CN111610628A

CN111610628A - 单光纤扫描器

Info

Publication number: CN111610628A
Application number: CN202010499341.3A
Authority: CN
Inventors: 李裔; 孟彦龙; 裘燕青
Original assignee: Hangzhou Feibaisi Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Feibaisi Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2020-09-01

Abstract

本发明公开了单光纤扫描器，包括光纤、管、第一电极、第二电极、直流电源、致动器；第一电极固定在在光纤上，第二电极固定在管内壁；所述光纤进入管内，第一电极和第二电极分别连接到直流电源两端，使第一电极、第二电极、直流电源共同组成电容传感模块；致动器使光纤摆动，在光纤摆动的方向上、第一电极和/或第二电极具有唯一值用以确定电容参数的变化量，进而获得光纤尾端相对于管壁的偏移量。本发明中使用简单有效的电容传感来实现对光纤运动姿态和位置的精确测量，并将该信息反馈到后端的图像信号处理中，从而校正图像，对抗环境干扰。

Description

单光纤扫描器

技术领域

本发明涉及光学扫描技术领域，涉及一种单光纤扫描器。

背景技术

单光纤扫描器是一种利用致动器驱动单根光纤摆动的微型光电器件，可以用于微型投影、内窥镜和光学扫描探测等领域，其尺寸可以小至1mm的直径使其在医疗器械，便携式设备等领域有着广泛用途。

但其现存的主要问题是：光纤容易受到外界环境如温度、振动等因素影响时，光纤的运动姿态会偏离原有设定的路径，致使投影或摄取的图像发生畸变，从而影响其实现效果。

发明内容

本发明的目的是提供单光纤扫描器件，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

单光纤扫描器，包括光纤、管、第一电极、第二电极、直流电源、致动器。

第一电极固定在在光纤上，第二电极固定在管内壁；所述光纤进入管内，第一电极和第二电极分别连接到直流电源两端，使第一电极、第二电极、直流电源共同组成电容传感模块；

致动器使光纤摆动，在光纤摆动的方向上、第一电极和/或第二电极具有唯一值用以确定电容参数的变化量，进而获得光纤尾端相对于管壁的偏移量。

本发明中，第一电极、第二电极、直流电源共同组成电容传感模块；当我们施加信号，致动器开始振动让光纤摆动；光纤到管之间的距离是d，这时可以认为相对应的电极之间的距离d是变化的；那么两电极的外引线就相当于两个电容传感器的输入信号，再由于第一电极和第二电极中至少其中一个电极是唯一值；就可以根据电容数字转换器获得电容传感器的相应数据；进一步的获得光纤尾端的实时相对位置，可以用来校正致动器输入量和输出量之间的关系。

在本发明中致动器的具体形式不做限定，可以是压电陶瓷或是电磁致动等；根据实际的使用情况进行限定。

具体的三种结构如下：

所述第一电极为一个；第一电极包括第一金属腔和第一导线，第一金属腔包裹在光纤周向表面；第一金属腔与第一导线电连接；第二电极为多个，周向等分的安装在管内；所述多个第二电极彼此之间绝缘，从每一第二电极获取电容变化量。

在这里整条光纤表面都可以被第一金属腔包裹或是只有一部分不做限定。但是第一金属腔与光纤之间是需要紧密接触的，才能保证更贴近光纤的表面，可以更准确的获得光纤端部的姿态和位置信息。

这种设定是由于光纤直径非常小，不便于其他操作；由于第二电极彼此绝缘不导通，第一电极在第二电极中具有唯一对应关系，电容量改变发出的信号是可以有效区分的。

第二电极的设定可以均等的获得信号，优选的是所述第二电极数量为四个，由于单光纤扫描器在做扫描时候，摆动的方向不定，因此需要多个电容传感模块，综合判断。在这里设置四个第二电极，相当于四个电容传感模块，光纤的位置判定根据这四个电容值进行综合计算。

进一步的：所述第一金属腔为在光纤外表面的金属涂层。

这样设定还是由于主要是由于光纤尺寸小，其他金属腔体的形式不便加工，在这里为了简化结构，第一金属腔为在光纤表面的金属涂层。这里金属的种类以及涂层厚度不做限制，作为本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。

