，以使业务光束进行更优的对准。当镜被对准时，目标镜的光电二极管大致被控制光束均匀点亮。这种均匀点亮的状况发生变化时，其可被控制系统快速补偿以维持操作中的对准。

[0071] 入射光信号块378和400以及接收光信号块376和398与MEMS模块372耦合。可选的接收光信号块376和398确认交叉交换机(cross switch)光损处于低位。另外，如果在输入端使用特定于给定输入的识别标识或识别文字对控制光通道进行调制，则接收光信号块376和398将有所助益。目标输出端口的控制光接收器可确认收到用于验证交叉交换机连接映射的该识别标识或文字。

[0072] 入射光信号块378和400为光对准源，该光对准源从系统的相对侧入射，并跨MEMS模块372反向传播。光对准源使用光合路器等射入光纤。光对准源包含来自一个或多个激光器的光。由于与激光器的功率输出相比，控制功率可能较低，有利于使一个激光器通过分光器驱动多个输入，因此专用激光器不是必需的。光纤374和396在控制波长和业务波长处都为单模。控制波长可以比业务波长短。例如，当业务处于1550nm电信波段或1300nm电信波段时，控制波长可处于800-850nm或905–1040nm的带宽范围。

[0073] 图6示出了具有填隙光电二极管的镜阵列以及光束着屏点的部分示例。业务光束710和控制光束708在镜706适当对准。由于其近似性，对准不可能从初始计算开始进行，而是表示获取后及应用优化过程的目标。

[0074] 一示例中，控制光束714部分点亮目标镜，即镜712。业务光束716与控制光束714同轴。控制光束714的位置进而业务光束716的位置可被不确定性区域720内光电二极管检测到的光确定。相对阵列中的镜——即处于业务中并点亮不确定性区域720中除了被设置为目标镜712的相对镜之外的镜718——被锁定以将其光电二极管留作检测栅格之用。点亮的光电二极管以及所检测的功率相对值使得可以计算校正向量，即计算相对于镜712上光束中心的距离和角度。该示例中，光束主要入射在镜712左侧和上方的光电二极管，其大部分功率作用在距离镜最近的光电二极管上。三个光电二极管被点亮。根据来自这些光电二极管的信息确定：光束着屏点应向右并向下移动一个向量角度，移动距离大约等于光束直径，以更好地与目标镜对准。该计算可基于接收到大部分光的光电二极管进行，其中所述向量大约为从该光电二极管的位置至目标镜的中心。另一示例中，三个被点亮的光电二极管所接收的功率用于通过三角测量法更准确地确定光束中心。当使用多个光电二极管时，可通过重复该过程，以单循环或迭代方式进行对准。之后，在操作中，通过监测镜周围的光电二极管，维持优化过程，防止镜偏移。当被点亮的光电二极管少于三个时，通过附加步骤，即使用与镜712相关的光电二极管，对光束进行更准确的中心定位。

[0075] 在对初始光束指向具有更大容差的一示例中，控制光束724及业务光束726在不确定性区域732中的初始着屏位置距离镜722更远。相对阵列中的镜在初始对准时被锁定，其中所述镜位于业务中并点亮不确定性区域732中的镜734。光束着屏区域中的光电二极管对接收的控制点亮做出响应。检测的点亮值用于计算光束着屏位置的中心，该计算过程或使用接受大部分光的光电二极管进行估算，或使用三个或三个以上光电二极管通过确定光束中心的实际位置进行更精确的计算。可计算校正向量，以实现与目标镜的粗略或精确对准。该过程应使得光束被基本对准。例如，业务光束730及控制光束728基本与镜722对准。如果在镜722周围的光电二极管仍然存在可检测的误差，则可计算第二微小校正向量。

[0076] 关于具有填隙光电二极管的MEMS光子交换机的更多细节，2013年8月12提交的申请号13/964,437、题目为“微机电系统光子交换机的装置和方法”的美国专利申请已有公开，且该申请通过引用纳入本文。

[0077] 图7示出了作为准直光束被投射通过MEMS交换机的业务光束和控制光束。控制光束506和业务光束508通过单模光纤502和透镜504入射，并被投射到镜阵列510的镜512上。光电二极管514位于镜512周围。控制光束506和业务光束508被镜512反射到镜阵列516的镜
518上，其中光电二极管520环绕镜518布置。两个光束经由透镜522出射到单模光纤524上。
由于透镜504和透镜522为消色透镜，当控制光束506和业务光束508分别入射到镜512和518中心时，光电二极管514和520不会被点亮。

[0078] 图8示出了业务光束538和控制光束536，其中控制光束536略有分散。控制光束536和业务光束538通过单模光纤502和透镜532入射。透镜532在使光束保持同轴的同时，使控制光束536相对于业务光束538分散。控制光束536和业务光束538被镜阵列510中的镜512反射至镜阵列516中的镜518上。控制光束536分散，以在控制光束536和业务光束538入射到镜518中心时，点亮光电二极管520，而业务光束538入射到镜518中心时不会点亮光电二极管
520。其后，控制光束534和业务光束538经由透镜532出射到单模光纤524上。由于通向镜512的路径中的控制光束536产生发散，镜512的尺寸足以容许透镜532与第一镜512间的光斑尺寸产生微小增加。

[0079] 光电二极管520的点亮的差值生成控制向量，以通过调整镜512最小化控制光束功率的差值——该控制光束功率为与镜518相关的光电二极管520接收的功率，从而控制光束。当业务光束538和控制光束536入射到镜518中心时，由于业务光束与控制光束同轴，光电二极管上的功率大致相等。由于束斑同轴且入射到中心位置，光电二极管520检测到相似的功率值。

[0080] 一示例中，控制光束536和业务光束538相对镜518的中心偏移。右光电二极管检测的光比左光电二极管检测的光多。当三个或三个以上二极管被点亮时，可使用三角测量法确定两条轴线上的光束位置。由于光束同轴，当控制光束被对准时，业务光束也被对准。

[0081] 由于当业务光束538入射到镜518中心时，光电二极管520被点亮，光电二极管520产生的信号可在运行中操作及初始对准时控制优化。与目标镜相关的光电二极管用于精细对准，而不确定性区域中的其他光电二极管用于初始粗略对准。点亮不确定性区域中其他镜的镜可在初始对准中锁定。所述镜锁定的时间，可为5-10ms等，小于粗略对准过程中锁定的时间。该锁定通过保持当前对相对镜施加的X和Y驱动电压而实现，与不确定性区域中镜周围的目标镜光电二极管的控制输入无关。该操作不占用与不确定性区域中光电二极管相关的镜，使其可用作新的光束位置的检测栅格。

[0082] 图9示出了光路，其中控制光束略微会聚，且与准直业务光束同轴。当焦点远在第二镜阵列之前时，控制光束越过焦点发散，并点亮环绕第二镜的光电二极管。镜周围的光电二极管检测的功率的差值可生成控制向量，以通过调整第一镜使光电二极管接收的控制光束功率的差值最小化，从而控制光束。当与镜相关的光电二极管上的控制功率相等时，控制光束形成中心入射，进而业务光束也形成中心入射。由于业务光束与控制光束同轴，因此二者以相同的对准形成中心入射。该示例中，由于镜阵列510处的控制光束576小于业务光束578，操作控制光束时无需稍微增加镜直径。

[0083] 业务光束578和控制光束576通过单模光纤502和透镜572入射。透镜572使控制光束576会聚，而业务光束578被准直。光束被镜阵列510中的镜512反射到镜阵列516中的镜518上。光束通过透镜574和单模光纤524出射。

[0084] 由于当业务光束578入射到镜518中心时，光电二极管520被控制光束576点亮，光电二极管520产生的信号可控制运行中操作期间的优化以及精细对准中的初始设置操作。与不确定性区域中的镜相关的光电二极管可用于检测初始着屏放置。有必要的话，不确定性区域中的镜的位置被锁定。

[0085] 在图8和9所示的示例中，反向控制光束(为了清楚起见，图中未示出)可用于控制镜518的指向，以使反向光束入射到镜512的中心。此时，根据光路的可逆性原理，在镜518作用下，镜512的前向业务光束可分别精确入射到输出准直器534、574的中心，与此同时，通过处理光电二极管514检测的功率水平对其加以控制。

[0086] 关于在控制波长和业务波长处具有不同焦距的准直器的更多细节，2013年11月21日提交的申请号为17/472,407、题目为“微机电系统光子交换机的装置和方法”的美国专利申请已有公开，且该申请通过引用纳入本文。

[0087] 另一示例中，光电二极管集成于MEMS镜的表面。图10示出了其镜表面集成有光电二极管的MEMS镜的MEMS镜阵列150。MEMS镜阵列150包含MEMS镜152，其镜表面集成有光电二极管154。

[0088] 图11A-C示出了MEMS镜阵列，其光电二极管放置在镜阵列中的镜之间的基板上，并同时放置在镜的表面。图11A中的镜阵列160示出了镜162，其光电二极管164放置在镜162的表面，且光电二极管166在四个周围镜之间等距隔开。图11B示出了具有镜582的镜阵列580，其中光电二极管584放置在镜582的表面，光电二极管586相对于四个周围镜的中心等距中心放置，并形成三角图案。另外，图11C示出了具有镜592的镜阵列590，其光电二极管594位于镜592的表面，且光电二极管596相对于四个周围镜的中心等距中心放置，并形成菱形图案。也可使用其他光电二极管排列图案。例如，可使用更多个填隙光电二极管。光电二极管可放置在两个镜之间的区域内，而非在四个镜之间中心放置。

[0089] 填隙光电二极管辅助镜光电二极管确定初始光束放置的中心。该操作可使用三个或更多个光电二极管响应并对光束位置中心进行三角测量来精确确定。当仅有一个光电二极管被初始光束着屏点亮时，不能确定其在束斑中的位置。虽然可计算光电二极管与目标镜之间的距离，但不能计算束斑中心相对于光电二极管的方向，造成测量的束斑位置产生容差。因此，光电二极管的位置可用作光束位置，导致校正向量的近似性更高。一旦光被目标镜上的任一镜光电二极管接收，光束便可入射到镜的中心。

[0090] 关于MEMS镜阵列——其MEMS镜表面放置有光电二极管——的更多细节，2013年11月21日提交的申请号为17/472,176、题目为“微机电系统光子交换机的装置和方法”的美国专利申请已有公开，且该申请通过引用纳入本文。

[0091] 为避免所述镜馈送至不确定性区域中的运行中镜时产生较长的锁定期间，并方便在任一不确定性区域中建立多个路径，对控制通道的点亮以中高频进行选通，以生成控制时隙。控制时隙小于MEMS镜移动较远距离花费的时间。例如，MEMS镜的移动可被限制在机械谐振频率(可为10-20kHz)的十倍以内。以更高频率，例如50-100kHz选通控制通道，可以检测基于移动的镜信号变化的全谱范围。通过选通控制点亮，即镜位置移动最高频率每个周期内点亮两次以上(高于奈奎斯特率(Nyquist rate))，保留全频谱信息。可使用多个选通相位进行选通，从而在X％的时间内，运行中的通道被点亮，而在(100-X)％的时间内，被设置的镜的镜控制通道被点亮，运行中的控制通道电子器件被切换用于建立光束检测。由于切换速度比镜的移动快得多，控制电路的光灵敏度可能稍有降低。这样的小幅下降可被稍高的控制光功率补偿。另外，一直高于移动频率的控制带宽也不会产生实际损耗。

[0092] 在初始镜设置和运行中的镜对准维护之间生成时间间隔防止产生控制串扰。该时隙可被进一步划分，使各个被设置的镜每经过m个设置光点亮周期即被点亮、点亮时长为设置光点亮周期的持续时间的1/p，或同时满足上述两种条件。该操作可在每个不确定性区域内同步设置m个镜、p个镜或m*p个镜。由于选通控制的帧重复率比镜发生移动需要的时间短得多，当帧长度的p倍远小于镜的设置时间时，镜设置时间不会显著缩短。对于100kHz的帧速率，p小于大约20～50的范围。

[0093] 不同目标镜具有直径与其他不确定性区域相同的不确定性区域，但该不确定性区域位于其中心位置，以基于不确定性区域内镜的数目，跨MEMS阵列表面生成可用的设置通道号或阶段(phases)的重复图案。当m*p>n时，若n为每个不确定性区域内镜的数目，则阵列中的所有镜可被同步设置。

[0094] 由于奈奎斯特采样速率降低，且镜位置的实际采样速率降低至m分之一，将设置控制通道点亮选通分成多个阶段可减小设置控制带宽。残余设置通道带宽仍足以满足快速设置。例如，当m＝25且p＝1时，使用100kHz的选通速率，假设控制系统采用高达2kHz包络(envelope)的奈奎斯特采样速率，则此时设置过程中被点亮的单个镜每毫秒被点亮四次。因此，测量时间远小于1毫秒，比镜移动的时间短。另一示例中，m＝5且p＝5，此时控制带宽保持在10kHz以上，其不确定性区域大小等于25个镜。

[0095] 将运行中控制与设置控制分开的操作可通过创建重复的高频率控制帧实现。设置阶段和运行中阶段的光电二极管及其接收器收集的数据，实际上就是表示镜位置的模拟信号。该位置通过比较光电二极管的模拟信号而确定。只要在奈奎斯特定理下当前最高模拟频率小于采样频率的二分之一，即可在不损耗带宽的情况下，对模拟信号进行明确采样。

