CN101995658A - 振镜扫描器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振镜扫描器。该振镜扫描器包括：机械支撑单元，其与光学元件的远端接合。该光学元件的近端连接到旋转电动马达的输出轴。该机械支撑单元保持光学元件的旋转轴线与旋转电动马达的旋转轴线的对准。

Description

振镜扫描器

技术领域

本发明总体上涉及通过反射物反射光束，更具体地涉及在振镜扫描器(galvanometer scanner)中使用稳定的旋转光学元件。

背景技术

如图1所示，常规振镜扫描器通常包括电动马达110，电动马达110具有附接到反射光学元件120的输出轴111。传感器130检测该输出轴的旋转角。传感器的输出信号与轴的旋转角成比例。

由于为了动态平衡而将光学元件的质量中心与旋转轴线对准非常困难，因而由于扫描运动围绕该轴的X轴线旋转，从而扫描运动可以引起沿Y轴线和Z轴线的有害的振动，对于高速光学扫描应用尤其如此。

因此，希望使光学元件在其旋转时稳定。

发明内容

根据本发明的振镜扫描器包括：机械支撑单元，其与光学元件的远端接合。该光学元件的近端连接到旋转电动马达的输出轴。机械支撑单元保持光学元件的旋转轴线与旋转电动马达的旋转轴线的对准。

附图说明

图1是现有技术振镜扫描器的示意图；

图2是根据本发明实施方式的包括机械支撑单元(MSU)的振镜扫描器的示意图；

图3是机械支撑单元与扫描仪的旋转轴线之间的对准误差的示意图；

图4是作为刚度的函数的弯曲模式的图；

图5是扭转模式的简化模型的示意图；

图6是弯曲模式的模型的示意图；

图7是根据本发明实施方式的轴承支撑结构的立体图；和

图8是光学元件的机械安装工具(mechanical mount)的立体图。

具体实施方式

图2示出了根据实施方式的振镜扫描器。该扫描仪包括旋转电动马达210，旋转电动马达210具有附接到光学元件220的近端的输出轴211。该光学元件可以是反射光的反射镜、使光偏振的波片(waveplate)、或者使光透射或折射反射的透镜。

光学元件的远端与机械支撑单元(MSU)250接合。该MSU相对于电动马达的X轴线是固定的。MSU限制光学元件沿Y轴线和Z轴线的移位，同时允许旋转。因此，显著地降低了光学元件的机械振动，这使得与常规的不受限制的振镜扫描器相比具有更高的定位精度。

传感器230检测角速度231，该角速度231被输出到控制器240。

基准生成模块260生成针对控制器的基准信号261。该控制器生成针对驱动器270的控制信号241。该驱动器生成电动马达的输入信号271。该驱动器还为控制器提供反馈信号272。

图6示出了弯曲模式(bending mode)(如沿Y轴线的运动)的简化模型。本发明使用的光学元件的振动为

$M\stackrel{\·\·}{y}+(K_b+K_{{\mathrm{MSU}}_y})y=0$

其中M是弯曲模式模态惯量610，y是光学元件在y方向上的位移，K_b是弯曲模式模型刚度，K_MSUy是MSU在y方向上的刚度，并且“...”表示二阶导数。弯曲模式的谐振频率为

${\mathrm{\ω}}_b=\sqrt{\frac{K_b+K_{{\mathrm{MSU}}_y}}{M}}.$

如图4所示，弯曲模式谐振频率随着K_MSUy增加而增加。

弯曲模式较少受到扫描运动(即围绕X轴线的旋转)的影响，因此，提高了光束222的扫描精度或定位精度。类似的分析和结论可以针对在Z方向上的振动做出。

图5示出了扭转模式(torsional mode)的简化模型。

$J_{\mathrm{mt}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{mt}}+{\mathrm{K\θ}}_{\mathrm{mt}}=K{\mathrm{\θ}}_o$

$J_o{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_o+K{\mathrm{\θ}}_o=K{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mt}}$

其中J_mt是电动马达的惯量，J₀是光学元件的惯量，θ是旋转的角度，K是扭转模式的刚度。扭转模式的谐振频率为

${\mathrm{\ω}}_t=\sqrt{\frac{K(J_{\mathrm{mt}}+J_o)}{J_{\mathrm{mt}}{J}_o}}.$

对于第一级的分析，添加的旋转惯量(即MSU围绕X轴线的惯量)可以添加到上述等式中的J₀。因此，有利于尽可能小地保持MSU的旋转惯量。这将尽可能高地保持扭转模式的谐振频率(即围绕X轴线的振动模式的谐振频率)。

