CN112444962A - 一种光纤结构、光纤扫描器 - Google Patents

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    • G02B6/46—Processes or apparatus adapted for installing or repairing optical fibres or optical cables

Abstract

本发明公开了一种光纤结构及采用该光纤结构的光纤扫描器，所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，固定部分用于固定在光纤扫描器的致动器上，悬臂部分超出致动器形成光纤悬臂；悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，缓冲部分位于主悬臂段和固定部分之间，缓冲部分的光纤形状与前后光纤形成形状差，缓冲部分包括一个或多个缓冲段。可有效减小光纤悬臂摆动时，固定部分承受的应力。

Description

一种光纤结构、光纤扫描器
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种光纤结构及采用该光纤结构的光纤扫描器。
背景技术
光纤是一种重要的光波导器件，应用光纤对光源出射光进行导向或收集光纤端的图像信息是光纤应用的两个重要方面，比如医疗用内窥镜系统、激光投影系统等。通过将光纤与具有振动特性的压电器件整合，实现光纤的振动扫描是光纤应用的一个重要突破。发展至今，市场上也涌现出许多基于这一理念实现的光纤扫描系统。目前，基于光纤的扫描器件多采用具有可控振动器件与光纤进行绑定制备而成，例如压电陶瓷片、压电陶瓷柱以及压电陶瓷管等。所有这类可控振动器件大都具有独立的结构，因而与光纤组合成具有扫描功能的系统多采用器件之间粘合等工艺来实现系统组装，粘接剂以环氧树脂类胶水居多。但光纤摆动时，光纤根部所受到的应力较大，对粘接剂的要求较高。光纤长时间摆动，胶水粘接部会出现脱胶、胶开裂等情况，造成器件稳定性较差。
参见图1，为现有技术光纤扫描器结构示意图，光纤分为固定段和悬臂段，悬臂段包括柱形段51和圆台段52，固定段通过粘接剂固定在致动器4上，在光纤悬臂摆动时，表面应力对应图参见图2。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤结构及采用该光纤结构的光纤扫描器，解决光纤摆动时，根部所受应力大造成粘接胶水开裂等问题，可有效提高器件稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种光纤结构，用于光纤扫描器中作为扫描光纤，所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，固定部分用于固定在光纤扫描器的致动器上，悬臂部分超出致动器形成光纤悬臂；悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，缓冲部分位于主悬臂段和固定部分之间，缓冲部分的光纤形状与前后光纤形成形状差，缓冲部分包括一个或多个缓冲段。
优选的，所述缓冲段为圆台状，主悬臂段与缓冲部分的连接处夹角大于90°小于180°。
优选的，缓冲部分包括多个缓冲段时，从固定部分往悬臂部分方向，各圆台状缓冲段的直径逐级减小。
优选的，每个缓冲段光纤为表面内凹弧形状，或表面外凸弧形。
优选的，所述主悬臂段光纤从固定端到自由端的直径逐渐减小。
优选的，所述主悬臂段光纤包括圆柱部分和圆台部分，圆柱部分位于缓冲部分与圆台部分之间，圆台部分从固定端到自由端直径逐渐减小。
相应的，本发明还提供了一种光纤扫描器，包括致动器和光纤，所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，固定部分固定在致动器上，悬臂部分超出致动器形成光纤悬臂；悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，缓冲部分位于主悬臂段和固定部分之间；缓冲部分的光纤形状与前后光纤形成形状差，缓冲部分包括一个或多个缓冲段。
优选的，所述光纤的固定部分通过粘接剂固定在致动器上。
优选的，所述主悬臂段光纤从固定端到自由端的直径逐渐减小。
优选的，所述主悬臂段光纤包括圆柱部分和圆台部分，圆柱部分位于缓冲部分与圆台部分之间，圆台部分从固定端到自由端直径逐渐减小。
优选的，所述缓冲段为圆台状，主悬臂段与缓冲部分的连接处夹角大于90°小于180°。
优选的，缓冲部分包括多个缓冲段时，从固定部分往悬臂部分方向，各圆台状缓冲段的直径逐级减小。
优选的，每个缓冲段光纤为表面内凹弧形状，或表面外凸弧形。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
光纤悬臂主要由氧、硅原子及少量掺杂原子通过共价键紧密结合在一起形成的晶体结构，结构性质稳定，相对于通过胶粘剂与其他物体粘接的胶粘部分，导致断裂的应力极限更大，因此，同样的应力条件下，断裂失效更易发生在光纤悬臂和扫描驱动器的胶水粘接部，应力达到胶粘剂的应力极限时，产生剥离，使振动幅度发生变化。
本发明方案，由于悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，位于主悬臂段和固定部分之间的缓冲部分将前后光纤形成了形状差，当工作频率接近主悬臂段设计参数(主要是振动模态频率)时，此时可以看做主悬臂段发生谐振，而此模态下，缓冲部分和固定部分未达到谐振条件，幅度极小，因此可以增大固定部分的稳定性，从而提升扫描性能的稳定性。通过此种结构，可以将胶粘剂承受的应力减小，转移或者均摊到光纤悬臂上，有效的减小胶水对振动稳定性的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为现有技术光纤扫描器结构示意图；