[0096] 一示例中，设置新连接的时期与维持运行中连接的时期交替。图12示出了运行中采样时隙272，之后是初始设置采样时隙274。这两个时隙具有时长276，其可等于10-20微秒，重复率为50-100kHz。运行中的镜的控制光束与被设置镜的控制光束在交替的时期被点亮。当存在运行中的控制光，且运行中控制电路对其相关镜进行优化时，被设置的镜的控制光载波中没有控制光，因此不产生干扰。运行中控制电路被激活以控制运行中控制光束被点亮期间运行中的镜，但镜之后被锁定5-10微秒，且其光电二极管及接收器被再次使用，作为设置光束着屏位置检测器的栅格。在运行中控制光束未被点亮的阶段，初始设置的镜的控制光束被点亮，且被设置的镜将该光束投射在不确定性区域内的某个位置。不确定性区域中其他镜的被再次使用的控制器的栅格协调光束的着屏位置，且该着屏位置被馈送给被设置的镜的控制器。在该周期随后的期间内，当运行中的镜被点亮时，被设置的镜的控制器计算校正向量，并对镜施加校正电压。所述镜移动所需时间较长。之后，重复该过程，以确定当初始设置过程结束时，所述镜的对齐程度是否允许局部设置。因此，运行中的镜以及初始设置的镜具有连续控制。

[0097] 关于使用不同时隙的更多细节，2014年9月24日提交的申请号为14/495,475、题目为“微机电系统光子交换机的装置和方法”的美国专利申请已有所公开，该申请通过引用纳入本文。

[0098] 图13示出了MEMS系统的控制系统440，该系统具有扩展的控制光束，并在其MEMS镜阵列上具有填隙光电二极管。可使用具有MEMS镜阵列的相似的控制系统，该MEMS镜阵列在其MEMS镜的表面具有光电二极管。MEMS镜模块443含有准直器阵列444、镜阵列446、镜阵列448以及准直器阵列450。

[0099] 连接控制序列处理器466接收连接请求。初始启动点块468为镜进行连接提供初始启动角度。初始角度可基于MEMS阵列和镜腔布置的几何表示方式。例如，输入和输出端口到MEMS镜行和列的映射用于基于几何结构确定角度。另一示例中，初始启动点块468还可包括角位移相对所需x轴和y轴驱动电压的映射，其基于对阵列中若干镜的测量，并且可从通用平均值表或从特定于相关阵列的表中获得。可替代地，角位移的映射为将所需初始镜角度转变为所需初始驱动电压的较为复杂的函数。

[0100] 初始计算的驱动电压值被传送给分别与镜阵列446和镜阵列448相关的微控制器486和310。虽然为清楚起见，将微控制器486和310描述为每个镜阵列一个微控制器，但其可处理多组镜或镜阵列，并相互通信以更好地利用自身容量。微控制器486和310将驱动值分别馈送给驱动镜阵列446和448的镜阵列驱动器470和472。

[0101] 与此同时，连接控制序列处理器466将被设置的端口号以通信方式告知控制通道光载波发生器456和458，其中控制通道光载波发生器456和458接收指令以阻碍光控制通道被设置。该操作的目的是，控制通道载波不会在不确定性区域内通往其初始设置位置的路径上溅越到其他镜的光电二极管上。输出光沿光纤452和454分别传输至准直器阵列444和450。一段期间，例如大约1毫秒后，不确定性区域内的某个位置建立初始指向，控制通道光载波发生器456和458接通光控制通道。

[0102] 控制帧主计时块460通过提供信号协调计时，其中该信号用于指示系统处于初始设置模式或运行中/维护模式。栅极462和464使该信号反向。

[0103] 光电二极管的光响应由接收块474和488接收。

[0104] 当执行初始对准时，在不确定性区域内选择信号块476和490在不确定性区域内选择光电二极管，并将这些信号分别传递给所接收功率的分析器480和494。但是，当执行运行中连接维护和优化时，从目标镜选择信号块478和492从与维持对准的镜相关的光电二极管选择信号，并将这些值传递给所接收功率的分析器480和494。

[0105] 当设置新的光束时，采用设置光束位置块482和496。但当对运行中的镜进行维护时，采用运行中镜优化块484和498。

[0106] 一实施例中，控制MEMS光子交换机，该光子交换机的镜阵列集成有光电二极管。光电二极管检测由相对基板的第一镜阵列反射的光束的光束着屏位置。实时高速控制基于使用光束位置偏差、速度以及加速分析来提供光束轨迹预测，从而对光电二极管信号进行分析而实现。这通过动态控制镜的角度位置，从而以不会触发镜谐振的速度、依高度可控方式移动所述镜，有利于使用控制光束轨迹校正。控制光束初始基于盲目初始计算入射至不确定性区域——该处控制光束被点亮，并对其实际入射位置进行测量。其后，光束被移动至大致与目标镜对准，从而使被控制的镜持续沿袭越来越精准的轨迹，将控制光束带到目标位置。

[0107] 通过在可控的较短时间内施加高驱动电压，使所述镜快速移动。这称为一个脉冲。随后当镜接近其目标角度时，在相对驱动板上施加可控脉冲，使镜的速度减为零，使镜在准确的最终指向角度时动能为零。可在止动或减速过程的最终阶段施加实时闭环控制，以减小可能触发机械谐振的位置偏差或残余速度。

[0108] 基于光电二极管的闭环方法可通过检测产生的光束移动的起点来检测响应于振动事件的镜的启动。可提供静电驱动反馈，以通过使用激活的快速实时控制，减少或防止镜偏离其目标光位置的扰动，从而减弱并补偿到达所述镜的振动产生的影响，其中所述扰动是由静电装置施加相反力以及产生的加速而生成振动输入带来的结果。

[0109] 3D-MEMS镜，如MEMS镜结构110被用作光束引导交换机。这样一来，所述镜可在两条轴线上指向精确的角度。镜可由安装在枢接装置上且在两条轴线上可控的镜组成。例如，可使用MEMS镜结构110所示的使用折叠式硅扭杆弹簧的双轴常平架装置。通过在该镜下放置一套象限电极并对这些电极施加电压，所述镜可在通常限定的角度范围内进行指向。在通电电极板与所述镜之间产生的处于地电势的电场在镜上产生引力。对电极施加的不同驱动使镜对抗弹簧扭矩力产生角位移，其中该弹簧扭矩力试图使镜保持在常平架的平面上。因此，质量虽小但却确定不为零的镜构成簧载质量系统。尤其是，当弹簧不具有非常高的衰减系数时，镜和弹簧呈现机械谐振。通过像在MEMS光子交换机100中那样，建立两个二维镜阵列，将这些镜应用在3D MEMS交换机中。

[0110] 所述镜可在每条轴线上偏转大约等于正5度或负5度的角度。也就是说，偏转角度为镜偏转角度两倍的光束可偏转正10或负10度。由于镜放置在平面阵列中，且行和列边缘的镜使光束指向相对阵列中的所有镜——包括该阵列中的较远边缘的镜，边缘镜的有效偏转范围只有总范围的一半。这就将相对阵列的大小限制在边缘镜处光束偏转可能点亮的范围，即0到10度或0到负10度，而边缘镜偏转的其他方向偏离目标指空。也就是说，虽然中央镜可被偏转正5或负5度，实现正10或负10度的光束偏转，但由于较大的偏转会使指向偏离相对阵列，其有效偏转角度只有大约正2.5或负2.5度，实现正5或负5度的光束偏转。

[0111] 因此，决定交换机端口计数的每个阵列中镜单元的数量由相对阵列中所有镜的点亮锥形确定。其横截面积随距离而增加。因此，可使用具有更多MEMS镜的更大的镜阵列，但镜阵列的间距应增大。对于间距为3毫米的镜，直径为1毫米、最大偏转为正5或负5度的两个100镜阵列的间距为大约153毫米，而具有相同镜几何尺寸的两个400镜阵列的间距为上述数值的大约两倍，即大约306毫米。两个1000镜阵列的间距应大于上述第一个间距的三倍，即大约435毫米。

[0112] 为使交换机准确运行，来自一个阵列上合适镜的光束应完全对准，使其点亮相对镜上目标镜的中心位置，实现零偏差。图14示出了镜阵列间距为153mm时各种对准偏差下目标镜的光束放置。控制束斑134和业务束斑136相对于目标镜132的偏差是1.5mm，即偏差为0.55°。另外，控制束斑140和业务束斑142相对于目标镜138的偏差是0.9mm，即偏差0.34°。
偏差为0.9mm时业务光束不会点亮目标镜。当不使用扩展控制光束时，控制光束也会完全脱离该镜。控制束斑146和业务束斑148相对于目标镜144的偏差是0.4mm，即0.15°的偏差。
0.4mm的偏差会使业务光功率损失一半。业务束斑174和控制束斑172与目标镜170对准。对MEMS镜的控制需要非常高的精确度。

[0113] 图15示出了MEMS镜的等效簧载质量。镜182在一条轴线上具有镜板的质量，在另一轴线上具有镜和常平架的质量。四个弹簧或常平架，即弹簧186、188、190和192支撑镜182。当施加静电力时，该镜的最终位置位于静载荷184下方。当施加阶跃电压时，会在电极和镜间的间隙中产生阶跃电场，使镜受到与电场和电极面积成比例的阶跃引力。镜质量使镜以一定的加速度加速。当镜加速时，其获得动能。当镜朝目标位置移动时，由于电场因电极与镜之间间隙对镜的牵引(pulling)减小而稍有增强，该镜持续加速。然而，由于弹簧反向压力以更高速率增加，加速率减小。弹簧作用力持续力图使镜回到初始平面。因此，当镜达到其目标角位移时，由于镜和电极之间的静电吸引产生的作用力被弹簧的反向压力抵消，镜的加速度减为零。然而，即使加速度减小到零，镜仍有相当大的旋转速度，进而有大的动能，因此所述镜继续移动。镜因弹簧反向压力而减速，该弹簧反向压力增加时镜角度增加，且弹簧反向压力增加的速率大于电场增加的速率。

[0114] 图16示出了作为簧载质量的镜位置对所施加力——如来自对镜下的电极施加电压产生的电场——的突然阶跃做出响应的曲线图。曲线202示出了施加的静电力，曲线204示出了镜的位置。当施加静电力时有显著的波动(ringing)，直至镜在静载荷作用下到达其最终位置。当移除静电力时，会再次产生波动。

[0115] 图17示出了镜位置和驱动电压的另一曲线图。曲线212示出了施加的驱动电压，曲线214示出了镜位置。区域220中，当弹簧力增大以对抗静电点时，镜的加速度减小，速度增大。点218为零加速点，此处具有最大速度和最大动能。区域216中，当弹簧力大于静电力时，镜的减速速率增大，速度反向增加。过冲(overshoot)持续增加，直至移动产生的镜的全部动能转化为弹簧势能。该点处，镜停止移动，但弹簧的张力不能被电场全部抵消，其原因是镜的偏转角度超过弹簧压力被电场抵消的目标位置。其后通过使镜朝向目标位置反向加速，弹簧释放其多余势能。然而，一旦镜到达目标位置时弹簧将多余的势能释放，被释放的势能便全部转化为动能。同样地，当达到最大速度时，镜穿过目标位置，产生下冲(undershoot)。多余势能为镜静止于驱动电压设定的目标角度时，超出弹簧反向压力所产生势能的那部分势能。在具有确定的质量因数Q且衰减系数为零的完全无损的系统中，过程将一直持续。然而，在实际的系统中，摩擦力或阻尼力使该能量耗散于多次振荡。因此，镜动能与弹簧势能相互转化产生的谐振逐渐消失。

[0116] Q被定义为每个周期内，谐振器中存储的能量与发生器提供的能量的比值，以将信号振幅常数保持在谐振频率fr。所存储的能量不随时间变化。Q被定义为：

[0117]

[0118] 衰减系数为：

[0119] 耗散因素可包括镜周围的空气，非理想弹簧系统或非理想弹簧材料中的弹簧损耗，以及当镜移动时镜-电极电容量变化产生的静电阻尼。由于镜很小且移动量也很小，速度也不高，空气阻尼可能很小。弹簧损耗与弹簧设计的性质、所选弹簧材料、以及该材料是否呈现理想的无损弹性特征有关。当弹簧为扭应力作用下的硅时，其不提供较高阻尼。可通过利用电容的变化移除系统的能量，以静电方式实现部分阻尼。然而，这会使驱动电压仅发生缓慢的渐变，其有效防止系统中积累过多能量，但导致切换时间显著增加。

[0120] 镜移动受到的阻尼力较小。因此，谐振持续数个周期。图18示出了Q因数为个位数的示例镜在x和y轴上发生镜倾斜的曲线。曲线262示出了x轴上的镜位置，曲线264示出了y轴上的镜位置。两条轴线上的谐振频率不同。这可能是因为两条轴线上的弹簧常数不匹配或簧载质量不匹配。一条轴线上，簧载质量为镜质量，而在另一轴线上，簧载质量为镜、弹簧以及承载镜的常平架环的质量。因此，对于相似的弹簧常数，谐振频率差别较大。

[0121] 当镜系统受到振动脉冲作用时，其作为簧载质量，按照簧载质量数学计量乘以特定脉冲数学计量的方式移动。图19A-B示出了簧载质量响应于脉冲的动作。图19A示出了时域中的响应，图19B示出了频域内的响应。

[0122] 图19A中，曲线282对应于曲线284对应于曲线286对应于曲线288对应于曲线290对应于响应随变化较大。对于Q值高值低的弹簧，脉冲导致在移动的位置周围产生随时间变化的正弦波运动，作为特征谐振频率。正弦波波峰之间的距离为位移的两倍。当增大而Q减小，正弦波振荡随时间变得逐渐加快。衰减时间常数由Q决定，Q越小衰减越快。当时，正弦波特征大幅减弱，响应变成朝向大约20％过冲的快速移动，之后在阻尼作用下，静止于最终位置。当大约大于1时，系统显示不存在过冲，只有对输入偏转的受阻而缓慢的响应。

