CN102674232B - 双微镜旋转扫描器件 - Google Patents
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Abstract
一种双微镜旋转扫描器件，它包括微驱动器、平面弹簧、环形镜片和圆形镜片。微驱动器的输出端与平面弹簧的输入端相连，平面弹簧的输出端分别与环形镜片和圆形镜片的输入端相连；每个器件包括1个环形镜片、1个圆形镜片、8个平面弹簧和8个微驱动器，环形镜片和圆形镜片各与4个平面弹簧相连，每个平面弹簧与1个微驱动器相连；本发明基于目前现有材料和微加工工艺，可以获得90度的光学反射角度，并完成360度圆周扫描并且明显缩短了扫描器件的轴向长度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于旋转光学扫描的微机电系统器件，特别是基于双微镜组合的旋转扫描器件。
背景技术
微型旋转光学扫描器件在光学内窥成像领域有很重要的应用。集成有微型旋转光学扫描器件的成像探针可在人体各种直径的管道(如血管，消化道等)内完成360度圆周扫描，从而获得二维横截面图像或三维螺旋扫描图像。
通常，微型旋转光学扫描器件都采用基于压电或静电驱动原理的微型旋转电机。其直径一般为4-5mm左右，但其长度较长，严重影响其所在的成像探针的弯曲灵活性。为了克服其长度问题，世界上有些科研单位已研发了薄型超声波电机，但目前未见其大量应用；另一些研究组开发了采用硅微加工技术制造的扫描微镜，如新加坡Institute of Microelectronics的Janak Singh等开发的电热双轴扫描微镜(Journal of Micromechanics and Microengineering 18，025001，2008)及其在圆周扫描应用方面的探索(IEEE Journal of Selected Topicsin Quantum Electronics，Vol.15，Issue 6，pp.1432-1438，2009)。基于该小组的研究结果和材料学分析，电热双轴扫描微镜目前仍无法达到45度左右的机械偏转角度，因此不能完美地将入射光线弯折90度以垂直入射成像目标。
本发明提出一种双微镜旋转扫描器件，可以基于目前现有材料和微加工工艺解决上述问题，获得90度的光学反射角度，并完成360度圆周扫描。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双微镜旋转扫描器件，可以基于目前现有材料和微加工工艺，获得90度的光学反射角度，并完成360度圆周扫描。
为实现上述目的，本发明采用技术方案是：它包括微驱动器、平面弹簧、环形镜片和圆形镜片。微驱动器的输出端与平面弹簧的输入端相连，平面弹簧的输出端分别与环形镜片和圆形镜片的输入端相连；每个器件包括1个环形镜片、1个圆形镜片、8个平面弹簧和8个微驱动器，环形镜片和圆形镜片各与4个平面弹簧相连，每个平面弹簧与1个微驱动器相连；
所述的微驱动器采用微加工技术制成，基于电热驱动原理，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于将外部输入的电驱动信号通过双金属片效应转换为机械形变；
所述的平面弹簧采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅等组成，用于将微驱动器一端的位移传递给环形镜片和圆形镜片；
所述的环形镜片为环形，采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于反射经圆形镜片反射的入射光线，一面镀有高反射率镀层；
所述的圆形镜片为圆形，采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于反射直接入射的光线，与环形镜片反光面相对的表面镀有高反射率镀层；
本发明的工作原理是这样的：外部输入的电驱动信号，通常为特定频率正弦波波形，输入到不同微驱动器的电驱动信号具有固定的相位差，通常为90度；驱动电流使微驱动器内的金属或硅加热器产生热量，使微驱动器的温度上升。微驱动器为多层材料构成，不同的材料具有不同的热膨胀系数，因此随着温度上升，微驱动器会发生形变，向热膨胀系数较小的材料一侧弯曲。微驱动器的一端固定在硅片上，另一端通过平面弹簧连接在环形镜片和圆形镜片上。在不同相位的电驱动信号的作用下，各微驱动器按顺序交替发生形变，使环形镜片和圆形镜片抬起并指向覆盖360度的不同方向。由于环形镜片与圆形镜片的高反射率镀层相对，入射光线首先照射到圆形镜片中心，经圆形镜片反射到环形镜片上，再经环形镜片反射到成像目标。环形镜片和圆形镜片的抬起角度均为22.5度，因此入射光线经过两次反射后，与入射方向相比旋转了90度。因此，双微镜旋转扫描器件，可以获得90度的光学反射角度，并完成360度圆周扫描。
