CN103901612A - 一种磁场力驱动的二维光束扫描器件 - Google Patents

Abstract

一种磁场力驱动的二维光束扫描器件，主要由包括外置磁铁、导电弹簧、支撑架、金属线圈、反射镜、位置传感器、阻尼胶、控制驱动电路构成，导电弹簧为金属线圈供电。导电弹簧支撑着支撑架，支撑架上固定着反射镜与金属线圈；多个电磁铁在外置磁铁中受到磁场力作用与导电弹簧的弹性力共同作用，驱动支撑架及反射镜产生平移、扭转等动作,控制驱动电路控制金属线圈电磁铁的强度和方向，使反射镜上下移动及左右前后扭转,实现二维扫描功能。该二维光束扫描器件结构简洁、控制方便，在成本、性能、尺寸等方面为光学扫描功能实现与应用提供更多选择，该二维光束扫描器件能够应用到投影、摄像、测量等领域中。

Description

一种磁场力驱动的二维光束扫描器件

技术领域

本发明涉及光线扫描领域，尤其涉及一种基于磁场力驱动的能够在二维方向上使光线进行扫描的器件。

背景技术

使一束或多束光线在二维方向上进行扫描，在光学领域中有着非常广泛的应用，如激光投影、测量、摄像等。目前实现这一功能多用电动机转台或者MEMS器件，其中电动机转台略失轻灵，而MEMS器件成品率还需进一步提高。这些不足从尺寸、成本及性能等方面限制了对光学扫描器件的选择应用。

发明内容

本发明主要目的在于一种结构简洁、控制方便的光束扫描器件，该扫描器件由控制驱动电路控制在多个方向上实现扭转，使照射到其上光束的反射光线能够在二维方向上扫描。

本发明的设计方案如下：

一种磁场力驱动的二维光束扫描器件，主要由包括外置磁铁、导电弹簧、支撑架、金属线圈、反射镜、位置传感器、阻尼胶、控制驱动电路构成，导电弹簧与支撑架上固定的金属线圈连接，为金属线圈供电。导电弹簧支撑着支撑架，其弹性力同时是支撑架运动的作用力之一；支撑架上固定着反射镜与金属线圈；金属线圈中通以不同强度与方向的电流，形成不同强度与极性的电磁铁；多个电磁铁在外置磁铁中受到磁场力作用，该力与导电弹簧的弹性力共同作用，驱动支撑架及反射镜产生平移、扭转等动作；控制驱动电路通过改变导电弹簧中的电流，控制金属线圈电磁铁的强度和方向，使反射镜上下移动及左右前后扭转；扭转运动能够改变照射到其上光线的反射镜光线的出射方向，使反射光线在前后、左右两个角度上都能进行扫描，从而实现二维扫描功能；位置传感器测量出扫描出射光线的位置，反馈给驱动控制电路，驱动控制电路根据测量信息，调节金属线圈电流，使扫描器件位于更精确的位置上。外置磁铁采用永磁铁，它与支撑架保持一定距离，该距离保证支撑架正常工作时，不与外置磁铁接触；在保证互不接触前提条件下，该距离应尽可能小。金属线圈固定在支撑架上，金属线圈通电后形成电磁铁，该电磁铁受到外置磁铁磁场的作用力。导电弹簧固定在支撑架上，且在固定位置涂附有阻尼胶，能够改善其动力性能。位置传感器两个极板分别安装在外置磁铁与导电弹簧间。位置传感器采用电容式位置传感器或采用光学式位置传感器，光学式位置传感器采用位置敏感器件PSD（Position Sensitive Device）和图像传感器件CCD/CMOS。

出射扫描光线的光路上安装有分光棱镜，部分扫描光线被分光棱镜反射到光学式位置传感器上，其出射角度就被光学式位置传感器测量出来，驱动控制电路根据该位置信号，调节金属线圈驱动电流的强度与方向，从而调节支撑架及出射扫描光线到更精确的位置。