[0123] 图19B示出了簧载质量系统对机械输入，如振动事件，或对与频率呈函数关系的静电力产生的机械力的响应。图19B中，曲线294示出了谐振频率，曲线296示出了对应的包络，曲线298为最大曲线，曲线300对应曲线302对应曲线304对应曲线306对应曲线308对应曲线340对应曲线342对应
曲线344对应曲线346对应包络为：

[0124]

[0125] 其中ωA为输入频率，ωo为自然频率(谐振频率fr)。最大曲线由下式给出：

[0126]

[0127] 响应与高度相关。该频率下的传递率或输入移动量——其反映在低频时簧载质量为1的移动上，在高Q时的谐振频率下增加至较高的值，而在低Q时的谐振频率下其幅值减小。当为大约0.1-0.3时，响应表现为谐振处的传递率增加至大约1.5-5，之后当输入频率增加超出谐振时，响应于高频输入而单调减小。

[0128] 图20示出了对数尺度下传递率与频率之间的关系。曲线352示出了曲线354示出了曲线356示出了曲线358示出了谐振点(以频率比为1标准化)以上响应单调滚降。通常谐振频率(f＝1)为几百赫兹或几千赫兹，通常远小于10kHz。

[0129] 当使用集成光电二极管使镜在设置过程中初始移动时，通过计算需要施加的从镜先前的止动位置偏转的角度确定镜的位置，在X轴和Y轴上获得新的偏转稳态偏转电压，并施加这些电压，使镜将光束偏转到不确定性区域中。当镜使其光束指向不确定性区域内，进而大概指向目标镜的大致方向时，计算光束相对该目标的位置偏差，以及光束的校正向量，从而计算镜的指向角度。根据两条轴线上指向角度与驱动电压特征的相对关系，计算新的或修正的电极驱动电压集合。如果精确执行了这些过程中的一个或两个过程，则施加所述新的驱动电压使镜指向目标镜的中心。如果在计算或测量过程中，或镜指向角度与电压驱动特征的相对关系中存在偏差，光束最终位置的指向距离目标镜会近得多，但不会直接指向该镜。迭代过程可使光束指向的对准度更高。

[0130] 如果突然施加变化的驱动电压，电压波形包含频率分量，该频率分量在镜-弹簧子系统的谐振频率处具有能量，导致放大的镜位置响应，产生过冲和阻尼振荡波动。驱动电压电平变化后，直到该变化消失才到达最终响应镜位置，该过程可能需要5-10个或更多振荡周期，极大延长了止动时间。例如，500Hz谐振时止动可能需要10毫秒或更长时间。

[0131] 一种方案是从驱动波形中消除与镜机械谐振频率重合或相近的频率。这就导致较慢的上升时间波形，除非上升时间非常长，还保留部分残余波动和过冲。图21示出了镜位置对多种驱动电压边缘波形的响应。当施加曲线412的电压时，响应为曲线414，当施加曲线418的电压时，响应为曲线420，当施加曲线422的电压时，响应为曲线424，当施加曲线430的电压时，响应为曲线432。早期的镜移动落后于波形斜坡，但镜持续加速，最大速度点在阶跃值波形的预期偏转处出现。阶跃电压下的过冲较为显著。对于速度更慢的波形，最大速度点的位置在预期偏转中的百分数更低。箭头表示最高速度点，此处加速的方向反转。这些点之后，弹簧力超过仍在变化的静电力，引起减速。由于该过程发生时预期偏转的比例较低，只能用于边缘驱动，导致输入镜以触发机械簧载质量谐振的多余动能较少。由于镜在实现满振幅之前停止加速，导致动能较小而弹簧对镜的止动作用更大，随上升时间的增加，较慢驱动边缘的过冲减小。在一临界上升时间处，加速度值变化经过零点的镜动能峰值等于最终偏转处存储的势能。该过程为在不引起谐振的情况下，使用简单单极性驱动信号能实现的最快倾斜。当镜实现100％偏转时，大部分这种能量可被消除。然而，这种方法实施较慢。例如，对于1,000Hz的谐振镜，镜移动需要大约3-5ms。

[0132] 图21所示的动作发生的原因是，要使镜短时间内从其初始位置移动至最终位置，要将速度，即动能输入镜-弹簧系统，并在镜再次静止之前，将动能从系统移除。使用快速上升时间驱动波形产生高速度和大动能，而由于弹簧阻尼作用，该动能的耗散需要时间。具有较长上升时间的驱动波形使镜获得较小的速度和动能，其进而需要在镜遵循缓慢驱动波形的最后部分时对抗上升的弹簧张力而消散，其中电压随时间的变化率降低。

[0133] 图22示出了对MEMS系统进行操作时，图21中过冲及谐振波动的影响。图22示出了图21的波形和镜响应与偏转角度对于镜上的业务光束损失以及填隙光电二极管上的控制损失的容差叠加。线604标示目标镜周围的填隙光电二极管上的控制光束开始损失，线602显示一旦光束移动至高于或低于各条线之间的区域，镜的业务光束便开始损失。线606示出了零误差操作位置。图22的下部示出了镜光电二极管和填隙光电二极管被点亮的情形。对于镜位置415，曲线628示出了填隙光电二极管被点亮的情形，曲线636示出了镜光电二极管被点亮的情形。对于曲线420所示的镜位置随时间的变化情况，曲线630示出了镜光电二极管被点亮的情形，曲线638示出了镜光电二极管被点亮的情形。对于曲线424所示的镜位置随时间的变化情况，曲线632示出了填隙光电二极管被点亮的情形，曲线640示出了镜光电二极管被点亮的情形。对于曲线430所示的镜位置随时间的变化情况，曲线634示出了填隙光电二极管被点亮的情形，曲线642示出了镜光电二极管被点亮的情形。谐振的大小足以使在延长的期间内，只有光束振荡时，光电二极管才被点亮。该期间内，光束还扰乱邻近的镜控制系统。当500Hz谐振下产生大约4-5ms的足够缓慢的边缘波形时，光束移动但无过冲，使切换连接时间大幅增长。

[0134] 突降(snap-down)对静电偏转MEMS镜单元来说可能是个问题。驱动电压和镜位置高于一定值时，由于镜的偏转逐渐增加，即使驱动电压为常数，镜上静电力的增加速率也大于弹簧反向压力的增加速率。该点处，静电力克服弹簧压力，镜戛然止于终止位置，引起突降。突降引起镜的控制损失。另外，突降可能破坏或毁坏镜或其常平架。突降产生的原因是：驱动电压使镜偏转至镜间闭合间隙快速减小的位置，导致由于镜上的力与电场成正比，电场随偏转角度的增长速度比保持镜位置的弹簧张力的增长速度更快。电场等于势能差值(驱动电压)除以间隙距离。当间隙距离减小为零时，电场无限大。如果通过机械过冲使镜到达大于预期偏转的位置，产生的电场增加，镜可能突降。因此，若镜被快速波形驱动，则可能产生过冲，该过冲的幅度不能达到该驱动电压的突降角度，或者镜位置控制会有所损失。由于在高度无阻尼镜系统中，过冲可能超过100％，最大预期偏转可能被限制为突降角度的
50％，如果镜可被偏转到恰好低于突降角度，则通过允许偏转的圆锥角将面积减小至该可能值的大约25％。对于缓慢的波形，在达到大约突降角度的80-90％后，很难进一步接近，其原因是伴随驱动电压变化的镜移动变得极端化，影响控制系统回路增益。

[0135] 为改善切换时间并防止突降，可对动态镜移动进行更好的控制。可测量镜位置，确定镜径向速度和加速度，使位置、速度和加速度随细小的时间粒度实时变化。该数据可用于控制镜，使其在到达目标位置的途中实现较高速度，为控制光束生成通向目标镜的快速路径。然而，当控制光束靠近目标镜时，可主动使其减速，使其不再是最大速度，而是减速，在目标角度实现速度为零。因此，光束可在到达目标镜时不具有多余动能。一示例中，该过程通过利用静电止动的驱动波形整形实现。另一示例中，该过程通过对驱动信号进行实时控制实现。驱动信号的实时控制可基于对镜位置、与目标之间的距离、速度和加速度的动态或实时测量，并使用镜动态机械性质模型。可对这两种方法进行组合。

[0136] 图23示出了包含直径为1mm的MEMS镜362的MEMS镜结构360。左侧具有间隙364，即大约0.006～0.10mm的间隙。右侧具有间隙366，即大约0.06～0.10mm的间隙。镜边缘的倾斜度为五度，并进一步背离电极367移动大约0.0087mm。因此，在既定电压下，受到引力作用的镜边缘的场强增大14.5％，导致偏转灵敏度升高大约小于14.5％。由于该值为具有不均匀间隙的电场元件面积x力矩(moment)的积分(integral)，其实际值取决于电极形状，进而取决于决定跨镜半径的引力的电场。当镜边缘的场强降低大约12.6％时，可用于使镜减速的电极368的灵敏度略有下降。

[0137] 对合适的偏转电极施加电压时产生的静电力使电极从零偏转开始加速。该电压生成与电压与间隙的商值成比例的电场，其产生与电场和电极面积成比例的引力。基于电极区与镜中心或轴心线间的距离，静电力对镜产生转动量。因此，镜上的转动量是电场力乘以区域面积乘以该区域动量的积分。引力与电场成比例，并对抗扭矩弹簧张力。既定电压下，当偏转角度增加时，间隙减小，使电场增大。因此，当偏转增加时，镜变得对驱动电压更敏感。

[0138] 为使镜朝向较低偏转加速或减速，可使用两种力，即随偏转线性增大的名义扭矩弹簧张力，以及电压驱动相对电极产生的静电力。驱动相对电极产生与电压和间隙的商值成比例的电场。所述引力与电场乘以区域面积乘以动量的积分成比例。静电力与弹簧张力协同作用。当偏转角度增加时，间隙增大。因此，当镜偏转增加时，被静电力减速的镜变得对驱动电压变化不那么敏感。

[0139] 不论镜是否被静电加速或减速，施加的驱动电压均产生力，所产生的力产生加速度。通过在一段时间内施加电压对加速度进行积分产生速度变化，对该速度进行积分产生位置变化。光电二极管对光束的位置进行即时检测。对随时间变化的位置求导产生速度，对随时间变化的速度求导产生加速度。

[0140] 当目标角度的弹簧张力需要多余的势能时，前向驱动脉冲可用于对镜提供动能。其后，当镜在静电止动作用下靠近目标位置时，能量被移除。这可能导致在不发生谐振的情况下，进行快速切换。

[0141] 可改变驱动波形以向镜系统提供更多能量。之后在合适的时刻，主动从镜系统中移除该能量。确定目标镜的位置，并计算偏转角度向量。之后将向量角度映射至最终驱动电压。然而，并不立即将该电压施加给电极。而是在短期内，将计算得到的更大的电压施加给所述电极。通过输入镜的动能和镜的移动距离确定上述期间和/或电压，其是镜当前位置和最终目标位置的函数。电极上这些驱动信号的电场对镜产生力的脉冲，使镜迅速加速并沿期望的方向移动。计算该脉冲的大小，其等于时间与电压的乘积，因此将镜加速至大于所需的速度，以驱动镜对抗前述增大的弹簧张力达到目标指向角度，使光束传播通过目标位置。当镜朝向目标角度移动时，会因增加的弹簧反向压力而减速。为防止当靠近目标位置时，镜速度过快导致过冲和振荡，对相对电极施加第二脉冲。该第二脉冲消除了动能，因此镜由于增加的弹簧反向压力及与其协同组合的作用在镜另一侧的电场而减速。当镜恰好到达目标角度且光束到达其目标位置时，可使镜止动。此时镜静止，对其施加计算得出的维持驱动电压，由于弹簧反向压力与镜上的静电力匹配，该镜保持静止状态。若在准确的角度止动，镜不会有多余的动能，从而不会触发与弹簧的机械谐振。如果通过计算得到准确的静态偏转驱动电压，则由于静态驱动电压产生的电场力与偏转角度处的静态弹簧张力达到平衡，镜在准确的指向角度保持止动状态。

[0142] 图24示出了驱动波形、产生的镜移动、以及对加速脉冲和随后的减速脉冲做出响应的示例。当施加具有尖锐边缘波形940的最终驱动电压时，镜沿上述曲线942振荡。可替代地，可使用加速脉冲和减速脉冲驱动镜。波形944为最终偏转的加速电压脉冲，并将波形946施加在相对板上用于止动。在初始加速持续时间941内施加波形944。曲线948示出了具有精确止动的响应，曲线950示出了止动不足时的响应，曲线952示出了过量止动时的响应。在施加加速电压和止动电压之间的期间内，滑移943会持续一段时间，镜滑向最终位置，在弹簧压力下减速。当滑移期间消除时最快切换发生，且加速和减速时间延长。虽然施加了止动电压，减速945仍会持续一段时间。由于对于所施加的电压而言，较大的电极-镜间隙降低了减速度，施加减速电压的时间可比施加加速电压的时间长。可替代地，当镜的减速电极侧的镜-电极间隙较大时，减速电压高于加速电压。当止动完成时，施加驱动电压，以实现准确的镜角度。镜到达其最终位置时速度为零，从而其动能为零。

[0143] 通过施加过驱动电极电压对镜进行强加速，产生强电场。一定时间后，移除电极电压。此时，即使弹簧反向压力对速度产生反向作用，且弹簧反向压力随偏转角度的增大而增加，镜的速度也已超过其所需滑移超过其所需操作角度的速度。在合适的时刻，在预定持续时间内对镜对侧的电极施加较高的驱动电压，使镜进一步减速。如果准确选择反向驱动的大小、时刻及持续时间，则镜减速使得在到达所需操作角度时速度减为零。施加计算得到的静态驱动电压，以将镜保持在位置上而不波动，因为镜的速度为零，加速度为零，且其相对于最终位置的位移偏差为零。然而，如果镜的止动位置未达到该点或超过该点，则引发振幅与偏差成比例(且相对于驱动波形940相当小)的谐振。