图2为图1光纤悬臂摆动时，表面应力对应图；
图3为本发明实施例光纤结构示意图；
图4为包含图3光纤结构的光纤扫描器结构示意图；
图5为本发明实施例光纤结构示意图二；
图6为本发明实施例光纤结构示意图三；
图7为本发明实施例光纤结构示意图四；
图8为本发明实施例光纤结构示意图五；
图9为本发明实施例光纤结构示意图六。
图10为为图9中光纤悬臂摆动时，表面应力对应图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的光纤结构，用于光纤扫描器中作为扫描光纤，所述光纤结构参见图3、图4所示，包括固定部分1和悬臂部分，固定部分1用于固定在光纤扫描器的致动器4上，悬臂部分超出致动器形成光纤悬臂；悬臂部分包括缓冲部分2和主悬臂段3，缓冲部分2位于主悬臂段3和固定部分1之间，缓冲部分2的光纤形状与前后光纤形成形状差，缓冲部分包括一个或多个缓冲段，后续图7至10均以缓冲部包括一个缓冲段为例介绍，图6示意的是多个缓冲段。
在图3、图4实施例中，所述缓冲段以圆台状(圆台指用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥，底面与截面之间的部分叫做圆台)为例，主悬臂段与缓冲部分的连接处夹角大于90°小于180°。
在图4光纤扫描器中，当工作频率接近主悬臂段3设计参数(主要是振动模态频率)时，此时可以看做主悬臂段3发生谐振，而此模态下，缓冲部分2和固定部分1未达到谐振条件，幅度极小，因此可以增大固定部分1的稳定性，等效来看，通过此种结构将应力从固定部分分散到了光纤悬臂上的其他区域。
参见图5，当缓冲部分包括多个圆台状缓冲段时，从固定部分往悬臂部分方向，各圆台状缓冲段的直径逐级减小，即缓冲段21、22、23、24的直径逐渐减小。
在本发明实施例中，缓冲段除了圆台状以外，缓冲段光纤还可以为表面内凹弧形状，参见图6；缓冲段光纤还可以为表面外凸弧形，参见图7。同样表面内凹弧形状或表面外凸弧形也可以为多段级联共同组成缓冲部分。
主悬臂段光纤可以为圆柱光纤，也可以为圆台光纤，甚至二者结合。
参见图8，主悬臂段为圆台光纤，其主悬臂段光纤从固定端到自由端的直径逐渐减小，可有效增大摆幅；参见图9，主悬臂段光纤包括圆柱部分31和圆台部分32，圆柱部分31位于缓冲部分2与圆台部分32之间，圆台部分32从固定端到自由端直径逐渐减小。但同等固有频率下，有圆柱区会增加光纤悬臂长度，从而增加光纤端面轨迹的半径，光纤摆动时，端面的运动轨迹近似一个圆弧形状，即圆半径越大，端面轨迹近似直线，主悬臂段光纤增加圆柱部分31可有效减小光纤扫描器镜头设计难度。
参见图10，为图9中光纤悬臂摆动时，表面应力对应图。通过仿真模拟，可见图2中光纤固定部分与悬臂交界线附近所受力约1.45×108单位N/m2)之间，图10中光纤固定部分与缓冲部分交界线附近所受力为9.63×107(单位)之间(其中，图2中的光纤悬臂段与图10中缓冲部分2+主悬臂段3的固有频率相同)，图10中也可看出，第二段与第一段的交界线以及第二段作为了另一个应力集中点，即缓冲部分与主悬臂段的交界线以及缓冲部分分担了一部分应力；从仿真模拟也可得出通过加入了缓冲部分后固定段与悬臂部分交界线处的受力会大幅下降的结果。因此光纤固定部分的受力较小，此部分与致动器粘接的胶不易脱胶开裂。
本发明实施例中的光纤结构，可通过化学腐蚀等方式制成。
本发明实施例的光纤扫描器包括致动器和光纤，所述光纤为上述实施例中任一种光纤结构，即所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，固定部分优选通过粘接剂固定在致动器上，悬臂部分超出致动器形成光纤悬臂；悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，缓冲部分位于主悬臂段和固定部分之间；缓冲部分的光纤形状与前后光纤形成形状差，缓冲部分包括一个或多个缓冲段。
在一种实施例中，所述缓冲段为圆台状，如图4，主悬臂段与缓冲部分的连接处夹角大于90°小于180°。
在另一种实施例中，缓冲部分包括多个圆台状缓冲段，从固定部分往悬臂部分方向，各圆台状缓冲段的直径逐级减小，如图5所示。
在另一种实施例中，每个缓冲段光纤为表面内凹弧形状，或表面外凸弧形，如图6、图7。
在一种实施例中，所述主悬臂段光纤从固定端到自由端的直径逐渐减小，图8所示。
另一种实施例中，所述主悬臂段光纤包括圆柱部分和圆台部分，圆柱部分位于缓冲部分与圆台部分之间，圆台部分从固定端到自由端直径逐渐减小，如图9所示。
光纤悬臂主要由氧、硅原子及少量掺杂原子通过共价键紧密结合在一起形成的晶体结构，结构性质稳定，相对于通过胶粘剂与其他物体粘接的胶粘部分，导致断裂的应力极限更大，因此，同样的应力条件下，断裂失效更易发生在光纤悬臂和扫描驱动器的胶水粘接部，应力达到胶粘剂的应力极限时，产生剥离，使振动幅度发生变化。本发明实施例光纤结构和采用该光纤结构的光纤扫描器，由于光纤的悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，位于主悬臂段和固定部分之间的缓冲部分将前后光纤形成了形状差，当工作频率接近主悬臂段设计参数(主要是振动模态频率)时，此时可以看做主悬臂段发生谐振，而此模态下，缓冲部分和固定部分未达到谐振条件，幅度极小，因此可以增大固定部分的稳定性，从而提升扫描性能的稳定性。通过此种结构，可以将胶粘剂承受的应力减小，转移或者均摊到光纤悬臂上，有效的减小胶水对振动稳定性的影响。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (13)