出射扫描光线的光路上安装有半透半反镜，部分扫描光线被半透半反镜反射到光学式位置传感器上，其出射角度就被光学式位置传感器测量出来，控制驱动电路根据该位置信号，调节金属线圈驱动电流的强度与方向，从而调节支撑架及出射扫描光线到更精确的位置。

本发明的有益效果如下：

该二维光束扫描器件结构简洁、控制方便，在成本、性能、尺寸等方面为光学扫描功能实现与应用提供更多选择，该二维光束扫描器件能够应用到投影、摄像、测量等领域中。

 

附图说明

图１．扫描器件基本结构　

金属线圈１０１０、导电弹簧１０２０、外置磁铁１０３０、反射镜１０４０、支撑架１０５０

图２．导电弹簧的不同形状

图３．线圈形成的电磁铁

图４．螺旋型导电弹簧

图５．直线型导电弹簧

图６　外置磁场及磁力

４个线圈１０２０Ａ、１０２０Ｂ、１０２０Ｃ、１０２０Ｄ、１０２０Ａ

 图７．电容式位置传感器

电容式位置传感器１０９０

图８．带电容式位置传感器的扫描器件

 图９．分束棱镜式位置传感器

       　 分束棱镜２０１０、光点位置传感器３０１０

图１０．半透半反镜式位置传感器

       　　半透半反镜２０２０

具体实施方式：

　　 如图１所示，该磁场力驱动的二维光束扫描器件主要由导电弹簧1010、金属线圈1020、外置磁铁1030、反射镜1040、支撑架1050及控制驱动电路4000组成。导电弹簧支撑着支撑架、为支撑架上的金属线圈供电，其变形时的弹性力也是支撑架运动的作用力之一；支撑架上固定着反射镜与金属线圈；金属线圈上通以不同强度与方向的电流，形成极性与强度不同的电磁铁；多个电磁铁受到外置磁铁的磁场力与导电弹簧的弹性力相互作用，驱动支撑架及其上的反射镜产生平移、扭转等动作；控制驱动电路控制导电弹簧上的驱动电流，进而控制了线圈上电磁铁的强度和方向，使得反射镜上下移动及左右前后扭转；光线照射到反射镜表面，其反射光线角随着反射镜的扭转而变化，由于反射镜可以在两个角度方向上扭转，反射光线就可以在两个方向上扫描，实现二维扫描功能。

支撑架及其上零件的重量完全由导电弹簧支撑，其运动摩擦阻力只有空气阻力，运动阻力很小，可以实现快速响应；因此金属线圈不需要提供大的驱动力，从而减小了金属线圈的体积与重量。

工作时，控制驱动电路通过导电弹簧向金属线圈提供方向与大小不同的电流，形成电磁铁；在外置磁场作用下，电磁铁受磁场力，带动支撑架及反射镜运动；多个电磁铁受力的大小和方向都不相同，其组合作用就使支撑架及反射镜发生相应的平移及扭转；支撑架在磁场力作用下扭转或平移，引起导电弹簧形变；导电弹簧的弹性力与磁场力共同作用，使支撑架能够稳定到一定的位置上；在控制驱动电路作用下，反射镜的角度以从左到右、从上到下的顺序逐次偏转，使照射光束的反射光束产生相应的扫描动作，达到光束扫描效果。

对各个线圈提供方向与大小不同的电流，各个线圈形成方向与大小不一样的电磁铁，各个线圈电磁铁与导电弹簧相互作用后的平衡位置就不一样，从而实现了扫描位置的单一性控制。

为提高支撑架扫描位置的精度，可采用两种方式对支撑架的位置进行反馈控制。一种是采用位置传感器测量支撑架的位置状态：位置传感器测量出支撑架上特定点的位置，并将测量信号反馈给控制驱动电路，控制驱动电路根据反馈信号，与预先设定的信号进行比较后，通过改变线圈的电流强度，改变电磁铁磁场的大小，从而调整支撑架到设定的位置。

另一种采用光路上的传感器，使用光学位置传感器，直接测量反射的扫描光束的方向和位置，根据该光束的实际位置，对线圈中通过的电流进行反馈调节。

 