[0144] 由于镜的角度有偏移，镜与相对或止动电极之间的间隙增加而非减小，因此就止动力而言，即使施加较大的驱动电压，其影响也有所限制。该影响下的振幅取决于镜-电极的几何结构和作为偏转角度函数的镜-电极间隙的变化。在MEMS镜结构360中，该影响远小于27％的峰峰灵敏度变化。其取决于具体的电极形状，并与镜中心至电极间隙的距离高度相关。然而，加速时，电场止动的止动力与弹簧张力协同作用，而非受到弹簧张力的反作用。静电止动产生影响的大小可远小于静电加速。静电加速提供的动能足以使镜移动至准确的止动位置，此处其变成动能加一定大小的多余动能，而静电止动只需移除多余动能使镜静止即可。

[0145] 要避免过量止动或止动不足，对上述时刻的容差和精确度要求较高。脉冲电平或时刻的偏差可能导致镜相对于目标位置偏向准确位置左侧，该情形变成阻尼谐振镜移动，该移动与阶跃电压下的移动相比，其振幅较小或小得多。或者，镜还可剩余某种程度的残余运动，导致角度偏差，该偏差在镜回到由驱动电压确定的位置时消除。

[0146] 在实时控制系统的一个实施例中，对镜位置、速度以及加速度进行持续测量和推导。进行计算，以确定是否向镜系统提供能量或从该镜系统提取能量，从而使镜快速移动并在其位于目标位置时速度为零。该计算可使用镜控制系统内置的镜动力软件模型进行。可快速准确地计算能量输入、镜移动或能量提取以及镜移动，并对驱动电压适当调整。

[0147] 在两个示例中，动能被从系统中移除。一示例中，当镜偏转角度增加时，镜动能转化为扭矩弹簧势能。一旦镜稳定于其最终止动点，扭矩弹簧便存储一定势能。然而，弹簧可吸收一定势能，该势能大小由不会引发谐振反应的静态偏转角度和弹簧反向压力的积分表示。另一示例中，使用镜对侧的电极板作为静电止动器。然而，由于镜相对其靠近一侧的间隙减小，产生较强电场，而相对电极板的间隙较大且呈增加趋势，其需较高的驱动电压以产生同样的电场和止动力。因此，可使用更高的电压和/或更长的止动时长，实现静电止动时同样大小的速度变化。

[0148] 当镜在最终指向角度止动时，镜上弹簧张力反向压力产生的力等于镜上镜与电极之间静电场产生的力。镜系统中的能量以势能的形式存储在镜系统的弹簧中，且镜相对于周围环境静止。

[0149] 由于镜在常平架弹簧上弹性安装，通过使镜相对于周围环境移动，振动脉冲将多余能量引入系统。由于常平架弹簧具有弹性，镜不随周围环境移动，而是可相对周围环境以不同方式移动，在常平架和镜指向方向之间改变镜位置。存在机械脉冲时，镜-弹簧系统充当簧载质量。振动甚至可以具有一定范围的振幅和方向。该事件可包括线性和旋转分量。镜可将线性振动脉冲转化为镜的旋转运动，例如，如果镜的质量中心不在扭矩弹簧的平面上。振动事件可使镜相对于镜的周围环境做不同的移动，该移动取决于振动脉冲事件的性质和方向。该事件结束后，镜可相对于周围环境保持某种程度的持续移动并且可处于与振动事件之前相比不同的位置。因此，能量被输入镜质量并被其获取。该能量连同镜移动和位置偏差一起，可从系统中移除，使镜再次静止。

[0150] 振动脉冲引发镜进行机械谐振或谐振。谐振可能有很多种。一种谐振是簧载质量对抗竖直常平架的弹簧扭矩力做旋转谐振，即在X平面内作旋转移动。另外，还有簧载质量对抗水平常平架的弹簧扭矩力做旋转谐振，该谐振为Y平面的旋转移动。这些谐振中的一种包括常平架环，另一谐振则不包括。另一种谐振为在与零驱动镜表面平面的常平架平面正交的Z平面内，镜的运动对抗常平架环。这会使Z平面位移与常平架弹簧的平面保持力操作相反。另外一种谐振是在与零驱动镜表面平面的常平架平面正交的Z平面内，镜-常平架环的组合的运动对抗周围环境，使Z平面位移与常平架弹簧的平面保持力操作相反。

[0151] 旋转移动造成镜指向偏差。当谐振事件结束时，镜可再次对准，或可不对准。这种偏移造成的偏差的原因可能是脉冲性质或镜/电极系统本身。镜与电极之间的电场与距离不呈线性关系，从而镜与电极之间的力与距离不呈线性关系。因此，在电极驱动电压保持不变的振动响应周期内，当谐振使镜-电极间隙减小时，镜上将镜拉向电极的静电力增加，该增加量大于当谐振使间隙增大相同的值时，镜上将镜拉向电极的静电力的减小量。因此，振动事件产生的谐振使电极-镜静电力在时间上的积分在谐振持续的时间内略有增加，导致相对于该事件之前，在镜偏转方向上产生额外的镜指向位移。随后由于弹簧张力大于静电力，该位移会在镜回到其平衡位置时逐渐消失。

[0152] 一实施例中，振动事件引起的旋转影响被最小化。对镜系统的振动事件及其干扰进行初始检测。其后，确定振动事件的影响，该影响以测量的影响光束位置的镜位移和移动表示。接着，计算以位置、速度和加速度表示的镜的即时偏差。基于镜偏差，计算使镜回到止动状态和准确指向角度的实时校正，并进行校正操作。确定校正操作的有效性。以高速率重复该过程，直至镜在准确位置止动。振动脉冲事件开始后，立即快速持续地实施这些步骤可大大降低脉冲的影响，该影响体现在镜移动量和从系统中移除残余影响的速度和效率两个方面。

[0153] 一实施例使用具有集成光电二极管的MEMS镜阵列。光电二极管可填隙式放置在镜之间和/或集成在镜上。可使用扩展控制光束，有利于控制光束在光电二极管上着屏。

[0154] 图25示出了控制系统和镜的快速闭环动态控制的光电二极管阵列的一个实施例。光电二极管阵列684包含镜686和光电二极管688，其光电二极管的配置可如图4A-E、图10、图11A-C所示，或配置成其他形式。业务光束690和控制光束692穿过镜阵列传播。控制光束点亮一些光电二极管，使得光束的位置被检测。通过比较光电二极管接收的功率，可基于三个或更多个光电二极管检测的功率，确定控制光束的中心位置P(t)，并可使用精细的时间粒度确定P(t)。通过比较具有较短时间间隔τ的连续样本中所测光束的位置，可确定光束的平均向量速度V(t)。时间粒度为τ时，所测速度的平均时间延迟为τ/2。延迟τ可以是，例如，大约0.5-20μs，其时间更短，并由于测量的变化更小，实现了更好的系统时间分辨率，但其速度和加速度计算时的偏差较大。其后，可对连续的速度进行比较，以确定加速度A(t)，从而实时确定位置、速度以及加速度。根据这些位置、速度和加速度值，可确定光束路径。例如，路径698将光束导向远离目标镜702的停留点707。当如图25所示，投射的路径不经过目标镜时，确定目标镜702上具有停留点704的校正的路径，即路径700。大概计算对轨迹的校正，并建立近似期望加速度和/或速度，使轨迹变得更接近目标镜或以近似为零的速度经过目标镜。可基于先前计算的结果，迭代进行该计算和校正。新轨迹无需很精确，且由于可进行其他类似迭代，只要偏差被减小，该新轨迹最后便会在目标镜上收敛。只要大致降低偏差容限，多个周期后，偏差容限就会降至极低。例如，如果每周期内将轨迹偏差平均减小30％，在20个测量周期后，偏差为初始偏差的0.08％。

[0155] MEMS模块650包含与镜阵列654耦合的准直器阵列652，镜阵列654与耦合至准直器阵列658的镜阵列656相对。在设置过程的早期，由于控制光束不在不确定性区域内，未启用主动控制。业务光束通过准直器阵列652的准直器进入，并被镜阵列654的镜朝向镜阵列656反射。计算或查找初始镜指向坐标、驱动电压、所需加速脉冲以及名义止动输入。这可基于整个装置几何结构需要的镜偏转角度。施加加速脉冲，并当来自移动MEMS镜的业务光束(以及实际控制光束)靠近目标镜时，施加减速脉冲。当光束进入不确定性区域时，控制光束被点亮，确定动态实时光束位置。可在进入不确定性区域之前或之后施加减速脉冲。可在任何时间点亮业务光束，但该光束的波长可能不会使控制光电二极管做出响应，而该业务光束在通向目标镜的路径上，确实会“溅射”到其他镜上，这些镜的定向使其与各自的输出耦合的几率极低(对于业务中的镜为零)。

[0156] 当接通控制光束时，镜阵列656的光电二极管的响应被接收光信号块660接收。光电二极管响应被从接收光信号块660发送至选择器662或选择器664。选择器662选择不确定性区域中的光电二极管，而选择器664选择与目标镜相关的光电二极管。当光束早期进入不确定性区域时，使用选择器662，最终对准时使用选择器664。

[0157] 光束中心计算块666对所选的光电二极管信号进行分析。光束中心计算块666确定哪些光电二极管位置正在接收光束能量。基于所接收的能量，确定随时间变化的光束中心位置。

[0158] 图26示出了基于光电二极管的响应，确定控制光束的中心。在镜阵列727中，光电二极管717、719、721和723检测来自控制光束692的接收的光功率，该控制光束692的强度已知，且为与光束中心之间距离的函数(如截断高斯函数)。光束中心与光电二极管719间的距离为距离711，与光电二极管723间的距离为距离701，与光电二极管719间的距离为距离701，与光电二极管716间的距离为距离729。两个光电二极管可确定光束中心的两个不同的候选位置。然而当使用第三个光电二极管时，光束中心可唯一确定，例如，图26中，光束中心位于位置725，即四个光电二极管的弧线的交叉点。

[0159] 光束中心计算块666中确定的光束中心位置被置于移位寄存器670内。来自同时发生的其他设置的、进而被测定的其他光束的位置也被置于移位寄存器668中。采样时钟生成器668以τ时间为移位寄存器670设定时钟，其可在50kHz和2MHz之间，分别与τ＝20μs和τ＝0.5μs对应。每个τ时间内，当新值输入时，移位寄存器670将输入值沿其栈区向下降低一阶。
其后从相邻的栈级读出当前和之前的光束向量位置值，并使用计算块672对其进行比较。两个位置值之间的差值表示光束在τ时间内传播的向量距离。将该值除以τ得到作为时间函数的向量速度。该值还可被存储和转移(shifted)。对相邻样本对的速度向量值进行比较提供每个τ时间内的速度变化，得到加速度值。因此，使用大小为τ的粒度可得到位置、速度和加速度的向量值。

[0160] 在确定速度和加速度的过程中，较小测量偏差或噪声的影响逐渐增大。可对加速度和速度进行噪声过滤。例如，使用5μs的粒度可得到位置，使用10μs的粒度可得到速度，使用40μs的粒度可得到加速度。可替代地，对速度和加速度进行加权平均。

[0161] 其后，计算块678基于相对于目标镜的位置、速度向量以及加速度向量，计算当前光路的前向轨迹。使用位置图674得到光电二极管和镜的位置。由于加速度是当前静电电压驱动的函数，可假设静电驱动产生的加速分量大致为常数，但其包括当偏转角度变化时，与角度呈函数关系的变化的弹簧张力产生的额外的加速分量。该加速分量值和其参数使用镜行为模型676而得出。

[0162] 计算块678使用输入系数计算当前投射的路径轨迹，确定通向目标镜的期望的路径轨迹，并计算加速向量的近似值，以将轨迹校正为期望的轨迹。还可计算使减速驱动持续需要的时间。

[0163] 上述结果被传输给电极波形生成器680，其对电极止动进行调制，以改变镜的加速度。电极波形生成器680为数-模(digital to analog,D/A)转换器。

[0164] 其后，镜驱动器682驱动镜阵列654的镜。

[0165] 每经τ时间，便对该过程进行重新计算和更改。该过程每经τ时间重复一次，直至镜在目标镜处达到静止。

[0166] 图27示出了使用阶跃函数最终值驱动以及主动加速和减速的响应和驱动波形，其中在减速时使用闭环控制。线554示出了期望的镜偏移位置。当使用阶跃函数最终值驱动时，驱动电压556示出了施加驱动电压时的驱动电压，曲线546示出了施加驱动电压556时的响应。曲线548示出了施加加速和减速时不使用主动闭环止动的响应，使位置或速度的残余偏差较小，曲线550示出了使用主动闭环止动的响应。

[0167] 使用主动减速和闭环控制时，计算并施加初始加速，其中驱动波形542具有持续时间552。而施加驱动波形542时，镜因增大的驱动电压而快速加速。还对使镜停止的初始减速电压进行计算。具有持续时间558的驱动波形544示出了减速波形。当加速电压被关闭时，镜在施加减速电压之前进行滑移。可替代地，在减速电压后立即施加减速电压。在施加减速电压之时或之前，光束进入不确定性区域并被点亮。在图27中，当开启减速电压时，光束被点亮。当开启控制光束时，其被光电二极管检测，且其位置、速度和加速度被确定。其后，控制环路调制止动电压，对减速进行校正，以使镜沿期望的轨迹偏转。虽然图27示出了单组波形，但该过程实际发生在两条正交的轴线(X-轴线，Y-轴线)上。时钟信号560描述控制采样，且可以是50kHz或更高。当镜到达其目标位置时，施加驱动电压564，即静态驱动电压。

