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用于消除MEMS器件中扰动的系统和方法。该系统(200)包括MEMS器件(203)，所述MEMS器件(203)可包括基底(205)和多个单独可移动的MEMS元件(203－1至203－N)以及控制组件(207)。光学系统(200)可用于和/或形成使用MEMS器件阵列的任何光学设备的一部分。控制组件(207)使用前馈控制信号来消除MEMS器件(203)中的扰动，并且更具体地说，消除由切换或移动反射镜引起的MEMS器件(203)的非切换或静止反射镜中的扰动。

1.  一种光学系统，包含：
MEMS器件，包括单独可移动的多个元件；以及
控制组件，与所述MEMS器件通信耦合并且向所述多个元件提供控制信号用于移动所述元件，其中所述控制信号包括传递至基本消除了由移动元件引起的扰动的某些元件的前馈信号。

2.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述多个元件包含微反射镜。

3.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述多个元件被布置成一维阵列。

4.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述多个元件被布置成二维阵列。

5.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述多个元件的每一个围绕至少一个轴可旋转。

6.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述多个元件的每一个围绕两个或多个轴可旋转。

7.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述控制信号包含指令所述元件中相应旋转角的DAC电压值。

8.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述某些元件包含非移动元件。

9.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述某些元件包含与移动元件的每一侧相邻的预定数量的元件。

10.  如权利要求9所述的光学系统，其中所述预定数量的元件是基于MEMS器件的物理属性的。

11.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述控制组件按照下列方程向非移动元件提供前馈控制信号：
               u_j＝∑-a_jk·Δu_k·g(·)，
其中元件k是移动元件，u_j是传递至非移动元件j的前馈控制信号，a_jk是从元件k至元件j的耦合系数，Δu_k是终值和起始值之间的差，以及g(·)是表征非移动元件中扰动的规范化函数。

12.  如权利要求11所述的光学系统，其中求和是对所有k进行的，其中k是移动元件的索引并且a_kk＝0。

13.  如权利要求12所述的光学系统，其中|j-k|＞N时a_jk＝0。

14.  如权利要求1所述的光学系统，其中所述控制组件按照下列方程向非移动元件提供前馈控制信号：
                   u＝A·Δu_k·g(·)，
其中u是传递至非移动元件的前馈控制信号，A是自移动至非移动元件的耦合系数矩阵，Δu_k是终值和起始值之间的差，以及g(·)是表征非移动元件中扰动的规范化函数。

15.  一种用于消除MEMS反射镜阵列中扰动的光学设备，所述MEMS反射镜是单独可切换的，所述设备包含：
控制器，与所述MEMS反射镜通信耦合并且向某些反射镜传递前馈信号，有效地基本消除了由切换反射镜引起的扰动。

16.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述反射镜被布置成一维阵列。

17.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述反射镜被布置成二维阵列。

18.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述反射镜的每一个围绕至少一个轴可枢轴转动。

19.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述反射镜的每一个围绕两个或多个轴可枢轴转动。

20.  如权利要求15所述的光学设备，其中控制器还适于提供控制信号以此切换MEMS反射镜。

21.  如权利要求20所述的光学设备，其中所述控制信号包含指令所述反射镜中相应角度的DAC电压值。

22.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述某些反射镜是非切换反射镜。

23.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述某些反射镜包含与切换反射镜的每一侧相邻的预定数量的反射镜。

24.  如权利要求23所述的光学设备，其中所述预定数量的反射镜是基于MEMS反射镜的物理属性的。

25.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述控制器按照下列方程向非切换反射镜提供前馈信号：
                 u_j＝∑-a_jk·Δu_k·g(·)，
其中元件k是切换反射镜，u_j是传递至非切换反射镜j的前馈控制信号，a_jk是从反射镜k至反射镜j的耦合系数，Δu_k是终值和起始值之间的差，以及g(·)是表征非切换反射镜中扰动的规范化函数。

26.  如权利要求24所述的光学设备，其中求和是对所有k进行的，其中k是切换反射镜的索引并且a_kk＝0。

27.  如权利要求26所述的光学设备，其中|j-k|＞N时a_jk＝0。

28.  如权利要求15所述的光学设备，其中所述控制器按照下列方程向非切换反射镜提供前馈信号：
                   u＝A·Δu_k·g(·)，
其中u是传递至非切换反射镜的前馈控制信号，A是自切换至非切换反射镜的耦合系数矩阵，Δu_k是终值和起始值之间的差，以及g(·)是表征非切换反射镜中扰动的规范化函数。

