Advanced digital control of resonant MEMS mirrors for AR displays

Abstract

Augmented reality (AR) represents a transformative technology that promises the dynamic intersection of the physical and virtual world and reshapes the way we perceive and interact with our environment. Use cases range from entertainment and education to industrial and automotive applications. One of the most promising devices that enable this innovation are micro electromechanical mirrors (MEMS mirrors). These tiny, yet highly precise mirrors enable a wide range of applications that require precise control of light beams, such as light detection and ranging (LIDAR) systems and AR devices.In this thesis, MEMS mirror controllers are investigated regarding their performance to suppress the influence of external vibration, following an extended automotive standard. Initially, a 1D resonant MEMS mirror is identified through measurements, and three distinct phase locked loop (PLL) controllers are developed. The designed LQG controller and the H∞ controller both reach an optical pointing uncertainty of 11 millidegree, which is an improvement by a factor of 2 compared to a simple PI controller. Additionally, controllers for the synchronization of two individual MEMS mirrors are developed. The direct correction PLL (DCPLL) is proposed as an alternative to the conventional synchronization controller implemented on top of the PLL, resolving the competition between the synchronization controller and PLL. The DCPLL not only allows for a much simpler controller design but also reduces the synchronization error under vibration influence, thereby improving the uniformity of the Lissajous pattern. The PID-based DCPLL reduces the synchronization error by 29 %. By using model based design approaches such as LQG and H∞ the synchronization error is reduced by 42% and 35 %, respectively.Finally, the developed synchronization techniques are also tested on a 2D MEMS mirror. The 2D MEMS mirror contains additional challenges due to the coupling and crosstalk between its two axes. With these challenges addressed, the synchronization controllers are applied to the 2D MEMS mirror. The PID-based DCPLL reduces the synchronization error by 31 %, and the LQG-based DCPLL achieves a reduction by 46 %. This thesis demonstrates that innovative synchronization structures and model-based design approaches can improve the robustness against external vibrations. This allows the utilization of MEMS mirrors under harsh environmental conditions, enabling reliable MEMS-based optical scanning for both LIDAR applications and AR devices.

Erweiterte Realität (AR) repräsentiert eine Technologie an der Schnittstelle zwischen der physischen und virtuellen Welt, die die Art und Weise, wie wir unsere Umgebung wahrnehmen und damit interagieren, neu gestaltet. Die Anwendungsfälle reichen von Unterhaltung und Bildung bis hin zu industriellen und automobilen Anwendungen. Eines der vielversprechendsten Geräte, die diese Innovation ermöglichen, sind mikroelektro-mechanische Spiegel. Diese winzigen, hochpräzisen MEMS-Spiegel ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen, die eine präzise Steuerung von Lichtstrahlen erfordern, wie zum Beispiel LIDAR-Systeme und AR-Geräte. In dieser Arbeit werden MEMS-Spiegelregler in Bezug auf ihre Fähigkeit zur Unterdrückung von externen Vibrationseinflüssen auf Projektionssysteme untersucht. Angefangen mit der Identifikation eines resonanten 1D MEMS-Spiegels werden drei verschiedene Phasenregelschleifen entworfen. Ein modellbasierter LQG-Entwurf und ein H∞-basierter Regler erreichen beide eine Auflösung von 12 Milligrad in einer Vibrationsumgebung entsprechend einer Erweiterung eines Automobilstandards, was einer Verbesserung um 50% gegenüber einem einfachen PI Reglers entspricht. Anschließend werden Regler zur Synchronisation von zwei individuellen MEMS-Spiegeln entwickelt. Die Direct Correction PLL (DCPLL) wird als Alternative zur herkömmlichen Reglerstruktur vorgeschlagen, die den gegenseitigen Einfluss beider Regler entfernt. Das erlaubt nicht nur einen einfachere Reglerentwurf, sondern verbessert auch die Gleichförmigkeit der Lissajous-Figuren. Eine PID-basierte Version reduziert den Synchronizationsfehler um 29% und modellbasierte Methoden, wie LQG oder H∞ Regelungen, erreichen eine Verbesserung um 42% bzw. 35 %.Schließlich werden die entwickelten Synchronisationstechniken auch auf einen 2D-MEMS Spiegel getestet. Der 2D-MEMS-Spiegel birgt zusätzliche Herausforderungen aufgrund der Kopplung und des Übersprechens zwischen den beiden Achsen des MEMS-Spiegels. Nach deren Lösen werden die Synchronisationscontroller auch auf den 2D-MEMS-Spiegel angewendet. Die PID-basierte Version reduziert den Synchronizationsfehler um 31% und eine LQG-basierte DCPLL erreicht eine Verbesserung um 46 %. Diese Arbeit zeigt, dass innovative Synchronisationsstrukturen und modellbasierte Entwurfsansätze die Robustheit gegenüber externen Vibrationen verbessern können, was ein zuverlässiges optisches Scannen für LIDAR-Anwendungen und AR-Geräte ermöglicht.