[0168] 当不使用主动控制时，镜可以在相对于目标位置稍有偏移的点减速至零，或仅减速至大约为零。这触发小幅镜谐振，如曲线548所示。

[0169] 若所计算的静态镜电压偏差较小，则镜以缓慢的加速度开始移动。当在控制系统作用下开始位置漂移，并对静态驱动电压校正时，可对此进行检测，通常在检测到该漂移时的一到三个τ时段内进行检测。

[0170] 对于具有500Hz谐振的镜，镜的设置和优化可在大约1.2ms内完成。对于具有1kHz谐振的镜，镜的设置时间可为大约0.6ms。

[0171] 图28示出了执行闭环减速的方法的流程图731。开始时，步骤733中接收输入的交换机连接请求。其指示一个镜阵列上的镜将要连接至相对镜阵列中的镜。

[0172] 接着，步骤738中，确定所连接的镜的x和y物理坐标。该坐标可以，例如，从连接请求获取，或基于各个镜阵列基板的镜几何结构和镜腔的几何结构而计算得出。

[0173] 步骤736中确定指向角度。一示例中，在查询表中查找指向角度。可替代地，基于镜阵列的几何结构计算指向角度。

[0174] 其后，基于步骤736中确定的指向角度，以及存储的基于设计参数或由各个样本测试确定的已知静态偏转角度与MEMS镜驱动电压的关系，确定驱动值。根据期望角度、已知镜的角度惯性力矩以及镜驱动灵敏度确定加速脉冲驱动的电压和持续时间。另外，虽然一旦镜受到闭环控制作用，减速电压的启动时间、持续时间以及电压随后在过程中便会发生改变，仍对上述参数进行确定。另外，确定保持镜指向角度的静态偏转驱动电压。这些值根据镜特征而确定。同时还确定光束进入不确定性区域并被点亮的时间。

[0175] 在步骤742中将步骤740中得到的具有所述电压和持续时间的加速脉冲施加给电极。

[0176] 其后在步骤744中，在步骤740确定的时间施加减速电压。

[0177] 与此同时，在步骤738中，确定目标镜的不确定性区域中的镜。该过程基于目标镜的位置以及不确定性区域的大小而进行。不确定性区域即光束初始着屏的区域。

[0178] 步骤750中，将步骤738中确定的不确定性区域中的运行中镜的相对镜锁定。

[0179] 光束进入不确定性区域后，在步骤752中选择不确定性区域中的光电二极管。

[0180] 同样地，在步骤754中，控制光束被点亮。例如，对调制器施加信号以点亮控制光束。可替代地，激活处于控制波长的光源，如竖直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)。

[0181] 步骤746中，确定控制光束的位置。基于不确定性区域中光电二极管的响应对控制光束的位置进行检测。可基于三个或更多个点亮的光电二极管的响应，对位置进行三角测量，从而可确定控制光束的中心。

[0182] 基于当前和之前的光束位置，确定控制光束的速度。该速度为光束位置的位置差除以样本间的时间。其后，基于当前速度和先前速度的差值与时间步长的商，确定控制光束的加速度。

[0183] 图29示出了控制系统790，即一个示例控制系统，其使用基于脉冲的镜驱动进行实时动态的镜控制，实施流程图731所示的方法。控制系统790使用脉冲驱动和止动，使镜快速移动而不会引发机械谐振。另外，控制系统790对检测光束位置、速度和加速度产生的镜的位置、速度和加速度使用实时监测。所检测的光束位置、速度和加速度来自宽带光电二极管输出信号，其速率例如为50kHz～2MHz，对应于20μs～0.5μs。通过测量不确定性区域内被点亮的控制光束的路线并对其轨迹进行校正的过程，校正MEMS镜系统容差导致的光束轨迹偏差，以及计算得到的源于这些容差的脉冲大小偏差。

[0184] 采样时钟生成器850为具有相等时间间隔的重复率光束位置数据样本产生时序，通过在位置、速度和加速度块832和852中比较相邻样本，所述数据样本进而被转换为光束位置、速度和加速度向量值。该位置、速度和加速度信息被传输给校正块816和858，校正块816和858计算将要施加的路线校正，使光束轨迹更加贴近地穿过目标镜，且光束速度在穿过镜交叉点时更接近于零。校正块816和858可为硬件状态的机器。这些块确定控制光束的当前未来路径，以及当速度达到零时使路径穿过目标位置的校正。由于以较高速率对上述参数进行迭代重复，只要每次迭代减小路径和残余速度偏差，该计算就不需要非常准确。

[0185] 当连接控制序列处理器466接收连接请求，例如输入端口-输出端口请求时，其确定与镜阵列446和镜阵列448上的哪个(些)行和列连接，以将入射光束偏转至相对镜的中心。其后，连接控制序列处理器466为这些镜建立合适的初始静态驱动电压，以在理论上保持准确的静态指向角度，从而将来自各个准直器的入射控制光束反射至相对目标镜。目标镜周围的、初始计算的光束在控制光束点亮点后可能着屏的区域即为不确定性区域，其产生的原因是计算过程中的容差以及镜偏转灵敏度的变化。一旦通过施加所计算的加速度——可选的，还有减速波形——使镜移动的距离足够远，以使光束处于不确定性区域中，控制光束被点亮，对光束位置进行测量，同时计算并施加校正向量，其中光束在到达其目标之前不会停止。一示例中，使用预先测量的查询表建立初始光束指向和产生的不确定性区域。另一示例中，使用算法逼近。

[0186] 当使用算法逼近时，通过根据镜腔的几何结构计算X和Y平面内的镜指向角度，连接控制序列处理器794计算合适的驱动电压。其后，根据镜单元的平均驱动电压/偏转特征，连接控制序列处理器794计算所需的驱动电压。

[0187] 初始启动点块792还可计算所需的初始驱动脉冲幅值和持续时间。当将被指向坐标X、Y处的相对镜时，镜移动通过的指向角度变化可以根据系统几何结构而计算得出。施加所计算的向量角度变化以对抗增大的弹簧力，其中弹簧力会将势能输入弹簧(即常平架)。这可根据角度变化和弹簧力而计算。若将相同大小的动能输入镜，则镜会在正确的偏转点停止。若计算的静态驱动电压被正确计算且立即施加，则镜会保持静止。施加驱动脉冲为镜提供动能，使其足以到达其目标位置，另外，一半或一半以上的动能可通过止动移除。一半的动能提供处理系统容差的最大能力，其可能需要主动减少或主动增大静电止动电平或持续时间，以得到最大的容差裕量。当不需要系统容差时，向加速脉冲添加更大的能量值，产生更高的镜速度和更短的切换时间，并通过静电止动移除更多能量。合适的加速和减速脉冲为所需的指向角度及多个从特定MEMS设计已知的镜/镜驱动常数的因数。可以在初始启动点块792中计算脉冲。

[0188] 将驱动电压施加给新目标光路径中两个镜的合适的加速电极，其方式是通过在限定的较短时间内使电极电压快速增加到高驱动电压——其中X，Y平面电极的驱动电压可能不同，以产生所需的角度向量，或可替代地，X，Y平面电极的驱动电压可能相同，此时所述高驱动电压不相同，以产生所需的角度向量。在经过由初始启动点块792计算的合适的时间后，将加速脉冲移除，其中该时间被下载到实时电极波形生成器814和860。不论是紧随加速脉冲被移除后，还是该脉冲移除后较短的预定时间后——该期间镜动量使镜在弹簧反向压力作用下以减小的速度朝向目标角度滑移，使用计算得出的具有计算的电平和持续时间的定时止动脉冲激活对侧电极。在由不确定性区域的大小决定的某点施加该止动脉冲，控制系统假设镜使虚拟(未点亮)控制光束指向不确定性区域内。在该点，控制光束被点亮，启动主动动态镜控制。该操作使用实时光束动态检测和动态镜控制，改变或更改了止动脉冲的电压电平和持续时间，以使镜逐渐在目标位置停止，并实现速度和位置偏差均为零。因此，避免触发镜谐振，或尽量减小镜谐振，同时主动使光束和镜指向偏转，以与不确定性区域中心的目标对准。当镜停止时，止动脉冲快速减小，且将静态角度保持电压施加给前向偏转电极，使镜保持在静态偏转角度。

[0189] 来自镜阵列448和镜阵列446的光电二极管的光信号分别被接收块474和接收块488接收。接收块474和488可以是对入射的信号做出电响应的光电二极管的电子放大器。对来自接收块474和488的所需的输出信号进行选择。不确定性区域块478和490对不确定性区域中的初始光电二极管进行选择，目标镜块478和492对与目标镜相关的光电二极管进行选择。不确定性区域可包括镜周围的光电二极管，例如，在距离目标两到四倍镜间距范围内的光电二极管，其取决于初始指向计算的精度、镜阵列的大小、阵列间光路长度、以及控制光束激活点处光束速度的容差。所选的光电二极管实时在不确定性区域中定位实际光束的着屏点。当三个或更多个光电二极管被点亮时，确定光束位置，并可对其使用三角测量法以确定精确的光束着屏点。初始对准期间，可将与不确定性区域内的镜相对的镜锁定。可替代地，使用不同的控制时隙。

[0190] 设置过程开始时，由于没有驱动电压，镜处于已知的静止位置。可替代地，如果镜从先前设置的连接开始移动，则其从已知位置和已知驱动电压集合开始移动。在任一示例中，开始移动的条件均为已知。计算初始大致的角度偏转，使镜指向反射光束着屏的点，该点位于目标镜上环绕目标光束位置的不确定性区域内。该操作有利于计算X，Y指向向量或指向向量的改变，其可被映射至使镜保持在所需指向角度的稳态驱动电压集合，还可被映射至所产生的一定大小的势能，该指向角度下该势能被存储在常平架弹簧中。基于所需的偏转角度，以及由此存储在常平架弹簧中的势能，初始启动点块792选择两种脉冲电平。一个值用于将镜加速到大于到达合适的初始计算光束指向角度所需的角速度，其中脉冲的能量大于需要输入至弹簧的势能。由于第二脉冲被施加在相对板上，且第二脉冲的大小可在镜靠近其目标位置时大致移除镜的所有多余动能，第二脉冲借此消除角速度，因此该镜在达到大致静止的状态时，其反射光束到达目标位置。如果该过程得以准确执行，镜不具有多余动能，也无位置偏差(势能偏差)，不能引发弹簧-质量动能/势能谐振。

[0191] 容差和偏差的产生有若干因素，包括一批圆片(wafer batch)上单独的镜的偏转灵敏度的多变性，以及常平架的硅扭矩弹簧的弹簧常数，因此镜可能不会完全止动。然而，实现大致的最终位置要快得多。另外，谐振振幅会大幅减弱。谐振为对所计算的电平偏差的响应，而不是对整个阶跃变化的响应。

[0192] 闭环减速可防止这种波动。当镜移动接近最终指向角度时，控制光束会进入不确定性区域。此时，控制光束被输入光信号模块810和864开启。接收功率比较器828和846以及光束中心计算块830和848使用来自不确定性区域块478和490和光电二极管的信号、来自光电二极管和镜位置块838的镜位置，进行快速重复的光束强度测量，有利于使移动光束的中心作为时间函数而确定。如果可根据所选的控制帧速率，每隔大约2-50μs得到一个光束中心位置，则以准实时方式建立束斑的位置可以比MEMS机械谐振的速率快得多。若已知连续测量之间的光束位置差值，则可以每2-50μs计算一次光束的速度，以及镜的角速度，其平均延迟为1-25μs。在不同的时间，如相邻两次确定光束速度之间，比较光束的速度，可以计算光束加速度，从而计算镜的加速度。该加速度通过下列方式计算：将来自光束中心计算块830和848的结果输入移位寄存器834和854、宽短寄存器，所述寄存器可包含多个同步镜设置过程的结果。其后，时钟生成器850为移位寄存器834和854设定时钟，每个采样期间一个阶跃，其决定计算器的时间粒度。移位寄存器834和854的第一级首先保存当前捕获位置的实际最新的光束位置，第二级保存每个光束的当前位置样本，第三级保存再之前的样本等。
由于速度为向量位置的变化与时间变化(一个样本的期间)的商，通过将当前的位置样本与之前的位置样本进行比较，可确定光束速度。之后存储该速度。在下一个样本期间，根据新的位置样本计算速度，该位置样本与之前位置样本的差值给出了一个样本期间后新的速度。相邻速度样本之间的变化提供了加速度的度量。对X和Y两条轴线进行数据存储和计算。

[0193] 使用光电二极管和相关的控制块对光束位置、速度和加速度进行连续监测意味着，一旦光束射入不确定性区域时控制光束点亮被激活，便使用光电二极管响应对光束位置进行实时追踪。并将其光束动态与施加两个脉冲产生的投射即时光束动态进行比较。

[0194] 上述期间还施加减速脉冲。其后将实际光束动态与投射的光束动态比较产生的偏差分量用于计算对减速脉冲的最终阶段作出的任何校正。例如，如果实际光束速度需要额外的向量减速，则将减速脉冲再多保持几微秒，或者，当向量减速量较小时，减小减速脉冲。如果应改变加速度值，则可增大或减小电压。改变电压导致加速度发生改变，而在给定电压/加速度下改变时间会使整个速度变化发生改变。因此，当偏差分析表示为向量加速变化和镜的残余速度时，其映射到校正该加速度的新的电压电平，且该电压下新的持续时间消除了残余速度，使镜在不确定性区域中心的目标处停止。因此，通过快速迭代闭环向量校正，实现了相对最佳目标对准调整的连续过程。