扫描器件的具体实施方案如下：

导电弹簧支撑着支撑架为线圈供电、其弹性力也是支撑架运动的作用力。使用1根弹簧就可使支撑架具有前后偏转、左右偏转及上下移动三个自由度。由于导电弹簧要形成电流回流为金属线圈供电，故需使用多根导电弹簧。在本发明中，1组独立金属线圈对应2组导电弹簧，采用2组金属线圈需4根导电弹簧，同理，采用4组独立金属线圈需要采用8根导电弹簧，其它的情况以些类推。

导电弹簧可以采用螺旋形，也可以采用具有一定弹性力的直线或其它曲线形状。为改善整个支撑架的动力性能，除导电弹簧外，在导电弹簧上增加其它部分，如阻尼胶、配重等等，能够改善导电弹簧的动力性能。如图２所示。

反射镜用以将照射在其上的光束反射出去，根据需要，它采用平面或曲面。反射镜的材料根据需要反射的光线的波长的不同，采用银、铝、硅等金属或非金属材料。

金属线圈主要用以形成电磁铁，作为支撑架动作时的驱动部件。根据反射镜需要自由度的不同，可使用不同数量的线圈－电磁铁。本发明以４个线圈、４个电磁铁为例来介绍该线圈的结构。线圈的数量与相应的外置磁场相配合，会有数量及缠绕方式的不同。

如图３所示：４个线圈缠绕在支撑架上，形成４个独立的线圈组，需要８根导电弹簧对其供电。

线圈在支撑架上的缠绕方式还有其它方面的不同，如图４的螺旋型与图５的直线型。

外置磁场用与同线圈形成的电磁铁的磁场作用，以驱动支撑架的运动。外置磁场的设计需要同线圈相配合。对应于上图４个线圈的缠绕方式，本发明采用如下磁场配置方式。

如图６所示，在支撑架的下方放置有磁铁，其S极朝向支撑架方向。四个线圈编号分别为１０２０Ａ、１０２０Ｂ、１０２０Ｃ、１０２０Ｄ，１０２０Ａ号线圈通以逆时针方向电流而１０２０Ｃ号通以顺时针方向电流时，其形成的电磁铁在固定磁铁磁场的作用下，１０２０Ａ号线圈受到背向于外置磁铁的磁场力，而１０２０Ｃ号线圈朝向外围磁铁。反射镜在这两个线圈的带动下，就会发生左右扭转。

同理对１０２０Ｂ号线圈和１０２０Ｄ号线圈通以类似的电流，就会使反射镜发生前后扭转。

左右扭转与前后扭转相互独立进行，就使反射镜可以在左右、前后两个方向上均进行扫描，也就实现了两个维度上的扫描。

使１０２０Ａ与１０２０Ｃ号线圈绕向相反，在电路上相连接；同时使１０２０Ｂ与１０２０Ｄ号线圈绕向相反，在电路上连接。就使４个独立线圈成为２个独立线圈，这样用４根导电弹簧、两组独立线圈就实现了左右、前后两个方向上的扫描。

位置传感器用以测量扫描光线的位置，并把此位置信息反馈给控制电路。控制电路将此信息进行比较，就可以确定支撑架位置的精确度，进而通过控制电路输出反馈电流，调节扫描光线的出射方向到更精确的角度上。

采用位置传感器测量支撑架的相对位置的方式确定扫描角度的精确度。

图７为使用电容式位置传感器测量支撑架上４个点相对于外置磁铁相对距离，进而通过此相对距离计算支撑架相对位置的方式。在下图的示例中，４个电容式传感器分别测量该支撑架４个点的位置，经过计算就得出支撑架的位置。图８为电容式传感器使用时的细图。

图９为采用直接测量反射的扫描光线出射角度以对扫描器件的位置进行反馈调节的方式。

该方案的实现需要有一束光束照射到反射镜１０４０上，在反射光线的光路上添加一个分束棱镜２０１０，将部分光束反射到旁边的光点位置传感器３０１０上。这样，光束出射的相对位置就可通过此测量光束在此光点位置传感器上的相对位置而得出。

