CN101923218A - 单光纤扫描微器件及制备方法和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单光纤扫描微器件及制备方法和控制方法，单光纤扫描微器件为四片压电陶瓷包裹一段未端去掉涂覆层光纤，将四片压电陶瓷块的两头粘在光纤周围并预留出一段裸光纤，四片陶瓷片形成一个四方腔体，在四片陶瓷片的外壁各自用锡焊接出导线，腔体上四片陶瓷片的内壁用导电胶导通并引出一根导线，水平方向两块相对的陶瓷片的导线相连，竖直方向两块相对的陶瓷片的导线相连。本发明制作的单光纤扫描微器件不但长度短、体积小、扫描重复性好，而且原材料易于获得、加工容易、制造成本低。这些优势让其在光学精密仪器以及临床内窥术等领域的照明和信号采集等装置上具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学扫描技术领域，涉及一种单光纤扫描微器件及制备方法和控制方法。
背景技术
基于微型扫描器件的光学仪器在工业探伤、微位移传感、医疗影像技术等领域具有重要应用前景。常用的光学扫描器件有：光学扫描振镜、微型旋转电机、微光机电系统、声光偏转器、多面棱镜转动系统和压电陶瓷等。在现有扫描器件中，光学扫描振镜和多面棱镜转动系统体积较大，不能内置于内窥探头之中。微型旋转电机只能进行侧向成像。微光机电系统制造工艺复杂，造价昂贵。声光偏转器体积较大，且偏转角度小。基于压电陶瓷的光扫描结构凭借着结构精简，无电磁辐射，无摩擦损耗等特点，获得广泛的关注。已有的压电扫描结构主要采用四分电极管和压电双晶片，两者均难以加工出微小尺寸。并且，四分电极管扫描器需要四路驱动电压，压电双晶片只能进行一维振动。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提出一种单光纤扫描微器件及制备方法和控制方法；本发明所述的单光纤扫描微器件是一种单根光纤前向二维扫描微器件。它不但长度短、体积小、扫描重复性好，而且原材料易于获得、加工容易、制造成本低。这些优势让其在光学精密仪器以及临床内窥术等领域的照明和信号采集等装置上具有良好的应用前景。本发明所述的单光纤扫描微器件的驱动方法，提供一种电压驱动控制方法，只需两路电压信号，能可靠地驱动扫描微器件进行二维扫描。
本发明的技术方案为：
单光纤扫描微器件，包括四片压电陶瓷和一段未端去掉涂覆层的光纤，其特征在于：四片压电陶瓷包裹一段未端去掉涂覆层光纤，将四片压电陶瓷块的两头粘在光纤周围并预留出一段裸光纤，四片陶瓷片形成一个四方腔体，在四片陶瓷片的外壁各自用锡焊接出导线，腔体上四片陶瓷片的内壁用导电胶导通并引出一根导线，水平方向两块相对的陶瓷片的导线相连，竖直方向两块相对的陶瓷片的导线相连。
扫描器水平方向两块相对的陶瓷片极化方向一致，扫描器竖直方向两块相对的陶瓷片极化方向一致。由于相对的陶瓷片极化方向一致，因此两者外壁加上同样电压的时候，产生电场方向相反。即，当相对的两片陶瓷片中一片的极化方向与电场方向一致时，另一片的极化方向与电场方向相反。由此实现了相对的两片陶瓷一片伸长一片缩短。该系统只需要一个驱动水平方向振动的信号源和一个驱动竖直方向振动的信号源总共两路信号即可实现二维扫描驱动。
所述的光纤为单模光纤、多模光纤或特种光纤。
所述的单光纤扫描微器件的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)、取双面镀有银电极层的压电陶瓷片四片；(2)、将一段单模光纤末端去掉一段涂覆层露出裸光纤，用光纤切割刀将光纤端面切割平整；(3)、将四片陶瓷围成腔体，将光纤和一根导线置于陶瓷腔体轴线处，并将光纤的裸露部分预留一段作为振动自由端；腔体远离裸光纤端用强力胶将光纤牢固粘接在四片压电陶瓷片间空隙处，裸光纤端也称光纤悬臂，腔体接近裸光纤端用导电胶固定并使导线与四片压电陶瓷内壁导通；(4)、在四片陶瓷片外壁分别用锡焊接出导线，相对壁面上引出的导线导通。