[0195] 当移除减速电压时，施加稳态或静态电极驱动电压。镜保持止动状态。如果镜不完全处于目标位置，则其会以较低加速度再次移动。这种移动的启动可以被快速检测，例如在移动开始后的10-50μs内。基于速度和加速度的计算，可对驱动电压进行校正。

[0196] 在500Hz谐振下快速移动镜所需的一个示例性时间预计为1153微秒。计算角度和驱动电压大约需3微秒。对镜施加脉冲可能需要大约450微秒。另外，在光束一经进入不确定性区域即被点亮之前，减速脉冲可能需要150微秒。减速最后阶段的主动控制、匹配初始镜位置以及施加稳定驱动电压可能需要大约550微秒。由于设置的速度大体由与谐振频率相关的镜质量的移动速率确定，在高于700Hz谐振下的镜可具有小于1毫秒的设置时间，在2kHz谐振下的镜的设置时间可能为300-500μs，以不超出最大驱动电压。

[0197] 当该过程完成时，镜指向角度可使控制光束着屏到不确定性区域中心的目标上，实现静止而不发生谐振。

[0198] 当镜位置偏差较小，且速度接近为零时，光束着屏位置通过将目标镜周围的光电二极管响应映射到光束截面强度而精确确定。其后，可将不确定性区域中剩余的光电二极管解除。如有必要，则可基于与目标镜相关的光电二极管，计算任何较小的最终校正向量，使光束与目标镜的中心完全对准。

[0199] 此时，将与不确定性区域内的镜相对的其他镜解锁，并使用接收功率比较器828和846检查来自与目标镜相关的光电二极管的光电二极管响应。这些光电二极管被目标光电二极管块476和492选择。计算精细的校正向量。该精细校正向量对光束在目标镜上的中心入射进行校正。当光束入射在目标镜中心时，光电二极管被同等点亮。在实时振动控制下，响应被持续监测，环绕镜/镜上的光电二极管的读数变化可用于产生准实时驱动，以消除任何振动引起的镜位移。

[0200] 整个镜设置可使用单个镜角加速度和单个闭环控制的减速度实现。如果改变连接，而非在原先没有连接的位置启动连接，则镜从止动的静止状态开始移动，或从止动的已知指向状态开始移动。计算进入目标周围的不确定性区域中的镜盲向量，关闭控制光束以避免控制光束溅射到不确定性区域外其他镜的光电二极管，计算并施加合适的驱动脉冲，使镜旋转加速，并对经过相对MEMS镜阵列表面的虚拟光束指向进行加速。计算并施加第二或反向止动脉冲。其后在其投射点激活控制光束，使光束射入不确定性区域，该过程通常发生在减速过程中。此时，控制光束在不确定性区域内的某处被点亮，且其光束着屏点发生移动。不确定性区域内被点亮的光电二极管实时测定束斑强度。其位置、速度和加速度可根据一次、两次和三次连续测量分别确定。计算指向目标镜所需的向量，计算并施加所需的向量变化以改变镜轨迹，这导致光束轨迹更能够使镜在光束直接指向目标镜的点处实现静止状态。持续进行测量和计算周期，直至镜在准确的指向角度静止，该指向角度通过使用控制光束对与目标镜相关的光电二极管等同点亮而确定。

[0201] 图30示出了使用帧结构对控制系统施加动态镜控制和基于脉冲的镜驱动以设置MEMS镜的控制系统870。连接请求由连接控制序列处理器466接收。连接控制序列处理器466确定将要连接的镜的X和Y物理坐标以及这些镜周围的不确定性区域。初始启动点块468和连接控制序列处理器466确定近似稳态偏置电压，将镜保持在合适的角度，使相对的镜近似朝向彼此的光束。连接控制序列处理器466从初始启动点块468接收、或计算加速度脉冲的电压电平和持续时间，以提供足够大的向量加速，使镜和光束带着多余动能向目标对准投射。另外，确定减速脉冲的计时、电压电平以及名义持续时间，使得可消除多余动能，并使镜在大约朝向相对目标镜的位置止动。镜滑移和其虚拟光束进入不确定性区域的名义时间用于使：当虚拟光束穿过目标镜周围的不确定性区域之外的目标MEMS阵列区域时，使控制光束关闭；但在进入不确定性区域后使控制光束马上被点亮，以避免与其他不确定性区域发生干扰，与此同时使控制光束在不确定性区域内可即时用于轨迹控制。

[0202] 这些值由连接控制序列处理器466传输给微控制器486和310。为了清楚起见，图30示出了每个镜具有一个微控制器，但该微控制器均可控制多个镜，从而减少所需微控制器的数量。微控制器可专用于MEMS阵列的镜的一个或多个行或列。

[0203] 微控制器486和310将控制光束设置为在控制帧的合适的时隙中被点亮。该操作通过下列方式实现：当虚拟光束将要落在目标镜的不确定性区域以外时，微控制器486和310指示控制帧主计时块876在镜设置轨迹的那部分持续时间内，消隐向所关联的输入端口入射的控制光束；并指示实时电极波形生成器814和860启动X，Y脉冲电压和持续时间，随后在确定的初始电压和名义持续时间在X和Y电极上进行减速脉冲的计时启动；其后微控制器指示控制帧主计时块460在虚拟光束进入目标镜周围的不确定性区域时，立刻激活控制帧中之前关闭的设置时隙，从而点亮控制通道。此时，控制帧主计时块460点亮控制光束作为一个设置时隙。

[0204] 当控制光束被点亮时，微控制器486和310将减速和正在进行的静态站的控制移交给位置、速度和加速度块816和858。位置、速度和加速度块816和858已被馈送有目标镜位置的参数，因此其可能已预先计算期望轨迹，使光束——由此使镜——实现与目标对准的静止状态。参数来自镜行为模型877和874。光电二极管位置来自光电二极管镜位置图872和878，其提供所有MEMS镜和所有光电二极管的X，Y位置坐标。

[0205] 被点亮的光束引发所选的不确定性区域内部分光电二极管产生响应。使用接收功率比较器828和846在采样时钟周期对这些光电二极管的响应进行采样、测量和分析。

[0206] 接收功率比较器828和846确定哪些响应的测量接收功率足够大从而具有相关性，并将其分别传输给光束中心计算块830和848，该过程中当光束中心跨越相对MEMS基板的不确定性区域的表面时，光电二极管响应值数据流使用坐标的几何结构，对作为时间函数的光束中心位置进行三角测量，产生移动光束中心的实时视图。

[0207] 这些结果被馈送至时间延迟移位寄存器834和854，因此可继续从时间序列中获取之前的样本。通过对作为时间函数的光束位置差值进行比较，在位置、速度和加速度块832和852中计算光束速度和光束加速度。这些结果以流的形式传输给轨迹校正块816和858。

[0208] 其后，位置、速度和加速度块816和858基于投射轨迹，将测量的光束的位置、速度和加速度与预期的位置进行比较。基于轨迹的差值，计算新的轨迹，使光束止于目标位置。

[0209] 除非脉冲电平的残余偏差为零，如果轨迹路径应向左或向右移动以与目标相交，则与初始计算的轨迹略有不同的新轨迹可被转换为横向于轨迹的加速度。如果计算值显示投射的下冲——其中光束和镜停止的位置未到达目标，校正可作为沿轨迹的额外加速度而施加。如果计算值指示过冲——其中光束经过目标时速度不为零，并在越过目标的位置止动，则可施加沿路径的额外减速度。

[0210] 上述四个加速方案可使镜精确偏转以与目标对准。鉴于可频繁确认轨迹，且可在到达终点前进行新的校正，偏差幅度由此减小，偏差校正可能为近似值。通过使用坐标再次映射，将所需轨迹加速度变化映射为X，Y加速度变化，之后将所需的X，Y加速度变化映射为X，Y或-X，-Y电极上的电压变化，可将这些加速方案转换为电极驱动电压变化。轨迹校正块816和858将这些新的电压电平以流的形式传输给实时电极波形生成器814和860，后两者将其施加于镜阵列驱动器470和472。

[0211] 该过程以迭代方式继续，直至测量的轨迹拦截(intercept)目标，且光束以零速度在目标处停止。施加稳态电压，使镜静止不动。若这些稳态电压为准确值，则镜在目标处保持不动。若其不准确，镜开始缓慢滑移。这可作为由光电二极管检测的微小功率失衡值而被快速检测，后者可通过改变驱动电压而校正。

[0212] 振动或施加给MEMS系统的机械脉冲会影响镜系统和镜的定向。图20示出了振动对MEMS系统的影响。由于镜以及随镜一起的周围环境，振幅适中的低频率的振动可能不会造成问题。然而，振幅较大的振动输入，特别是弹簧-质量谐振区域内的持续振动可能会造成严重问题。在镜-常平架弹簧系统的簧载质量谐振附近，由于簧载质量谐振周围的振动分量的扩大，镜以较大振幅，相对于周围环境做不同的移动。大于谐振频率时，传递给镜的振动减小。高频下，在振动相位反向且其对镜的作用反向之前，该振动不能使镜大幅移动。

[0213] 大于谐振频率大约三到十倍时，传递性可能较小。因此，对于1kHz的谐振镜而言，基于控制环路的振动方法应具有3-10kHz的带宽，对1kHz的镜需要6-20kHz的数字采样速率。

[0214] 振动可具有多种形式。可能有较宽范围的振动频率，因此可形成例如穿透建筑物的繁忙街区式(street’s)业务。该业务具有频带受限的白噪声频谱。若其不是异常高的振幅，使用控制环路会减小上述振动的影响，减小因数为作为频率函数的控制环路增益。

[0215] 振动可持续发生或在包含一个频率或较小频带的一段时间内发生，如电动机上的不平衡飞轮。MEMS交换机镜的开环响应取决于振动方向、振动振幅、以及振动频率，其原因是所述因素均会影响振动能量与MEMS镜和常平架的簧载质量系统的耦合。接近谐振频率的振动被MEMS谐振放大。如果振幅不大，在闭环控制的系统中，其振幅可被减小等于环路增益的减小因子。

[0216] 施加独立的或重复的机械脉冲时，可在设备下的底层顶板上使用锤钻，或某个人使用小车影响设备支架。图31示出了闭环控制之前镜对振动脉冲的响应。

[0217] 线882示出了静态镜位置。曲线888、890和892示出了机械脉冲的多个振幅被施加给MEMS交换机模块。曲线898示出了镜动态位置响应，曲线902示出了光束镜点亮对曲线892的脉冲的响应，曲线894示出了镜动态位置响应，曲线904示出了光束位置对曲线890的脉冲的响应，曲线896示出了镜动态响应，曲线906示出了光束位置对曲线888的脉冲的响应。对于脉冲电平较低的曲线888，发生小幅镜扰动和目标光束移动。由于任何方向上的镜角位移使得之前适当对准的镜发生目标点亮的减少，目标点亮的调制为谐振频率的两倍。若施加响应于基于光电二极管的光束位置检测的宽带闭环控制系统，则该镜扰动会以与镜过冲或偏移相似的方式检测和校正，快速将偏差降为零。

[0218] 较大脉冲，如曲线890所示的脉冲，产生大得多的谐振镜反应，其在开环情况下当谐振因阻尼而缓慢减弱时，会对目标点亮造成较大影响。

[0219] 非常大的机械冲击脉冲，如曲线892所示的脉冲，产生较大镜位移，使目标镜周期性地不被点亮，并点亮其邻近的镜。这种情况下，在闭环系统中，通过恢复到使用不确定性区域内的所有光电二极管来保持控制，其原因是被扰乱的光束会在紧密环绕镜的光电二极管的局部区域之外移动。这就需要使用不确定性区域级别的光电二极管监控，在某些情形下，当不使用控制帧避免镜锁定时，需要使用镜锁定。

[0220] 对于这些振动机制，所述情形可通过施加宽带闭环系统而改善，该宽带闭环系统可快速检测振动引发的光束开始偏离，确定由振动事件施加的加速度，并施加最大值为驱动电压范围内的反加速，使镜的偏移保持在局部目标镜光电二极管的范围内。

[0221] 镜对振动的显著响应产生光束位移，其可作为接收的功率的失衡而被光电二极管快速检测，有利于做出校正响应，这类似于发生偏移或设置过程中的镜的校正响应。也就是说，在一个至若干个采样期间，快速确定镜位置、速度和加速度，施加校正的加速度，使镜返回其目标位置保持点。以与轨迹偏差控制相同的方式使用同样的控制系统，但具有某些差别。

[0222] 在采样时钟生成器的一个时钟周期或一帧帧控制信号，即取决于控制帧速率，大约0.5～20微秒后，可检测镜光束着屏移动。由于镜在前两次测量中处于止动，可根据该位移确定初始速度和初始加速度。可计算反向加速度使镜的移动反向，并可计算和施加轨迹，使镜快速回到其初始位置并实现止动。对受扰镜的校正在扰动开始后的1-30μs后扰动仍很小的时候初始施加。除非振动脉冲非常大，使加速度大于任何可在镜驱动器的电压限制内施加的静电加速度，否则对镜位置进行快速校正。当振动较大时，在脉冲加速度减小之前，控制系统不能使加速度反向，但可降低其影响，防止发生大幅镜位移，减小镜峰值速度，使得当机械脉冲减小时，镜快速回到正常位置保持点。

[0223] 因此，对于较大的脉冲(机械冲击)而言，由于对驱动电压的限制有限，因此对静电加速度的限制也有限，可在多个时钟周期内施加必要的最大校正加速度。控制系统在镜路径中记录过载偏差，直至机械脉冲力减小。其后，控制系统施加校正加速度，直至完成所需的镜回程轨迹。如果镜相对于其准确操作点(即其目标)发生大幅位移，该操作可包括使用加速脉冲和减速止动脉冲，使镜尽量快速返回，并可涉及使用除紧密围绕目标镜的光电二极管之外的光电二极管，如发生最大振动或冲击事件时，使用不确定性区域内的光电二极管。对于程度较低的事件，该操作不是必需的，且该事件可使用目标镜本地的光电二极管的测量进行处理。然而，该情形只适用于非常大的脉冲或大规模振动。对于一般程度的振动，不会耗尽控制的振动脉冲的影响降低的程度为控制环路增益的因数，使得该单元抗振性更强。