本发明由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
1、基于目前现有材料和微加工工艺，可以获得90度的光学反射角度，并完成360度圆周扫描；
2、明显缩短了扫描器件的轴向长度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为入射光束旋转90度示意图；
图3为4通道电驱动信号波形；
图4为镜片360度圆周扫描示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：如图1所示，它包括微驱动器1、平面弹簧2、环形镜片3和圆形镜片4。微驱动器1的输出端与平面弹簧2的输入端相连，平面弹簧2的输出端分别与环形镜片3和圆形镜片4的输入端相连；每个器件包括1个环形镜片3、1个圆形镜片4、8个平面弹簧2和8个微驱动器1，环形镜片3和圆形镜片4各与4个平面弹簧2相连，每个平面弹簧2与1个微驱动器1相连；
所述的微驱动器1采用微加工技术制成，基于电热驱动原理，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于将外部输入的电驱动信号通过双金属片效应转换为机械形变；
所述的平面弹簧2采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅等组成，用于将微驱动器1一端的位移传递给环形镜片3和圆形镜片4；
所述的环形镜片3为环形，采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于反射经圆形镜片4反射的入射光线，一面镀有高反射率镀层；
所述的圆形镜片4为圆形，采用微加工技术制成，由多层材料，如硅，二氧化硅，金属，金属氧化物等组成，用于反射直接入射的光线，与环形镜片3反光面相对的表面镀有高反射率镀层；
本发明的工作原理是这样的：外部输入的电驱动信号，使微驱动器1内的金属或硅加热器产生热量，使微驱动器1的温度上升。微驱动器1为多层材料构成，不同的材料具有不同的热膨胀系数，因此随着温度上升，微驱动器1会发生形变，向热膨胀系数较小的材料一侧弯曲。微驱动器1的一端固定在硅片上，另一端通过平面弹簧2连接在环形镜片3和圆形镜片4上。根据图2所示，由于环形镜片3与圆形镜片4的高反射率镀层相对，入射光线首先照射到圆形镜片4中心，经圆形镜片4反射到环形镜片3上，再经环形镜片3反射到成像目标。环形镜片3和圆形镜片4的抬起角度均为22.5度，因此入射光线经过两次反射后，与入射方向相比旋转了90度。根据图3-4所示，4通道电驱动信号通常为特定频率正弦波波形，输入到不同微驱动器1的电驱动信号具有固定的相位差，通常为90度；在不同相位的电驱动信号的作用下，各微驱动器1按顺序交替发生形变，使环形镜片3和圆形镜片4抬起并指向覆盖360度的不同方向。因此，入射光线经过圆形镜片和环形镜片2次反射后得90度的光学反射角度，并完成360度圆周扫描。
本发明所述的环形镜片和圆形镜片的机械偏转角度均为(0-45)度。
Claims (6)
1.一种双微镜旋转扫描器件，其特征在于：它包括1个环形镜片、1个圆形镜片、8个平面弹簧和8个微驱动器；所述环形镜片的输入端与4个平面弹簧的输出端相连；所述圆形镜片的输入端与另外4个平面弹簧的输出端相连；每个平面弹簧的输入端分别与每个微驱动器的输出端相连；所述环形镜片的反光面与所述圆形镜片的反光面相对，光线经由所述环形镜片的孔照射到所述圆形镜片中心，经所述圆形镜片反射到所述环形镜片上，再经所述环形镜片反射到成像目标。
2.如权利要求1所述的一种双微镜旋转扫描器件，其特征在于：所述的微驱动器采用微加工技术制成，基于电热驱动原理，由多层材料组成，其中多层材料包括硅，二氧化硅，金属和金属氧化物。
3.如权利要求1所述的一种双微镜旋转扫描器件，其特征在于：所述的环形镜片和圆形镜片的机械偏转角度均为0-45度。
4.如权利要求1所述的一种双微镜旋转扫描器件，其特征在于：所述的平面弹簧采用微加工技术制成，由多层材料组成，其中多层材料包括硅和二氧化硅。
5.如权利要求1所述的一种双微镜旋转扫描器件，其特征在于：所述的环形镜片为环形，采用微加工技术制成，由多层材料组成，其中多层材料包括硅，二氧化硅，金属和金属氧化物，与圆形镜片反光面相对的表面镀有高反射率镀层。
6.如权利要求1所述的一种双微镜旋转扫描器件，其特征在于：所述的圆形镜片为圆形，采用微加工技术制成，由多层材料组成，其中多层材料包括硅，二氧化硅，金属和金属氧化物，与环形镜片反光面相对的表面镀有高反射率镀层。
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