本发明所述的单光纤扫描微器件的分析方法，具体步骤包括：
一、创建几何模型及有限元模型
1)在ANSYS软件中按照实际尺寸创建几何模型，所述单光纤扫描微器件的几何模型包括七个体：一个圆柱体(光纤)、两个带孔长方体(导电胶和强力胶，中孔为光纤占据的空间)和四个长方体(四片压电陶瓷片)。
2)根据材料的特性设置属性参数，包括光纤、导电胶和强力胶的弹性模量、泊松比和密度，以及压电陶瓷片的密度、介电系数、压电矩阵和弹性系数矩阵。本发明所述的单光纤扫描微器件的分析方法为机-电耦合系统分析，在ANSYS中需选择能够进行耦合场分析的有限元单元类型。
3)采用映射方式进行网格划分。
二、设置边界条件和电压约束，进行结构动力学分析
三、结果分析：由结果可以确定，分析对象(单光纤扫描微器件)在一定的阻尼系数下，扫描范围可达到的范围。因此，可以选择不同结构的分析对象(单光纤扫描微器件)进行对比，选取最优结构。
本发明所述的单光纤扫描微器件的分析方法，具有如下特点：
一、完整地模拟系统的控制-响应特性。对于分析对象(单光纤扫描微器件)，施加电压约束(对应于控制驱动信号)即可得到动力学特性(包括扫描幅度、频率、轨迹等)，也就是说，该分析方法可以模拟仿真单光纤扫描微器件工作的过程中电-机耦合关系；
二、采用对称的方法建立二维扫描器模型，减少软件计算时间。首先建立扫描器的四分之一模型并划分，然后通过以XY平面和XZ平面为对称面的两次对称操作，产生完整扫描器模型的组成体。再通过对称面上节点的合并，将对称体结合在一起；
三、采用映射方式进行网格划分。对于带孔长方体的四分之一几何体，不能直接进行映射网格划分，可以对面进行“加”操作以减少围成体的面数从而满足映射网格划分条件。
四、适用于其它不同尺寸单光纤扫描微器件的分析。采用ansys参数化设计，各种尺寸参数可以作为命令的值域。参数值改变后，重新执行带参数的命令和操作将完成对新参数值的处理。
所述的单光纤扫描微器件的控制方法，其特征在于：在单光纤扫描微器件的水平方向加一个驱动水平方向振动的信号源和在单光纤扫描微器件的竖直方向加一个驱动竖直方向振动的信号源。所述的信号源采用正弦波调制的正弦波信号源，且竖直方向和水平方向的信号源的调制波相位相同、载波相差90°。
本发明所述的单光纤扫描微器件的控制方法，使用两路电压信号分别控制水平和竖直方向上的两对陶瓷片。相对的两片压电陶瓷片在同一时刻产生相同的伸长或缩短量，带动光纤悬臂产生位移。陶瓷片的振动频率在光纤悬臂的固有频率附近，由于共振的作用，陶瓷片在光纤悬臂基部的微小位移能够使得光纤悬臂末梢产生较大偏移，从而构成大范围的扫描。
本发明所述的单光纤扫描微器件的控制方法，具有如下特点：
一、利用共振原理得到大范围的扫描。当驱动电压加在一对电极上，相对的两片陶瓷片就会弯带动光纤弯曲。当正弦波的频率达到悬臂机械振动的共振频率时，光纤悬臂的振动频率达到最大。
二、只需要一个驱动水平方向振动的信号源和一个驱动竖直方向振动的信号源即可以实现二维扫描。当相对的陶瓷片外壁加上同样电压的时候，产生电场方向相反。由于相对的陶瓷片极化方向一致，因此当相对的两片陶瓷片中一片的极化方向与电场方向一致时，另一片的极化方向与电场方向相反。由此实现了相对的两片陶瓷一片伸长一片缩短。
三、适用于产生李萨茹扫描、螺旋扫描等不同的扫描模式。驱动信号采用正弦波调制的正弦波，随着驱动信号的反复变大变小，产生共振的光纤悬臂的振动幅度也随之改变，就能够得到螺旋扫描模式。两个方向上的驱动信号采用频率不相等的正弦信号(两个方向上的驱动信号均在光纤悬臂共振频率附近，以保证足够大的振幅)，就能够得到李萨茹扫描模式
本发明具有如下特点：
1、本发明利用四片压电陶瓷片包裹光纤悬臂的方式构成光纤二维扫描探头，简化了光纤扫描探头的结构，能够极大的缩小光纤扫描探头的尺寸，因此可以深入到活体体内作为内窥探头使用。
2、分析方法能够进行高精度的预测且能够充分地验证微器件在扫描过程中的动力学特性。
3、驱动方法利用光纤的谐振特性，增加了光纤的扫描范围。
