微软专利分享用于HoloLens 2 MEMS谐振扫描镜的驱动电路
驱动电路
（映维网Nweon 2022年02月22日）驱动电路是用来对控制电路信号进行放大的中间电路，亦即放大控制电路的信号，使其能够完成相关的驱动任务。在名为“Drive circuit for resonant mirror scanning system”的专利申请中，微软就介绍了用于HoloLens的MEMS谐振扫描镜的驱动电路。
发明主要介绍了一种包括包括谐振扫描镜系统和驱动电路的显示组件。其中，驱动电路配置为使用线性电感电容（LC）谐振驱动方案，并以谐振频率驱动谐振扫描镜系统。
图1是用户102佩戴的示例性头显100。头显100包括MEMS谐振扫描镜系统。图2是谐振扫描镜系统200的示例。谐振扫描镜系统200包括扫描镜202。垂直扫描和水平扫描通过围绕轴204、206转动扫描镜202的镜驱动元件进行控制。在所述示例中，第一反射镜驱动元件包括第一压电致动器208A和第二压电致动器208B，其可以通过谐波振荡在第一扫描方向驱动反射镜。所述扫描方向可称为快速扫描方向。对于快速扫描方向，反射镜以相对较高的频率以正弦方式扫描光束。
第二反射镜驱动元件包括第三压电致动器210A和第四压电致动器210B，其在与第一扫描方向正交的第二扫描方向驱动反射镜。所述扫描方向可以称为慢速扫描方向。对于慢扫描方向，可以通过具有齿状性质的控制信号来驱动反射镜。
用于快速扫描方向的第一和第二镜驱动元件208A、208B由180度异相正弦信号驱动。通过向各个驱动元件施加振荡交流（AC）电压，可以致使扫描镜202振荡，从而实现适当的扫描。基于在快速扫描方向以谐振扫描镜系统200的机械谐振频率驱动第一和第二驱动元件208a、208b，可以有效地获得和保持这种振荡。
驱动谐振扫描镜系统200所需的交流驱动电压可能显著高于头显100电池所能提供的最大直流（DC）电压。例如，交流驱动电压可能在30到100伏之间，而蓄电池提供的直流电压可能在3到10伏之间。所以，采用LC谐振驱动方案的扫描镜系统200可以获得高AC驱动电压，以便有效地驱动谐振扫描镜系统200。
图3是一个配置为以谐振频率驱动扫描镜系统200的示例驱动电路300。驱动电路300包括配置为输出DC源电压的电压源302。电压源302可以采用任何合适的形式，例如一个或多个电池。
驱动电路300包括第一信号源304和第二信号源308，第一信号源304配置为基于直流源电压（DC_SV）创建第一源信号306（SS1），第二信号源308配置为基于直流源电压创建第二源信号310（SS2）。第一和第二信号源304、308配置为致使第一源信号306与第二源信号310相差180度。例如，第一和第二信号源304、308可以配置成将由电压源302提供的DC功率转换为差分模式AC功率。
驱动电路300包括缓冲级312，其配置为接收第一源信号306和第二源信号310，并输出第一驱动信号314（DS1）和第二驱动信号316（DS2）。在所描绘的示例中，缓冲级312包括包括第一运算放大器318和第二运算放大器320。第一和第二运算放大器318、320包括单位增益放大器，其致使第一和第二驱动信号314、316与作为输入提供给缓冲级312的第一和第二源信号306、310有效地具有相同的电压。
驱动电路300包括第一谐振LC级322和第二谐振LC级324。第一谐振LC级322配置为放大第一驱动信号314以提供给谐振扫描镜系统200的镜驱动元件208a，第二谐振LC级324配置为放大第二驱动信号316以提供给镜驱动元件208b。
第一谐振LC级322配置为使用与谐振扫描镜系统200的第一寄生电容器332的电容C.PAR结合的电感，以在谐振扫描镜系统200的机械谐振频率下放大第一驱动信号314的差分AC电压。同样地，第二谐振LC级324配置为使用与谐振扫描镜系统200的第二寄生电容器334的电容C.PAR结合的电感，以在谐振扫描镜系统200的机械谐振频率下放大第二驱动信号316的差分AC电压。第一和第二寄生电容器332, 334代表谐振扫描镜系统200固有的电容C.Par。
第一谐振LC级322包括耦合电感器330的第一绕组326，第二谐振LC级324包括耦合电感器330的第二绕组328。
通过在驱动电路300中采用耦合电感器330，耦合电感器330的总体尺寸可以小于采用两个分立电感器的其他驱动电路配置的尺寸。
另外，由于第一和第二绕组之间的互感，耦合电感器330可以提供比分立电感器更大的电感。这样，第一和第二LC级322、324以谐振镜系统200的谐振频率有效地放大第一和第二驱动信号314、316。
第一和第二谐振LC级322、324的电感器和电容器可以具有任何合适的值，以将驱动信号放大到谐振扫描镜系统200的谐振频率。
图4是另一个示例驱动电路400。驱动电路400与驱动电路300的不同之处在于，第一谐振LC级322包括第一分立电感器402，第二谐振LC级324包括第二分立电感器404。这种分立电感器402、404可以与寄生电容器332、334一起工作，以在谐振扫描镜系统200的谐振频率下放大驱动信号314、316。与驱动电路300的耦合电感器330相比，分立电感器402、404的效率更低且尺寸更大，但除此之外，分立电感器402、404可以提供驱动信号314、316的适当放大，并适当地操作谐振扫描镜系统200。