[0224] 图32示出了具有开环和闭环控制的对较大机械脉冲的响应。曲线922示出了输入机械脉冲。线912示出了静态镜位置，曲线924示出了镜点亮的静态值。另外，曲线920示出了开环镜位置，曲线926示出了开环控制的镜点亮。曲线918示出了使用闭环控制时的镜位置，曲线928示出了闭环控制的镜点亮。曲线922示出了采用扩展坐标的采样时钟，例如50kHz。

[0225] 在开环条件下，脉冲使镜快速加速，如曲线920所示，将动能传递给镜。从而镜在机械脉冲加速期间获得较大速度。当脉冲减弱时，加速度减小，但镜在其动能作用下，进一步远离目标，直至增加的弹簧张力通过将多余动能吸收为多余势能，使镜减速直至静止。此时弹簧张力使镜朝向目标直线反向加速，以零加速度但最大速度穿过该目标直线。系统经受机械谐振，产生随时间变化的位置谐振振荡。这对穿过交换机的光路径产生重大影响，演变为一系列被断开的连接产生的黑暗而隔开的闪光，直至镜谐振在多个周期后减弱。

[0226] 另一方面，对于闭环控制而言，一旦镜开始在机械脉冲作用下以高加速度移动，该移动便在一到两个采样期间内被检测到，并测得加速度。此时控制系统施加反向加速度以减小镜偏转。当机械冲击引发的加速度较大时，其可短暂超过最大静电加速度，并且控制系统可进行施加，这取决于驱动电压限制。此时，即使控制系统最大程度地减小机械加速度，虽然其值小得多，但加速离开目标的过程仍将继续。加速值为机械脉冲引发的加速度与控制系统施加的最大止动加速值的差。该过程一直持续，直至当控制环路通过计算回程轨迹并控制镜路径靠近该轨迹，可使镜返回速度大大加快而不发生谐振时，使机械加速值减小为止，其中镜到达目标位置时速度为零。

[0227] 图33示出了控制MEMS镜以响应于振动的方法的流程图930。初始时，在步骤932中，检测镜的失准或移动。

[0228] 步骤735中，当检测到镜的失准时，控制系统确定连接的镜的X和Y物理坐标。

[0229] 步骤736中，基于所连接的镜的坐标，控制系统确定指向角度。一示例中，根据查询表确定指向角度。可替代地，计算指向角度。

[0230] 同样地，步骤738中，控制系统识别不确定性区域中的镜。该操作基于目标镜位置和不确定性区域的半径而进行。

[0231] 其后，步骤750中，选择不确定性区域中的镜。

[0232] 步骤934中，控制系统检测控制光束的受扰位置。该操作基于步骤932中对镜失准的检测而进行，并使用不确定性区域中的光电二极管，包括与目标镜相关的光电二极管。

[0233] 接着，在步骤748中计算速度和加速度向量。基于位置变化确定速度向量。其后，基于速度变化确定加速度向量。

[0234] 块758包含镜动态模型，其基于仅存在扭矩弹簧力时的镜质量和加速度。

[0235] 其后，步骤756中，计算近似的镜路径、近似的光束路径、以及光束终点。该操作基于镜动态、目标镜位置、光束位置、光束速度、以及光束的加速度进行。镜动态来自步骤758。

[0236] 步骤760中，确定近似路线校正，使控制光束以零速度穿过目标。该操作基于步骤756中的近似光束路径、步骤735中所连接的镜的物理坐标、以及栅极780的信息实现。栅极
780将来自步骤770的计算近似镜光束路径和终点的信息返回至步骤760中下一确定近似路线校正的周期的起点，以提供轨迹路径的先前视图，因此步骤760可产生所述校正。该校正为所需轨迹的当前视图减去先前视图。步骤778中的信号使栅极可将数据往回传输。禁用栅极会使过程停止。可替代地，来自步骤782的馈送可用于停止该过程。

[0237] 接着，步骤762中，确定对速度向量中的加速度向量的近似校正以及该加速度向量。该操作基于步骤760的近似路线校正进行。

[0238] 其后，步骤764中，实施步骤762中的校正确定。该校正被施加为止动或前向驱动大小的变化。

[0239] 步骤766中，为下一时间步再次确定光束位置。

[0240] 步骤768确定光束是否射在与目标镜相关的光电二极管上。若光束不在目标光电二极管上，则在步骤750中再次选择不确定性区域内的光电二极管。如果光束位于目标光电二极管上，则在步骤770中选择目标镜光电二极管。

[0241] 步骤768中，再次确定光束向量速度和加速度向量。

[0242] 其后，步骤770中，基于目标镜的位置、控制光束的位置、控制光束的速度、控制光束的加速度以及镜动态，计算近似镜和光束路径以及终点。该路径被置于栅极780中。

[0243] 接着，步骤772中，控制系统确定步骤770中新计算的向量是否拦截目标镜。当新的向量未拦截目标镜时，控制系统接着进行步骤778，重复该过程，并将信息置于栅极780中。若新的向量拦截目标镜，步骤774中控制系统确定光束是否位于目标镜处。若光束不位于目标镜处，则控制系统重复步骤778中的过程。若光束位于目标镜处，则步骤776中控制系统确定光束是否速度为零。若光束速度不为零，则在步骤778中重复该过程。若光束速度为零，则在步骤782中该过程终止。

[0244] 图34示出了一示例MEMS系统，即MEMS系统610，其包含使控制光光束射入MEMS系统610的准直器612。控制光光束被镜614(第一阵列中的一个镜)反射至第二镜阵列616。镜阵列616包含集成光电二极管。镜上入射光束的入射角为θcoll+θ，其中θcoll产生的原因是准直器被从常态向MEMS阵列表面偏移，以避免阻挡阵列间的光路，θ为MEMS镜614被施加的偏转角度。阵列间的光路长度L为镜614与镜阵列616之间的长度。镜阵列616中镜的列的间距为H，镜的行的间距为V。当调整镜614的角度时，束斑移动通过镜阵列616的表面。镜的角度移动引起两倍的光束角度移动。镜被作用方向与常平架弹簧设置相反的静电偏转力偏转，其提供防止在平面外调整镜的扭矩，表面上与x和y轴平面内的θ分量θx，θy成正比。偏离的镜止动角度由偏转静电力被扭矩弹簧的恢复力抵消的位置确定。

[0245] MEMS镜结构360的详细视图由图23示出。镜362的直径为D，面积为A。X轴和Y轴上的镜移动组合提供任何方向上的移动。四个象限电极，即电极361、363、367和368分别通过施加电压给合适的一个(或多个)电极，提供–Y、+Y、-X和+X方向上的偏转。

[0246] 施加给镜的力为电压和电极与镜之间间隙距离、以及电极形状和大小的函数。若四个电极使用相同模式的电压进行驱动，其可用作单个环形电极。所述力由以下公式给出：

[0247] F＝((εo*A*V2)/(2*d2))*(1+(2*d/D))，

[0248] 其中A为镜的面积，d为镜-电极间隙，D为镜的直径，V为对电极施加的电压，o为自由空间的介电常数。

[0249] 然而，该力作用穿过镜中心，且由于没有力矩臂而不对镜施加力矩。事实上，施加该力的目的是使镜向电极移动，其受到力矩弹簧对竖直偏转的阻力作用。然而，如果只有一个电极被激活，该力近似于其四分之一：

[0250] F＝((εo*A*V2)/(2*d2))*(1+(2*d/D))/4。

[0251] 由于改变边缘关系(2*d/D)/4取决于实际电极的形状，该力的公式为近似表达。

[0252] 在不存在镜偏转的点，即镜和电极平行的点处，镜和电极之间的距离对于整个电极而言均相等，因此电极的V/d值，即电场值，与电场上的位置无关。此时，电极和镜之间的力可被视为单个力Fo，其作用穿过电极的面积中心。电极的面积中心不与镜中心对准，并因此不与扭矩弹簧的枢轴线对准。相反地，该面积中心的偏移距离等于力矩臂Rmo，即零镜偏转时力矩臂的长度。这就通过使力矩臂Rmo乘以引力Fo生成力矩Fo*Rmo，得到镜上的力矩。引起镜对抗扭矩弹簧的阻力，开始朝向电极旋转，其中扭矩弹簧的阻力用以提供恢复力T*θ，T为1°时的恢复力矩，θ为以度表示的偏转角度。其作用是减慢镜的速度，使在任何波动逐渐减弱后，镜在偏转角度静止，其中：

[0253] T*θ＝Rmθ*Fθ

[0254] Rmθ和Fθ为电极设计和角度的函数。

[0255] 当镜移动时，镜不再与电极平面平行，可使用倾斜的板模型，其中镜和电极之间间隙为与镜中心之间间隙的径向位置的函数。由于整个电极的电压为常数，电极和镜间间隙的电场不再是常数。相反，电场从镜中心向外径向增加，从电极区域的部分进一步远离镜中心，呈现更强的电场，同时对合力的贡献更大。常数驱动电压下镜上的力增加，主要原因是镜边缘附近——此处因镜倾斜，镜-电极间隙更小——的电场更强。因此，既定电压下的Fθ与角度相关。另外，力Fθ的中心，即引力的明显施加点从接近镜边缘的增大的力开始向外移动，从而增大力矩臂。因此，Rmθ变得与角度相关。

[0256] 图35示出了常平架MEMS镜装置的电压/静态偏转特征。由于Rmθ和Fθ的变化，镜偏转灵敏度随偏转角度的增加进而随电压的增加而增加，直至偏转灵敏度因突降失去对镜的控制而变得无限大。图35还示出了弹簧力矩阻力与偏转角度之间的关系，其通常为线性或接近线性。由于弹簧力矩产生的恢复力随角度线性增长，因此当镜在给定的偏转角度静止时的净引力也随角度线性增长，这是因为静止时恢复力和净引力互相抵消。通过改变镜-电极间隙——其改变与施加的电压的电场关系，产生电压偏转曲线的非线性度，从而当偏转角度增加且电极间隙减小时，扩大逐渐增加的驱动电压的影响。

[0257] 曲线802示出了电极驱动的δv/δθ(产生逐渐增加的单位偏转所需的逐渐增加的电压)，曲线804示出了作为偏转角度函数的扭矩弹簧恢复扭矩力，该函数通常为非线性关系，还示出了静态角度下作为引力的电极力和作为恢复力的弹簧力矩之间的关系，因为这种情况下这两个力将互相抵消。另外，曲线972示出了镜静态偏转角度与电极电压的相对关系。该曲线示出了随偏转角度的增加，增加偏转灵敏度，直至偏转灵敏度变得无穷大。线808示出了偏转灵敏度变得无穷大，δv/δθ变为零，δθ/δv变成无穷大，因发生突降而失去控制的情形。在区域806中有发生突降的风险。界限964为可用区域的示例性界限。

[0258] 当在电极和镜之间施加电压V产生的电场时，产生基于非线性曲线972的偏转角度。一旦所有的动态已被处理/逐渐消失，箭头962将施加的电压V投射到显示偏转角度与施加的电压972间相对关系的非线性曲线，水平箭头963将产生的偏转大小投射到竖直轴线上，得到静态偏转角度。该偏转角度可通过箭头966投射到偏转角度/恢复力关系上，如线804所示，其可以是线性或接近线性，该恢复力可通过箭头968投射到水平轴线上，得到恢复力的测量，电压V下，该恢复力与一个(多个)偏转电极的引力相互抵消。由于恢复力和引力在静态时达到平衡，可将恢复力值传递到竖直轴线上，作为电压V下产生偏转角度时电极引力的测量值。

[0259] 一旦确定MEMS镜的偏转特征，该特征便可插入控制系统。驱动电压用于通过使镜在两条正交轴线上偏转θx和θy，使镜偏转θ角。这引起光束从其在不存在镜驱动时的指向开始，移动通过2θ的角度。这导致束斑在相对基板上移动大约L*tan(2θ)的距离。图36示出了具有部分示例性镜移动的表1210，其中最大的镜移动为：在具有多个阵列和镜间距的L表示值处，偏转性能达到正6°或负6°。

[0260] 表1210示出了六个不同的阵列间光路径长度，且镜偏转角度为1°～6°时，相对MEMS阵列的最大偏转距离。当峰-峰偏转为该距离的两倍时，由于整个MEMS阵列中不同源镜之间的视差，峰-峰偏转仅有一半是可用的。阵列边缘的MEMS镜只能在其一条轴线以一个方向发生偏转，而阵列转角处的镜只能在其两条轴线上以一个方向上发生偏转，这是因为使这些镜在相反的方向上偏转会使其完全错过相对阵列。

[0261] 1210的底部为各个光路径长度和+/-6°偏转镜提供了最大交换机构造尺寸的视图。加粗的数字为100与1,000之间的数。

[0262] 图25示出了束斑通过偏转的镜投射到镜阵列上的一个示例。镜阵列上集成的光电二极管可检测光束位置，其中多个光电二极管将其点亮电平提供给测量系统，测量系统基于其接收的光功率确定每个光电二极管相对于光束中心的距离，使得可基于做出响应的光电二极管的已知物理位置，对束斑中心进行三角测量。根据束斑位置随时间的变化确定束斑速度，根据束斑速度随时间的变化确定束斑加速度。一旦已知束斑的位置、速度和加速度，便可绘制前向轨迹。然而，随时间和距离变化，例如由于测量偏差及容差或计算容差或估算，所述轨迹的偏差呈增大趋势。