4、相对的两片陶瓷片按照极化方向相反的方式安置，内壁同时接地、外壁接同一驱动信号即可实现在一个方向上的偏转(两片陶瓷一片伸长一片缩短)。也即，只需两路信号进行控制即可实现系统的驱动控制。
5、对悬臂光纤无特殊要求，容易与光纤化成像系统结合。
6、制作方法简单，成本低廉，利于推广。
附图说明
图1为单光纤扫描微器件三维结构示意图。
图2为单光纤扫描微器件结构侧视图。
图3为单光纤扫描微器件结构侧剖图。
图4为单光纤扫描微器件结构端面图。
图5为单光纤扫描微器件有限元分析流程图。
图6为单光纤扫描微器件网格划分图。
图7为单光纤扫描微器件应变分布云图。
图8为单光纤扫描微器件光纤末端中心幅频响应图。
图9为产生螺旋扫描的驱动信号形式示意图。
图10为螺旋扫描轨迹示意图。
图11为实际产生螺旋扫描轨迹图。
图12为产生李萨茹扫描的驱动信号形式示意图。
图13为李萨茹扫描轨迹示意图。
图14为实际产生李萨茹扫描轨迹图。
图15为利用单光纤扫描微器件构成内窥探头结构图。
图16为利用单光纤扫描微器件构成成像系统示意图。
图17为利用单光纤扫描微器件构成成像系统的成像结果图。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1、2、3、4所示，单光纤扫描微器件包括一段未端去掉涂覆层的光纤1和四片压电陶瓷2，其特征在于：四片压电陶瓷包裹一段未端去掉涂覆层光纤，将四片压电陶瓷块的两头粘在光纤周围并预留出一段裸光纤，四片陶瓷片形成一个四方腔体，在四片陶瓷片的外壁各自用锡焊3接出导线4，腔体上四片陶瓷片的内壁用导电胶5导通并引出一根导线，水平方向两块相对的陶瓷片的导线相连，竖直方向两块相对的陶瓷片的导线相连。
实施例一：单光纤扫描微器件的制作
此例中制作单光纤扫描微器件所用到的材料有：四片陶瓷细条、单模光纤、导电胶、强力胶、五根细导线。
1、取双面镀有银电极层的长度为8mm、宽度1.2mm、厚度0.5mm的压电陶瓷片四片；
2、将一段单模光纤末端去掉15mm涂覆层露出裸光纤，利用光纤切割刀将光纤端面切割平整，将光纤置于两片压电陶瓷片间空隙处，并预留10mm长度(共振频率约为1kHz)作为振动自由端；
3、四片陶瓷围成腔体，相对的两片压电陶瓷极化方向一致。将光纤和一根导线置于陶瓷腔体轴线处，腔体两端分别用导电胶5和强力胶6固定。
4、在四片陶瓷片外壁分别用锡焊3接出导线，相对壁面上引出的导线导通。
实施例二：单光纤扫描微器件的有限元分析
如图5、6、7、8所示，采用有限单元法对单光纤扫描微器件进行机-电耦合场下的结构动力学分析，分析结果能够高精度的预测且充分地验证微器件在扫描过程中的动力学特性。
本实施例实现的单光纤扫描微器件的有限元分析包括：
模态分析：分析结构的固有频率。为施加的驱动信号频率提供参考。
谐响应分析：获取扫描器在各个频率正弦波驱动信号下的扫描幅值。可以在不同的扫描需求下，确定需要施加的驱动信号；
瞬态分析：可以确定结构在承受任意的随时间变化载荷及其随意组合作用下的响应。用以确定单光纤扫描微器件进行螺旋模式扫描(驱动信号采用两路正弦波调制的正弦波，载波相差90°)时的动力学特性，以及进行李萨茹模式扫描(驱动信号采用两路不同频率正弦波)时的动力学特性。
本实施例取压电陶瓷尺寸为：8×1.25×0.5mm；强力胶尺寸为：1×1.25×1.25mm；导电胶尺寸为：1×1.25×1.25mm；光纤尺寸为：长18mm，半径0.125mm。
取光纤的弹性模量为7.38E+10；泊松比为0.4；密度为2.20E+03。
取强力胶的弹性模量为1.00E+10；泊松比0.38；密度为1.70E+03。
取导电胶的弹性模量为1.00E+11；泊松比3.30E-01；密度8.90E+03。
取质量阻尼系数α6.86；刚度阻尼β系数6.63E-06。
由结构动力学分析的结果可知，频率989.95Hz取时，光纤末端中心的位移达到峰值，当驱动信号电压幅值为100V，位移为0.101mm.