29.  一种消除包括多个元件的MEMS器件中扰动的方法，所述多个元件是单独可移动的，所述方法包含：
向所述MEMS器件中的一个或多个元件提供前馈信号，所述前馈信号有效地基本消除了由所述MEMS器件中的移动元件引起的扰动。

30.  如权利要求29所述的方法，其中所述元件包含微反射镜。

31.  如权利要求29所述的方法，其中一个或多个元件是非移动元件。

32.  如权利要求29所述的方法，其中所述一个或多个元件包含与移动元件的每一侧相邻的预定数量的元件。

33.  如权利要求32所述的方法，其中所述预定数量的元件是基于MEMS器件的物理属性的。

34.  如权利要求29所述的方法，其中所述控制组件按照下列方程向非移动元件提供前馈控制信号：
                u_j＝∑-a_jk·Δu_k·g(·)，
其中元件k是移动元件，u_j是传递至非移动元件j的前馈控制信号，a_jk是从元件k至元件j的耦合系数，Δu_k是终值和起始值之间的差，以及g(·)是表征非移动元件中扰动的规范化函数。

35.  如权利要求34所述的方法，其中求和是对所有k进行的，其中k是移动元件的索引并且a_kk＝0。

36.  如权利要求35所述的方法，其中|j-k|＞N时a_jk＝0。

37.  如权利要求29所述的方法，其中所述控制组件按照下列方程向非移动元件提供前馈控制信号：
                u＝A·Δu_k·g(·)，
其中u是传递至非移动元件的前馈控制信号，A是自移动至非移动元件的耦合系数矩阵，Δu_k是终值和起始值之间的差，以及g(·)是表征非移动元件中扰动的规范化函数。