光点位置传感器上的位置信息反馈回主控电路，主控电路就可以得知反射镜的偏转位置是否到位，并可以通过改变支撑架上线圈上电流，进而调整反射镜的位置，使光束照射到更精确的位置上。

该光点位置传感器采用位置敏感器件PSD，该入射光束能够采用可见光，也可以是PSD更为敏感的红外光线。

除使用分束棱镜外，也能够在光路中添加半透半反镜的形式改变光路，如图１０，并通过光位置敏感器件测量该反射光线的位置。

该方案的实现需要有一束光束照射到反射镜１０４０上，该光束经反射镜反射后出射，在反射光线的出射光路上添加一个半透半反镜２０２０，将部分光束反射到旁边的光点位置传感器３０１０上。这样，光束出射的相对位置就可通过此测量光束在此光点位置传感器上的相对位置而得出。

光点位置传感器上的位置信息反馈回主控电路，主控电路就可以得知反射镜的偏转位置是否到位，并可以通过改变支撑架上线圈上电流，进而调整反射镜的位置，使光束照射到更精确的位置上。

实例１

如图１所示，扫描器件由反射镜１０４０、支撑架１０５０、金属线圈１０２０、控制驱动电路４０００、导电弹簧１０１０、外置磁铁１０３０、导线１０７０、支撑结构１０８０组成。

导电弹簧支撑着支撑架、为支撑架上的金属线圈供电，其变形时的弹性力也是支撑架运动的作用力之一；支撑架上固定着反射镜与金属线圈；金属线圈上通以不同强度与方向的电流，形成极性与强度不同的电磁铁；多个电磁铁受到外置磁铁的磁场力与导电弹簧的弹性力，带动支撑架及其上的反射镜产生平移、扭转等动作；控制电路控制导电弹簧上的驱动电流，进而控制了线圈上电磁铁的强度和方向，就使得反射镜上下移动及左右前后扭转；光线照射到反射镜表面，其反射光线的反射角随着反射镜的扭转而变化，由于反射镜可以在两个角度方向上扭转，反射光线就可以在两个方向上扫描，实现二维扫描功能

导电弹簧由螺旋形金属线圈构成，多根导电弹簧工作在线性区，其固定在支撑结构上，提供与导电弹簧形变方向相反的作用力。导电弹簧与外界导线及金属线圈有着电路上的连接，控制电路通过导线及金属线圈将电流输入到金属线圈上，该电流的方向与强度不同，与之相连接的金属线圈所形成电磁铁的强度与方向就不相同。

外置磁场用与同线圈形成的电磁铁的磁场作用，以驱动支撑架的运动。外置磁场的设计需要同线圈相配合。对应于上图４个线圈的缠绕方式，本发明采用如下磁场配置方式。

如图６，在支撑架的下方放置有磁铁，其S极朝向支撑架方向。四个线圈编号分别为１０２０Ａ、１０２０Ｂ、１０２０Ｃ、１０２０Ｄ，１０２０Ａ号线圈通以逆时针方向电流而１０２０Ｃ号通以顺时针方向电流时，其形成的电磁铁在固定磁铁磁场的作用下，１０２０Ａ号线圈受到背向于外置磁铁的磁场力，而１０２０Ｃ号线圈朝向外围磁铁。反射镜在这两个线圈的带动下，就会发生左右扭转。

同理对１０２０Ｂ号线圈和１０２０Ｄ号线圈通以类似的电流，就会使反射镜发生前后扭转。

左右扭转与前后扭转相互独立进行，就使反射镜可以在左右、前后两个方向上均进行扫描，也就实现了两个维度上的扫描。

２组电磁铁及４根导电弹簧就足以完成本扫描器件在两个方向上的扭转，为控制方便，并增强系统的稳定性，本实现方式采取８根导电弹簧与４组金属线圈的形式。在控制电路作用下，可生成极性、强度各异的４组电磁铁，具有更高的可控性。