优选的：所述第一电极为多个，多个第一电极彼此绝缘，周向等分的安装在光纤表面；所述第二电极为一个，所述第二电极包括第二金属腔和第二导线，第二金属腔包裹在管内表面；第二金属腔与第二导线电连接；从每一第一电极获取电容变化量。

优选的：所述第二金属腔为金属涂层。这里当管为非金属材质时，为了简化第二电极的结构，可以这样设置。

优选的：所述管为金属管，第二金属腔为金属管本身。这样结构式最简单的。

在这里由于不确定光纤尾端在二维平面上的具体位置，为了便于配合将金属管设置为圆柱形管，这样光纤的摆动的任意方向都具有与其对应的电极以形成电容传感模块。

优选的：所述第一电极为多个，多个第一电极彼此绝缘，周向等分的安装在光纤表面；第二电极为多个，对应第一电极周向等分的安装在管内；所述多个第二电极彼此之间绝缘；从每一第一电极和/或第二电极获取电容变化量。

此种设置，可以从第一电极和第二电极中任意一个获取电容的变化量，根据实际的情况做连接。

在上述的结构中，由于本装置整体的尺寸很小，光纤本身更小。电极(第一电极和第二电极，尤其是第一电极)可以是金属涂层的形式展现，例如在光纤表面涂覆间断的金属涂层(以轴向画线的方式涂覆)，再在管或光纤最末端连接导线，这样可以简化结构。

进一步的：所述金属管的一端安装一透镜，所述金属管的另一端为光纤入口。

进一步的：所述致动器固定在管内。为了让结构更稳定和简单；致动器通过支架直接固定在第二金属腔内，结构简单，使用便利。

进一步的：所述致动器是压电陶瓷。使用简单、可靠。

进一步的：所述电容传感模块接入电容数字转换器。电容数字转换器的具体型号不做限定，根据实际使用的需要进行选择。

本发明的技术效果是：

本发明中在光纤扫描头的有限空间内，使用简单有效的电容传感来实现对光纤运动姿态和位置的精确测量，并将该信息反馈到后端的图像信号处理中，从而校正图像，对抗环境干扰。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的截面结构示意图；

图3是电容传感模块FDC2214电容数字转换器的电路结构示意图。

图4是实施例二结构示意图；

图5是图4的截面示意图；

图6是实施例三结构示意图；

图7是图6的截面示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

光纤1、管2、第一电极3、第二电极4、直流电源5、致动器6、透镜7。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，单光纤扫描器，包括光纤1、管2、第一电极3、第二电极4、直流电源5、致动器6。

所述第一电极为一个；第一电极包括第一金属腔和第一导线，第一金属腔包裹在光纤周向表面；第一金属腔与第一导线电连接；第二电极为多个，周向等分的安装在管内；所述多个第二电极彼此之间绝缘，所述第一电极和第二电极之间形成一对多的映射关系；从每一第二电极获取电容变化量。

在这里所述第一金属腔为金属涂层。

在这里第二电极可以是轴向连续、周向间断的金属涂层条；或是实际的电极片。

所述管为两端开口的圆柱形金属管。所述金属管的一端安装一透镜，所述金属管的另一端为光纤入口。

第一电极为第一金属腔的电极；第二电极为第二金属腔的电极；第二电极与第二金属腔之间绝缘；第二电极与第二金属腔之间绝缘(绝缘层6)；第二电极彼此之间绝缘。

第一电极和第二电极分别连接到直流电源两端；第一电极、第二电极、直流电源共同组成电容传感模块。

所述致动器固定在管内。所述致动器是压电陶瓷。致动器使光纤摆动，在光纤摆动的方向上、通过所述电容传感模块获得光纤尾端相对于第二金属腔壁的偏移量。

在某些实施例中，为了保证验证结果的准确性，所述第二电极数量为四个，在光纤周向四等分安装在第二金属腔内；相邻的两个第二电极之间绝缘。

图2是探头俯视截面图，能够观察到管内壁固定有四个第二电极，第二电极彼此之间绝缘，保证第二电极之间是不导通，这里可以直接用距离实现不导通，当两个第二电极比较靠近时可以直接增加绝缘层；当管是金属管时，可以增加与金属管之间的绝缘层。