图5是另一示例驱动电路500。驱动电路500与驱动电路300的不同之处在于，缓冲级312包括运算放大器，其不仅缓冲源信号306、310，而且提供增益，使得驱动信号314、316具有与源信号不同（例如更高）的电压。在这个示例中，缓冲级312包括包括第一运算放大器502和第二运算放大器504的同相运算放大器级。第一电阻器506电连接在第一运算放大器502的负输入端子和第一运算放大器502的输出端子之间。第二电阻器508电连接在第一运算放大器502的负输入端子和公共接地（或另一合适的基准）之间。第一和第二电阻器506、508在第一运算放大器502的非反相放大器端子之上形成简单的分压器，第一运算放大器502的电压增益基于第一和第二电阻器506、508的电阻值的比率来确定。第一和第二电阻器506、508可以具有任何合适的电阻值，以向第一源信号306提供任何合适的增益，从而生成第一驱动信号314。
另外，第三电阻器510电连接在第二运算放大器504的负输入端子和第二运算放大器504的输出端子之间。第四电阻器512电连接在第二运算放大器504的负输入端子和公共接地之间。第三和第四电阻器510、512在第二运算放大器504的非反相放大器端子之上形成简单的分压器，第二运算放大器504的电压增益基于第三和第四电阻器510、512的电阻值的比率来确定。第三和第四电阻器510、512可以具有任何合适的电阻值，以向第二源信号310提供任何合适的增益，从而生成第二驱动信号316。
图6示出了另一示例驱动电路600。驱动电路600与驱动电路300的不同之处在于，单个信号源602向缓冲级312提供单个源信号604。在所描绘的示例中，源信号604（SS）是正弦信号。缓冲级312包括单位增益同相放大器606，其配置为接收源信号604并输出第一驱动信号314。缓冲级312同时包括反转放大器608，其配置为反转信号，从而输出与同相放大器606的输出相差180度的信号。第一和第二电阻器610、612的电阻值可以配置为致使差分运算放大器608用单位增益反转源信号604，以生成与第一驱动信号314相差180度的第二驱动信号316。
图7是用于以谐振频率驱动谐振扫描镜系统的驱动信号的频率响应。例如，驱动信号可以由图4所示的任何驱动电路300、400、500和/或600生成。图700的横轴表示频率，图700的纵轴表示增益。具体而言，驱动信号的频率响应702由实线指示，驱动信号的相位704由虚线指示。
图8是用于驱动谐振扫描镜系统的源信号的瞬态响应。图800的横轴表示时间，而图800的纵轴表示源信号的峰间电压。具体而言，第一源信号802由实线表示，第二源信号804由虚线表示。注意，第一和第二源信号802、804是相对于彼此相差180度的正弦信号。
图9是用于驱动谐振扫描镜系统的驱动电路的差分源和驱动信号图示。例如，驱动信号可以由图4所示的任何驱动电路300、400、500和/或600生成。图800的横轴表示时间，图800的纵轴表示输入和输出信号的峰间电压。具体而言，差分输入信号902由虚线表示，差分输出信号904由实线表示。
图10是操作谐振扫描镜系统的示例方法1000。方法1000可由图3所示的驱动电路300、400、500和/或600中的任何一个执行。
作为示例。在1002，可以生成第一源信号和第二源信号，使得第一源信号和第二源信号相差180度。第一和第二源信号可以由一个或多个信号源生成，例如图3所示的第一和第二信号源304、308。在1004，将第一源信号和第二源信号输入到缓冲级，并从缓冲级输出第一驱动信号和第二驱动信号。例如，图3所示的缓冲级312可以缓冲第一和第二源信号306、310以输出第一和第二驱动信号314、316。在一个示例中，将第一源信号和第二源信号输入缓冲级包括将第一源信号和第二源信号输入单位增益级。
在1006，第一驱动信号经由第一谐振LC级以谐振镜的谐振频率放大。例如，第一驱动信号314可以由图3所示的第一谐振LC级322放大。在1008，第二驱动信号经由第二谐振LC级以谐振镜的谐振频率放大。例如，第二驱动信号314可由图3所示的第二谐振LC级324放大。
在一个示例中，可通过利用耦合电感器的第一绕组，经由第一谐振LC级以谐振镜的谐振频率放大第一驱动信号。同时，通过利用耦合电感器的第二绕组，经由第二谐振LC级以谐振镜的谐振频率放大第二驱动信号。在其他示例中，可以使用分立电感器。
在1010，向第一镜驱动元件提供第一驱动信号。例如，第一驱动信号可以提供给图2所示的谐振镜驱动系统200的第一驱动元件208。在1012，向第二镜驱动元件提供第二驱动信号。例如，可以将第二驱动信号提供给图2所示的谐振镜驱动系统200的第二驱动元件210。
微软指出，这种配置仅在谐振扫描镜系统的谐振频率处及其附近提升电压，所以比放大所有频率的电路更节能。另外，以这种方式控制交流电压有助于提高驱动电路的可靠性，因为驱动电路的电气部件暴露于高交流电压的频率较低。同时，专利描述的电路在尺寸方面可以小于先前的驱动电路，例如，驱动电路可以具有谐振LC级，其包括耦合电感器。耦合电感器配置为放大驱动信号以驱动谐振扫描镜系统的镜驱动元件。通过使用耦合电感器，相对于使用两个或更多分立电感器的驱动电路，可以减小驱动电路的尺寸。
相关专利：Microsoft Patent | Drive circuit for resonant mirror scanning system
名为“Drive circuit for resonant mirror scanning system”的微软专利申请最初在2020年7月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