对准

由于实际的限制，电动马达的旋转轴线与光学元件的旋转轴线之间可能对位不良(misalignment)，如图3所示，针对X-Y平面，z为Z方向上的位移对位不良，而y为围绕Y轴线的角度对位不良。类似的对位不良可能出现在y方向上，y和z为围绕Z轴线的角度对位不良。

刚度与对位不良之间的折衷

在x、y和z方向上MSU的机械刚度、这些方向上的机械振动的降低和由于对位不良导致的围绕X轴线的旋转的阻力之间进行折衷。较高的刚度增加了在y和z方向上弯曲模式中的机械谐振频率，但是由于对位不良而使在MSU处的反作用力和扭矩变大。因此，应该出于该折衷而设计该MSU。

图4示出了Y轴线中的弯曲谐振频率的增加与在y方向上的MSU刚度的关系。

优选的实施方式

如图7和图8所示，机械支撑单元(MSU)250包括支撑结构700和机械安装工具800，机械安装工具800与光学元件220的远端接合。轴承710将该机械安装工具的轴810与机械支撑结构700接合。

该MSU降低了光学元件220在x、y和z方向上的位移，以及围绕Y和Z轴线的旋转，同时允许围绕X轴线的旋转。该支撑结构容纳轴承系统并且允许轴承相对于旋转轴线在优选位置布置。

如图8所示，机械安装工具800用于将光学元件220与机械支撑单元接合。拧入轴810的远端的螺丝820在轴上(从而在光学元件上)提供了优选负荷。通过胶水或粘合剂，将光学元件附接到机械底座。该机械安装工具被设计为有助于提供如图4所示的优选的机械刚度。

尽管通过优选实施方式描述了本发明，但应理解的是，在本发明的精神和范围内可以做出各种其他改变和变型。因此，所附的权利要求的目的是覆盖落入本发明的真正精神和范围内的全部这样的变型和改变。

Claims (9)

1.一种振镜扫描器，该振镜扫描器包括：

机械支撑单元(700)，其与光学元件(220)的远端接合，其中所述光学元件(220)的近端连接到旋转电动马达(210)的输出轴(211)，其中所述机械支撑单元(700)保持所述光学元件(220)的旋转轴线与所述旋转电动马达(210)的旋转轴线的对准。

2.根据权利要求1所述的振镜扫描器，其中所述光学元件(220)是反射镜、波片或透镜。

3.根据权利要求1所述的振镜扫描器，其中所述机械支撑单元(700)相对于所述旋转电动马达(210)的旋转轴线X轴线是固定的，并且限制所述光学元件(220)在旋转时沿Y轴线和Z轴线的位移。

4.根据权利要求3所述的振镜扫描器，其中所述光学元件(220)的振动为

$M\stackrel{\·\·}{y}+(K_b+K_{{\mathrm{MSU}}_y})y=0,$

其中M是弯曲模式模态惯量，y是所述光学元件(220)沿所述Y轴线的位移，K_b是弯曲模式模型刚度，K_MSUy是所述机械支撑单元(700)沿所述Y轴线的刚度，并且“...”表示相对于时间的二阶导数。

5.根据权利要求4所述的振镜扫描器，其中所述弯曲模式的谐振频率为

${\mathrm{\ω}}_b=\sqrt{\frac{K_b+K_{{\mathrm{MSU}}_y}}{M}}.$

6.根据权利要求1所述的振镜扫描器，其中扭转模式为

$J_{\mathrm{mt}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{mt}}+{\mathrm{K\θ}}_{\mathrm{mt}}=K{\mathrm{\θ}}_o,$

$J_o{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_o+K{\mathrm{\θ}}_o=K{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mt}}$

其中J_mt是所述旋转电动马达(210)的惯量，J₀是所述光学元件(220)的惯量，θ是旋转的角度，K是所述扭转模式的刚度，“...”表示相对于时间的二阶导数。

7.根据权利要求6所述的振镜扫描器，其中所述扭转模式的谐振频率为

${\mathrm{\ω}}_t=\sqrt{\frac{K(J_{\mathrm{mt}}+J_o)}{J_{\mathrm{mt}}{J}_o}}.$

8.根据权利要求3所述的振镜扫描器，其中在所述机械支撑单元(700)沿所述X轴线、Y轴线和Z轴线的机械刚度、沿这些轴线机械振动的衰减和由于对位不良导致的绕X轴线的旋转的阻力之间存在折衷。

9.根据权利要求1所述的振镜扫描器，该振镜扫描器还包括：

轴(810)，其被配置为将所述光学元件(220)的所述远端与所述机械支撑单元(700)的轴承(710)接合；以及

螺钉(820)，其被拧入所述轴(810)的远端，以在所述光学元件(220)上提供期望的载荷。

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