用于消除MEMS器件中扰动的系统和方法
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)。更具体地说，本发明涉及用于消除MEMS器件(如MEMS反射镜阵列)中扰动的系统和方法。
背景技术
MEMS器件(如MEMS反射镜)在各种光学应用中是有效的，包括高速扫描和光学切换。图1示出的是现有技术的光学系统，其使用MEMS反射镜阵列将来自输入光纤的光耦合至输出光纤。尤其是，图1描述了波长分离路由选择(WSR)设备100，该设备100包括光纤准直器110阵列、波长-分离器、射束聚焦器和MEMS器件103，所述光纤准直器110提供一个或多个输入和输出端口(如端口110-1至110-N)，所述波长-分离器在一种形式上可以是衍射光栅101，所述射束聚焦器为聚焦透镜102的形式，所述MEMS器件103可以是微反射镜阵列。
在操作过程中，多波长光学信号自一个或多个输入端口出现，如端口110-1。衍射光栅101按角度将多波长光学信号分离成多光谱通道。每个光谱通道可以表示不同中心波长(如λi)和相关的带宽，并且如同在WDM光学网络应用中一样可以携带唯一的信息信号。聚焦透镜102使光谱通道聚焦成相应聚焦光斑的空间阵列(图1中未示出)。通道微反射镜103依照由光谱通道形成的空间阵列来定位，以使每个通道微反射镜接受光谱通道的其中一个。通道微反射镜103可以是单独可控的和可移动的，例如在模拟(或连续)控制下是可绕轴旋转的(或是可旋转的)，以使在反射时光谱通道被引入所选择的作为聚焦透镜102和衍射光栅101的其中若干输出端口(如端口110-2至110-N)。如此，MEMS器件103可用来选择性地耦合该系统的输入和输出端口之间的光谱通道。系统100还可包括四分之一波片104，在两次穿过四分之一波片104时其导致每个光谱通道经历总的近90度旋转的偏振。使用MEMS器件阵列(如微反射镜)的光学系统的这个和其他示例在美国专利Nos.6,687,431、6,661,948、6,625,346和6,549,699中进行了描述，上述专利被转让给本受让人并且通过引用而结合在此。
在使用MEMS器件的光学系统中，如图1所示的系统，在MEMS器件内切换单个元件可导致相邻元件中的扰动。例如，在MEMS阵列内切换反射镜发现可导致与同阵列中其他反射镜的空气动力耦合，这可扰乱打算保持静止的反射镜。已经试图消除非切换或静止反射镜中的这种扰动。这些努力集中于选择控制策略以此将被切换的反射镜的微扰效应降至最小。例如，以前的工作包含为切换反射镜设计最佳轨迹，结合系统动力学知识，以便于将扰动降至最小。Tremaine的美国专利No.5,668,680讨论了一种这样的解决办法。其他的努力包括减缓切换反射镜的运动，优化电压与产生反射镜运动的时间曲线，以及提供反射镜之间的机械阻断。
本发明提供一种消除MEMS器件中扰动的系统和方法，其以阻止微扰的方式控制MEMS器件中的非切换元件。
发明内容
本发明提供了用于消除MEMS器件中扰动的方法和系统。本发明利用前馈控制策略来控制MEMS器件中的非切换元件，有效地消除由器件中的切换元件引起的微扰。在一个实施例中，MEMS器件可以是MEMS反射镜阵列并且控制策略可以使用传统控制器来实现。
按照本发明的一个方面，提供了光学系统。光学系统包括MEMS器件和控制组件，所述MEMS器件包括多个元件，这些元件是单独可移动的，所述控制组件通信耦合至MEMS器件并且向多个元件提供控制信号用于移动元件，其中所述控制信号包括传递至某些元件的前馈信号，其基本上消除了由移动元件引起的扰动。
按照本发明的另一个方面，提供了用于消除MEMS反射镜阵列中扰动的光学设备，所述的MEMS反射镜是单独可切换的。该设备包括控制器，所述控制器通信耦合至MEMS反射镜并且将前馈信号传递至某些反射镜，有效地基本消除由切换反射镜引起的扰动。
按照本发明的另一个方面，提供了用于消除MEMS器件中扰动的方法，所述的MEMS器件包括多个单独可移动的元件。该方法包括向MEMS器件中的一个或多个元件提供前馈信号，所述前馈信号有效地基本消除了由MEMS器件中的移动元件引起的扰动。
根据下列附图以及详细的描述将会更好地理解本发明的新颖特征以及发明本身。
附图说明
图1是按照现有技术的使用MEMS器件阵列的光学设备的示意图。
图2是说明按照本发明的包括MEMS器件阵列的光学设备的示意图。
图3是说明光学系统中反射镜角度和存在于相应的输出端口或准直器处的光耦合之间关系的典型的光学耦合曲线。
图4说明了可与本发明一起使用的DAC分布的示例。
图5说明了包括未利用本发明的MEMS器件的传统光学系统中的光学扰动。
图6说明了包括利用本发明的MEMS器件的光学系统中的光学扰动。
具体实施方式