实施例三：单光纤扫描微器件的电压驱动控制
如同9、10、11所示，探头采用两路信号驱动。驱动信号采用正弦波调制的正弦波，可以进行螺旋模式扫描。载波频率为光纤悬臂的固有频率，调制波频率对应于扫描的帧速率。两路信号调制波相位相同、载波相差90°。如果陶瓷对在水平和数值两个方向上进行相同频率相同振幅相差90°的简谐振动，则光纤扫描轨迹为圆周。如果振幅以一定的频率反复变大变小，则可以得到螺旋线轨迹。扫描时1/4周期的被调制的正弦波对应于一帧图像(即由内到外的一次螺旋信号)，即一整个周期正弦的调制波对应于4条螺旋曲线(由内向外，或由外向内)。实际应用时，可以只取半个周期进行循环，其中在由内向外的螺旋线扫描时采集信号(对应于正弦波的前1/4周期)，由外向内的螺旋线用于返回到中心。
如同12、13、14所示，如果陶瓷对在两个方向上进行不同频率简谐振动，则光纤扫描轨迹为李萨茹图模式。光纤悬臂振动在固有频率处振幅最大，若驱动频率偏离固有频率，随着偏离程度增大振幅将迅速减小。如果只有很小的偏离，是可以得到扫描所需的较大振幅的，而且，两轴之间只需要较小的频率差，即可得到李萨茹图扫描轨迹。
实施例四：利用单光纤扫描微器件构成成像系统
首先利用单光纤扫描微器件构成内窥探头，如图15所示：
1.单光纤扫描微器件固定在环状固定基7上，固定基固定在探头金属管壁8上。自聚焦透镜9固定在探头末端金属管壁8上。
2.单光纤扫描微器件中的单模光纤悬臂1进行二维扫描。
3.探头外有保护层10，保护安置系统与探头之间连接部分的光纤和压电振子的电极线。保护层选用聚四氟乙烯管。聚四氟乙烯管具有优良的耐腐蚀性能和良好的刚性，并能耐冲击、振动和扭曲的特性。
4.不锈钢毛细管加工切割作为探头壁8。
再利用所得的内窥探头构成成像系统，如图16所示。
5.在光纤的非扫描端，采用氦氖激光器11作为扫描的照明光源，激光由一个10×、0.25NA的物镜12耦合到单模光纤中。
6.照明光经过单模光纤13传输，由内窥探头14将扫描光束15照射到样本16上。
7.通过半透半反镜镜17分离反射信号，并经由聚光透镜18用光电倍增管19采集。
8.如图17所示，将采集到的信号按照时序进行重排即可得到成像结果。
Claims (5)
1.单光纤扫描微器件，包括四片压电陶瓷和一段未端去掉涂覆层的光纤，其特征在于：四片压电陶瓷包裹一段未端去掉涂覆层光纤，将四片压电陶瓷块的两头粘在光纤周围并预留出一段裸光纤，四片陶瓷片形成一个四方腔体，在四片陶瓷片的外壁各自用锡焊接出导线，腔体上四片陶瓷片的内壁用导电胶导通并引出一根导线，水平方向两块相对的陶瓷片的导线相连，竖直方向两块相对的陶瓷片的导线相连。
2.根据权利要求1所述的单光纤扫描微器件，其特征在于：所述的光纤为单模光纤、多模光纤或特种光纤。
3.根据权利要求1所述的单光纤扫描微器件的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)、取双面镀有银电极层的压电陶瓷片四片；(2)、将一段单模光纤末端去掉一段涂覆层露出裸光纤，用光纤切割刀将光纤端面切割平整；(3)、将四片陶瓷围成腔体，将光纤和一根导线置于陶瓷腔体轴线处，并将光纤的裸露部分预留一段作为振动自由端；腔体远离裸光纤端用强力胶将光纤牢固粘接在四片压电陶瓷片间空隙处，腔体接近裸光纤端用导电胶固定并使导线与四片压电陶瓷内壁导通；(4)、在四片陶瓷片外壁分别用锡焊接出导线，相对壁面上引出的导线导通。
4.根据权利要求1所述的单光纤扫描微器件的控制方法，其特征在于：在单光纤扫描微器件的水平方向加一个驱动水平方向振动的信号源和在单光纤扫描微器件的竖直方向加一个驱动竖直方向振动的信号源。
5.根据权利要求4所述的单光纤扫描微器件的控制方法，其特征在于：所述的信号源采用正弦波调制的正弦波信号源，且竖直方向和水平方向的信号源的调制波相位相同、载波相差90°。
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