[0263] 一示例中，所述轨迹包含于镜动态的计算中。例如，可施加因弹簧反向压力而随镜角度变化的加速度变化、和弹簧反向压力或因调制镜-电极间隙(其使静电力发生改变)产生的变化，将其作为校正。

[0264] 另一示例中，将所述轨迹作为需要角度更新，例如每5到100μs更新一次的短期近似投射。该重复校正过程可用于调制电极驱动，迫使该轨迹朝向目标镜。当常数百分数偏差小于校正偏差的100％时，轨迹计算的起始点比先前轨迹计算更接近目标，且在一段时间内，对该轨迹进行迭代以到达目标。

[0265] 图25所示示例的目的是使束斑690在目标镜702的中心止动。在当前速度没有加速度时，束斑将沿箭头699继续传播，并彻底错过目标镜702。具有加速度时，竖直速度减小，水平速度增加，大幅校正轨迹，使其传播更接近目标镜而不与其重合。因此，下一个测量周期内，计算进一步校正，使轨迹更接近目标镜。由于穿过阵列的束斑的额外线性加速度对应于镜的额外角加速度，且电极上的额外驱动电压产生额外的加速度，因此较短期间内，改变的加速度要求可被视为改变的电压驱动要求。这会产生更接近于到达目标镜的新的投射轨迹。重新计算的下一期间内，采用下一组位置测量，并计算速度和加速度。可进行进一步调整，以继续校正轨迹，使光束到达目标镜。该操作可单独在两条轴线上进行，因为它们是正交的。

[0266] 对于给定的X轴或Y轴束斑速度以及镜角速度，具有对镜旋转速度的最大止动给出的最小停止距离。该止动为扭矩弹簧扭矩大小和驱动止动电极可实现的止动的组合。对于其速度使角度增加的止动而言，扭矩弹簧止动和相对电极的止动力为加和关系。然而，对于其速度使角度减小的止动而言，扭矩弹簧的力矩对前向电极的止动影响起相反作用，但前向电极的间隙较小，并因此在任何给定电极电压下可施加更大的力。

[0267] 因此，存在一设定的距离，其与光束速度相关，其中当光束靠近目标镜时，光束应开始最终的快速减速。光束停止需要的距离由下式给出：

[0268]

[0269] 其中Vs为停止速度，Vi为初始速度，amax为最大光束加速度，Ds为停止距离。当停止速度为零时，停止距离为：

[0270]

[0271] amax的值由镜旋转加速的速率值确定，其由旋转轴线上镜的惯性确定，其中由于常平架环的惯性对一条轴线有贡献，X轴和Y轴的镜惯性不同。若惯性表示为产生1度/s2的旋转加速度的力矩，即IR，则扭矩弹簧及电极对镜产生的力矩表示为：

[0272] Tq+Fb(θ)Rmb(θ)，

[0273] 其中下标b表示止动电极被驱动。其后，角度θ时的最大镜旋转加速度为：

[0274] (Tq+Fb(θ)Rmb(θ))/IR。

[0275] 上述计算产生了通过MEMS阵列表面的束斑的最大减速度，表示为：

[0276]

[0277] 因此，

[0278]

[0279] 图37示出了对于靠近镜的光束而言，其光束速度的动态和与目标之间距离的相对关系，表示为产生的最大允许残余束斑速度和与目标镜之间距离的相对关系。曲线982示出了对在与目标间距离为零时实现零速度的最大减速速率而言，与相对于目标的距离呈函数关系的最大允许速度。在负位置位移启动点的曲线982下方的区域A和正位置位移启动点的曲线982上方的区域-A中，束斑可以最大速率在通向目标的路径上减速，并同步停止，同时到达目标，而不需要加速度大于最大值。例如，可使在不确定性区域内的位置1000初始点亮且沿向量向不确定性区域传播的束斑沿曲线1002到达目标，可使在位置1004初始点亮的束斑沿曲线1006、曲线1008或曲线1010到达目标，取决于其点亮时的速度向量可使在位置1012初始点亮的束斑沿曲线1013、曲线1014或曲线1016到达目标，可使在位置992初始点亮的束斑沿曲线994到达目标，并可使在位置996初始点亮的束斑沿曲线998到达目标。这些束斑可以小于最大减速度的速率减速，例如使用曲线1008、1100、1014和1016。可替代地，其可朝向目标镜加速，直至接近最大速度/距离阈值，并以最大加速度减速，如沿曲线1006和曲线1013。由于相对于目标的距离间隙闭合得更快，这就产生了最快的设置。

[0280] 另一方面，在负位移起始位置的曲线982上方的区域B内和正位移起始位置的曲线982下方的区域-B内，束斑向目标移动，但其距离不足以使其在以最大减速水平到达目标之前停止，因此在其沿相反方向返回目标之前，会超过目标。束斑984沿曲线986到达目标。由于剩余的止动距离不够，束斑在目标处实现止动时，必然会具有一定的过冲。相反，最好的方案是，束斑沿可达到的最大减速曲线尽可能地减速，其中该曲线偏移且偏移量为不足的那段距离，直至在超过目标镜的位置实现止动，超过目标镜的距离等于在其起始点处不足的那段距离。其后，一旦实现止动，束斑便会加速，使速度反向，以从对侧返回到目标镜，从而沿相反方向在最大减速线内减速。

[0281] 在两个区域，即区域C和区域-C内，束斑在其初始点亮点处已经超过目标位置，并远离该位置。这就造成了偏差的情形，其原因例如可能是初始计算的偏差过大或不确定性区域过小等。需要应对这种情形，并对其恢复进行描述。在束斑可接近目标前，必须使点亮处束斑的速度反向。使在位置988处初始点亮的束斑沿曲线990到达目标。初始束斑已经超过目标镜，且其速度使其进一步远离镜。在该镜的止动处，束斑进一步远离目标。其后可施加反向轨迹，使光束返回到目标镜。通过使束斑动态保持在最大加速度/减速度范围内，控制该轨迹的最后部分，确保束斑在目标镜处静止。

[0282] 从区域A内曲线982下方和区域-A内曲线982上方的任何位置和速度，若光束朝向目标尽可能加速，直至束斑到达最大速度的边界曲线，并其后沿该曲线朝向目标以可控减速度进行最大减速，则从当前束斑位置或速度开始，束斑以最快速度收敛到零位移、零速度。该过程如图38所示。

[0283] 将在曲线982下方区域A内初始点亮且被检测到速度/位置的束斑，从远离最大减速度的阈值982开始，朝向目标加速，直至测量显示其大致要超过最大减速度的阈值982。位置1024处初始点亮的束斑沿曲线1026传播，在位置1028处初始点亮的束斑沿曲线1030传播，在位置1032处初始点亮的束斑沿曲线1034传播。其后，一旦检测到各个束斑接近最大减速度的阈值982，便施加对于最大减速度的电极驱动，使束斑以最大减速度沿曲线982传播。可在最大减速情形下设置部分裕量，以补偿装置-装置的变化，避免过冲。然而，如果发生小幅过冲，其可自动校正，不会使设置时间增加太多。

[0284] 根据MEMS镜的动态参数的参数和这些参数中的容差推导出不确定性区域的大小。由于施加初始盲加速度和减速度驱动后，在以计算的时间初始点亮光束的时间，参数发生改变，且计算近似值，不确定性区域由可能的镜位置的范围确定。此时，束斑应落在不确定性区域内，并以不会使其超过目标镜的较低速度向目标镜移动。

[0285] 图39示出了初始点亮时初始束斑点亮位置和速度向量的若干不同示例中，多个可替代虚拟(未被点亮)、真实(被点亮)以及校正的(被点亮和由轨迹控制的)路径。镜阵列1040包含镜1050和光电二极管1052。目标镜1042周围具有不确定性区域1044。光束A沿虚拟轨迹1074行进，并在点1076处点亮，该处光束A从虚拟光束转换为被点亮的在主动控制下沿曲线1080行进的光束。相关的实线箭头示出了在不进行校正的情况下，束斑经过该轨迹的位置。光电二极管对光束进行实时控制，且光束可朝向目标镜1042加速，直至到达减速度阈值。光束减速以到达该目标。以相似的方式，光束B沿虚拟轨迹1046行进，在点1058处点亮，并在主动控制下沿曲线1048行进，以在目标镜1042止动。另外，光束C沿虚拟轨迹1082行进，在点1084处点亮，并在主动控制下沿曲线1088行进，以在目标镜1042止动。另外，光束D沿虚拟轨迹1090传播，在点1092处点亮，并在主动控制下沿曲线1096行进，以在目标镜1042止动。光束E沿虚拟轨迹1066行进，并在接近目标镜1042的点1068点亮。曲线1072中，其超过目标镜，其原因是它已经位于应进行最大减速的区域内，但还具有多余速度，造成过冲。该光束以最大速率减速，会略微过冲，然后使方向反向，以在主动控制下返回至目标镜。由于光束在经过目标镜之前开始减速，不会对不确定性区域的大小造成影响，该过冲小于止动距离。

[0286] 当在点1060处点亮以在主动控制下沿路径1064行进时，沿虚拟轨迹1056的光束F已超过目标镜1042。被点亮时，光束F已超过目标镜。光束F必须在使路线反向之前减速实现止动，并传播通过相当长的距离回到目标镜。根据点亮点处过冲的大小和点亮的初始速度，被点亮的光束可越过不确定性区域的界限，因此镜计算和镜参数的容差，以及不确定性区域的大小应防止不确定性区域外发生光束点亮。可计算或测量镜动态特征的扩散，并将不确定性区域设置得足够大，使初始光束可尽早点亮，避免该情形。

[0287] 图40示出了产生不确定性区域的位置和速度容差对不确定性区域尺寸的影响。曲线1100示出了作为与目标间距离函数的最大允许速度，使光束以最大减速速率在目标处将速度减小为零。名义目标点1104为束斑初始点亮的名义目标点。然而，初始位置1108的容差和速度容差1106清除了速度和距离不确定性的区域1110，因此，对于装置和计算容差而言，确定光束应被初始点亮的区域。在相反象限中的是具有速度容差1120和初始位置容差2223以及名义点1116的区域1118。对于更小的设计容差和更精确的计算，区域1112和1114描述了初始点亮之前更接近最大减速曲线的途径，以及较小的不确定性区域。

[0288] 图41示出了产生不确定性区域的位置容差和速度容差对不确定性区域尺寸的影响，其中光束轨迹不允许具有超调量，且点亮时光束具有限定的最小速度。曲线1130示出了作为与目标间距离函数的最大允许速度，使光束以最大减速度在目标处将速度减小为零。曲线1148和1132示出了点亮点处的最小速度。名义目标点1136位于区域1142内，名义目标点1154位于区域1158内。区域1146和1144表示计算更精确且设计容差更小，使得不确定性区域更小，并使初始点亮前的途径更靠近最大减速曲线。虽然图41的束斑需传播的距离比图40中束斑传播的距离远，但两者在点亮点处都保留了较大的最小残余前向速度，并因此可能更快地收敛到目标处，特别是当最小保持速度的设置允许光束在止动周期的较早时刻点亮时。然而，不确定性区域略有增大。

[0289] 图42示出了光束轨迹具有过冲但并未超出不确定性区域之外时，位置容差和速度容差的影响。曲线1160示出了作为与目标间距离函数的最大允许速度，使光束以最大减速速率在目标处将速度减小为零。名义目标点1170和1176实现中心对准，着屏位置和速度没有容差。存在区域1168和1178，和更小的区域1172和1174。初始点亮可在更接近目标的位置发生。然而，与目标镜之间的距离虽然一直是正值，但其可能相当小，不足以避免过冲。

[0290] 图40、41和42所示的途径在目标镜周围生成不确定性区域，其与光束是否从负(-X，-Y)方向或正(+X，+Y)方向接近有关，所述方向为各个目标镜产生四个不同的不确定性区域(+X和+Y，+X和–Y，-X和+Y，-X和–Y)。可替代地，不确定性区域可为上述区域的组合。在图42所示的示例中，此类组合会使不确定性区域的线性尺寸加倍，产生面积四倍大的区域，但对其的控制会稍有简化。

[0291] 图43示出了实施路线校正的方法一示例的流程图1190。步骤1198中，确定投射的斑路径是否经过目标。该操作基于当前束斑位置、速度和加速度、未来的短期光路、以及目标镜的坐标进行。若斑路径经过目标，则步骤1204中不会进行路线校正操作。若斑路径不经过目标，则步骤1202中确定校正的路线。

[0292] 同样地，步骤1196中，基于目标镜位置和当前束斑位置确定到目标的距离。其后，步骤1200中，确定束斑是否靠近减速曲线。该操作基于块1194中的最大减速曲线特征进行。若束斑靠近最大减速曲线，则步骤1208中沿最大减速曲线实施减速。若束斑不靠近最大减速曲线，则步骤1206中需要束斑继续加速。

[0293] 虽然本公开中提供了若干实施例，但应该理解的是，在不偏离本公开的精神和范围的情况下，所公开的系统和方法可体现为多种其他特定形式。应将当前示例视为做出说明而非予以限制，其目的并不限于给出的细节。例如，另一系统中可对多种要素或部件进行组合或集成，或者某些特征可省略或不予实施。

[0294] 另外，多个实施例中描述或示出的分离的或独立的技术、系统、子系统和方法可与其他系统、模块、技术或方法可组合或集成，而不偏离本公开的范围。图示或讨论的连接或直接连接或彼此通信的其他项目可通过某些接口、装置或中间部件，以电学、机械或其他方式间接连接或进行通信。本领域的技术人员可确定变化、替代和改变的其他示例，并可在不偏离本公开的精神和范围的情况下得到所述示例。

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