现在将参考附图对本发明进行详细描述，所述附图是作为本发明的说明示例来提供的以便使本领域的技术人员能够实施本发明。值得注意的是，正如对本邻域的普通技术人员来说将是显而易见的，本发明某些元件的实现可使用软件、硬件、固件或任何其中的组合来完成，并且附图和下面的示例不打算限制本发明的范围。在利用已知部件可能部分地或全部实现本发明的某些元件之处，只对理解本发明所必需的这种已知部件的部分进行描述，并且省略了这种已知部件的其他部分的详细描述以便不会模糊本发明。本发明的优选实施例在附图中进行了说明，相同的数字用来指各种附图的相同的和相应的部分。
此外，表示下面图形中代表光谱通道的光束仅仅是出于说明目的而示出的。例如，它们的尺寸和形状未按比例绘制。还应当注意的是，在说明书中，下标i可假定为介于1和N之间的任何整数值。
图2描述的是按照本发明的光学系统200的局部视图。光学系统200包括MEMS器件203，其可包括基底205和多个单独可移动的MEMS元件203-1至203-N以及控制组件207。光学系统200可以用于和/或形成使用MEMS器件阵列的任何光学设备的一部分，例如图1所示的设备或受让人的任何上面列示的专利中所描述的设备。在一个实施例中，MEMS元件203-1至203-N包含微反射镜(如硅微加工反射镜)，类似于在图1所示的光学系统100中使用的微反射镜。在其他实施例中，MEMS器件203可包括任何类型的可枢轴转动的、可旋转的、可切换的和/或可移动的光学元件。此外，任何数目的通道微反射镜可以包括在阵列中，并且可对应于光学系统中光谱通道的数目。
微反射镜203-1至203-N可以被布置成沿着x-轴的一维阵列，并且可位于光学设备中以便一一对应地接收空间分离的光谱通道的聚焦光斑。虽然图2所示的微反射镜是线性反射镜阵列，本发明还可用于二维反射镜阵列或矩阵。每个微反射镜的反射表面如图中所定义的那样位于x-y平面并且是围绕在x方向延伸的滚动轴212和在y方向延伸的俯仰轴214可移动的，比如是可枢轴转动的(或是可偏斜的)。在模拟和/或数字控制下，反射镜可以是以连续的方式可枢轴转动的。每个光谱通道在反射时可相对于其入射方向在x和y方向上被偏转，以便于被引导进入光学系统中的输出端口(如图1所示的系统100中的端口110-2)。图3说明了反射镜的角度和反射束与光学系统中相应输出光纤的光耦合之间的关系。尽管微反射镜阵列203说明了具有两个旋转轴的MEMS反射镜，但是本发明可用于具有任何数量旋转轴的MEMS反射镜。此外，虽然本实施例的描述与静电MEMS反射镜有关，但是本发明还可用于利用其他致动方法(如音圈电动机或静磁学)的MEMS反射镜。
在一个实施例中，控制组件207包括在所存储的程序控制下的传统的基于微处理器的控制器操作。控制器可包括引导控制组件207操作的DSP固件和FPGA器件。在其他实施例中，其他类型的硬件、软件和/或固件可用来实现本发明。控制组件207提供一组反射镜-控制信号(如电压信号U₁至U_N)，控制微反射镜203-1至203-N的移动。利用DAC电压值可切换微反射镜以此指令相应的旋转角度。举例来说，图2中的虚线方框220说明了微反射镜203-i的示意侧视图。在方框220中，微反射镜经历了反射镜-控制信号U_i，并且因此以绕轴旋转角θ_i围绕x轴枢轴旋转(由纸平面指向外)。
这些反射镜控制信号(如DAC值)是控制变量并且将由线性阵列中第k个反射镜的符号u_k来表示。反射镜上的扰动可作为以dBm测得的功率电平中的微扰通过光学方式来观测。然而，在本实施例中作为输出变量考虑的扰动是反射镜位移角θ_k，即使它是通过功率电平间接观测到的。
在操作过程中，控制组件207使用前馈控制信号来消除MEMS器件203中的扰动，并且更具体地说，消除MEMS器件203的非切换或静止反射镜中的扰动。控制组件207将控制信号提供给以规范化轮廓线f(·)切换或移动的反射镜(“切换的反射镜”)，其使相邻反射镜(如相对紧邻切换反射镜的反射镜)中的耦合降至最小。尤其是，控制组件207适于利用控制u_k在θ_k的任何两个位置之间移动反射镜k，同时借助于对u_j的前馈控制使θ_j中瞬时响应降至最小，其中j≠k。为了实施这种功能，控制组件207操作如下。如果终值和起始值之间的差被表示为Δu_k，则对切换反射镜的控制是u_k＝Δu_k·f(·)。尽管扰动被降至最小，相邻反射镜具有可用规范化函数g(·)表征的剩余扰动。
实验工作以及流体动力计算已经表明MEMS器件中相邻反射镜上的扰动与切换反射镜速度以及切换旋转角度成比例。此外，液流的动力学方程在具有恒定气体密度的层流范围内是适当的。雷诺数以及克努森数小于1。这些结果建议该系统是线性的并且可应用叠加。利用线性和叠加假定，剩余扰动可写成由u_j＝a_jk·Δu_k·g(·)给出的控制u_j中的等效扰动，其中a_jk被定义为从反射镜k至反射镜j的耦合系数。控制组件207提供了前馈控制策略，以此利用消除来自第k个反射镜的扰动的附加控制u_j＝-a_jk·Δu_k·g(·)抵消等效扰动控制。第j个反射镜的总前馈控制是所有切换反射镜的总和，