在本发明中导线的走势无需限定，这是本领域技术人员的常识。

当对致动器8输入震动信号时候，在这里采用压电陶瓷(PZT)作为致动器；致动器开始振动，这时可以认为每对极板(电极)之间的距离d是变化的，那么两组引线就相当于两个传感器的输入信号，每一第二电极作为唯一值，是分别获取信号的，传给电容传感模块FDC2214电容数字转换器，电路图如图3所示(一种电容数字转换器的电路图；这里给出的是常见的一种电路图，可以根据实际的需要进行选择)。FDC2214的输出数据DATA与d呈线性相关，通过解析多个传感器的测量量就能解析出光纤尾端的姿态和位置等运动信息。

测量原理：

典型的电容传感模块如FDC2214电容数字转换器，其功能是能够求出传感信号的LC振荡器频率，并基于频率比值来测量电容，其计算公式如下：

其中，f_refx是参考时钟频率，f_sensorx是测得的实时频率(如下式所示)，DATA是输出信号。

再根据推导公式：

我们可以知道测量数据DATA只与平行板间距d相关。

综上，在本发明中提供了一种可以通过电容传感而获得光纤尾端摆动姿态和位置的装置，根据上述装置可以对致动器的输入信号进行校正，以及保证扫描结果。

实施例二

与实施例一正好相反，如图4、图5所示，在本某些实施例中，第一电极直接贴于光纤表面，或是轴向连续、周向间断的金属涂层；这样第一电极彼此之间绝缘；所述第二电极为第二金属腔(这里的金属腔可以是涂层或是金属管)与一条导电电连接形成。

通常来说由于光纤尺寸非常小，此种制造难度会略有增加；但其校正和检测原理以及结果都同实施例一，在此不做详细展开。

这里的第一电极和第二电极之间是多对一的关系；第一电极的值是可以唯一确定的。因此信号的获取也是准确、清晰的。

实施例三

在本实施例中，第一电极可以是普通的电极贴片，还可以是或是轴向连续、周向间断的金属涂层；第二电极同理；但是第一电极和第二电极需要彼此对应，第一电极和第二电极是一一对应的。如图6、图7所示。在管内，实现与实施例一和实施例二相同的校准和检测功能的，在此不做详细展开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.单光纤扫描器，其特征在于：包括光纤、管、第一电极、第二电极、直流电源、致动器；

第一电极固定在在光纤上，第二电极固定在管内壁；所述光纤进入管内，第一电极和

第二电极分别连接到直流电源两端，使第一电极、第二电极、直流电源共同组成电容传感模块；

2.根据权利要求1所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述第一电极为一个；第一电极包括第一金属腔和第一导线，第一金属腔包裹在光纤周向表面；第一金属腔与第一导线电连接；第二电极为多个，周向等分的安装在管内；所述多个第二电极彼此之间绝缘，从每一第二电极获取电容变化量。

3.根据权利要求2所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述第一金属腔为金属涂层。

4.根据权利要求1所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述第一电极为多个，多个第一电极彼此绝缘，周向等分的安装在光纤表面；所述第二电极为一个，所述第二电极包括第二金属腔和第二导线，第二金属腔包裹在管内表面；第二金属腔与第二导线电连接；从每一第一电极获取电容变化量。

5.根据权利要求4所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述第二金属腔为金属涂层。

6.根据权利要求4所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述管为金属管，第二金属腔为金属管本身。

7.根据权利要求1所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述第一电极为多个，多个第一电极彼此绝缘，周向等分的安装在光纤表面；第二电极为多个，对应第一电极周向等分的安装在管内；所述多个第二电极彼此之间绝缘；从每一第一电极和/或第二电极获取电容变化量。

8.根据权利要求1所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述管的一端安装一透镜，所述管的另一端为光纤入口。

9.根据权利要求1所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述致动器固定在管内。

10.根据权利要求1所述的单光纤扫描器，其特征在于：所述电容传感模块接入电容数字转换器。