工作时，控制电路通过导电弹簧向金属线圈提供方向与大小不同的电流，形成电磁铁；在外置磁场的作用下，电磁铁受磁场力，带动支撑架及平面镜运动；多个电磁铁受力的大小和方向都不相同，其组合作用就使支撑架及平面镜发生相应的平移及扭转；支撑架在磁场力作用下扭转或平移，引起导电弹簧形变；导电弹簧的弹性力与磁场力共同作用，根据驱动电流的不同，就使支撑架能够稳定到一定的位置上；在控制电路作用下，平面镜的角度以从左到右、从上到下的顺序逐次偏转，就使照射到它上面的光束的反射光束产生相应的扫描动作，达到光束扫描的效果。

 

实施例２

与实例１的不同之处在于，实例２的支撑架与外置磁铁之间有４个电容式距离传感器１０９０，该电容式距离传感器分别测量出其安装位置上支撑架１０５０与支撑结构１０８０间的距离，通过计算就能求出支撑架与支撑结构的相对位置；控制电路通过测量出的位置，调节输出到金属线圈的电流的极性与强度，再反馈调节就使反射镜置于更精确的位置上。如图７所示。

实施例３

       实施例３与实施例１的不同之处在于，扫描器件出射光线的光路上具有分束棱镜２０１０，如图９所示，能够将部分出射光反射到旁边的光电式位置敏感器件３０１０上。分束棱镜、光电式位置敏感器件、扫描器件的支撑结构之间具有特定的位置关系。通过测量照射到光电式位置敏感器件上光线的位置，就能够确定反射光线的确切位置，控制电路得到该位置，再反馈调节金属线圈上电流的强度与大小，就调节了电磁铁的极性与强度，就调节反射镜处理更高精度的位置上。

实施例４

实施例４与实施例３的不同之处在于，扫描器件出射光线的光路上具有半透半反镜２０２０，如图１０所示，能够将部分出射光反射到旁边的光电式位置敏感器件３０１０上。半透半反镜、光电式位置敏感器件、扫描器件的支撑结构之间具有特定的位置关系。通过测量照射到光电式位置敏感器件上光线的位置，就，通过直接测量出射扫描光束的位置，控制电路得到该位置，再反馈调节金属线圈上电流的强度与大小，就调节了电磁铁的极性与强度，就调节反射镜处理更高精度的位置上。

Claims (4)

1.一种磁场力驱动的二维光束扫描器件，主要由包括外置磁铁、导电弹簧、支撑架、金属线圈、反射镜、位置传感器、阻尼胶、控制驱动电路构成，其特征是：

导电弹簧与支撑架上固定的金属线圈连接，为金属线圈供电；导电弹簧支撑着支撑架，其弹性力同时是支撑架运动的作用力之一；支撑架上固定着反射镜与金属线圈；金属线圈中通以不同强度与方向的电流，形成不同强度与极性的电磁铁；多个电磁铁在外置磁铁中受到磁场力作用，该力与导电弹簧的弹性力共同作用，驱动支撑架及反射镜产生平移、扭转等动作；控制驱动电路通过改变导电弹簧中的电流，控制金属线圈电磁铁的强度和方向，使反射镜上下移动及左右前后扭转；扭转运动能够改变照射到其上光线的反射镜光线的出射方向，使反射光线在前后、左右两个角度上都能进行扫描，从而实现二维扫描功能；位置传感器测量出扫描出射光线的位置，反馈给驱动控制电路，驱动控制电路根据测量信息，调节金属线圈电流，使扫描器件位于更精确的位置上。

2. 如权利要求１所述的一种磁场力驱动的二维光束扫描器件，其特征是：外置磁铁与支撑架保持一定距离，该距离保证支撑架正常工作时，不与外置磁铁接触；在保证互不接触前提条件下，该距离应尽可能小。

3.如权利要求１所述的一种磁场力驱动的二维光束扫描器件，其特征是：金属线圈固定在支撑架上，金属线圈通电后形成电磁铁，该电磁铁受到外置磁铁磁场的作用力。

4.如权利要求１所述的一种磁场力驱动的二维光束扫描器件，其特征是：导电弹簧固定在支撑架上，且在固定位置涂附有阻尼胶，能够改善其动力性能。

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