1.一种光纤结构，用于光纤扫描器中作为扫描光纤，其特征在于，所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，固定部分用于固定在光纤扫描器的致动器上，悬臂部分超出致动器形成光纤悬臂；悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，缓冲部分位于主悬臂段和固定部分之间，缓冲部分的光纤形状与前后光纤形成形状差，缓冲部分包括一个或多个缓冲段。
2.如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于，所述缓冲段为圆台状，主悬臂段与缓冲部分的连接处夹角大于90°小于180°。
3.如权利要求2所述的光纤结构，其特征在于，缓冲部分包括多个缓冲段时，从固定部分往悬臂部分方向，各圆台状缓冲段的直径逐级减小。
4.如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于，每个缓冲段光纤为表面内凹弧形状，或表面外凸弧形。
5.如权利要求2至4任一项所述的光纤结构，其特征在于，所述主悬臂段光纤从固定端到自由端的直径逐渐减小。
6.如权利要求2至4任一项所述的光纤结构，其特征在于，所述主悬臂段光纤包括圆柱部分和圆台部分，圆柱部分位于缓冲部分与圆台部分之间，圆台部分从固定端到自由端直径逐渐减小。
7.一种光纤扫描器，其特征在于，包括致动器和光纤，所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，固定部分固定在致动器上，悬臂部分超出致动器形成光纤悬臂；悬臂部分包括缓冲部分和主悬臂段，缓冲部分位于主悬臂段和固定部分之间；缓冲部分的光纤形状与前后光纤形成形状差，缓冲部分包括一个或多个缓冲段。
8.如权利要求7所述的光纤扫描器，其特征在于，所述光纤的固定部分通过粘接剂固定在致动器上。
9.如权利要求8所述的光纤扫描器，其特征在于，所述主悬臂段光纤从固定端到自由端的直径逐渐减小。
10.如权利要求8所述的光纤结构，其特征在于，所述主悬臂段光纤包括圆柱部分和圆台部分，圆柱部分位于缓冲部分与圆台部分之间，圆台部分从固定端到自由端直径逐渐减小。
11.如权利要求7至10任一项所述的光纤扫描器，其特征在于，所述缓冲段为圆台状，主悬臂段与缓冲部分的连接处夹角大于90°小于180°。
12.如权利要求11所述的光纤结构，其特征在于，缓冲部分包括多个缓冲段时，从固定部分往悬臂部分方向，各圆台状缓冲段的直径逐级减小。
13.如权利要求7至10任一项所述的光纤结构，其特征在于，每个缓冲段光纤为表面内凹弧形状，或表面外凸弧形。
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