CN112731655A - 一种光纤扫描器及光纤扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤扫描器及光纤扫描成像系统，包括：一个扫描驱动器和多个光纤；多个所述光纤按照预定方式排布在所述一个扫描驱动器上，所述一个扫描驱动器用于带动多个所述光纤振动，以使每个所述光纤输出的图像拼接在一起。上述方案通过一个扫描驱动器同时驱动多个光纤进行扫描，可以提高光纤扫描装置的扫描频率，从而达到更大的图像分辨率和扫描帧率，提高光纤扫描器输出的图像的质量。

Description

一种光纤扫描器及光纤扫描成像系统

本申请为于2017年07月06日提交中国专利局、申请号为201710546697.6发明创造的名称为“一种光纤扫描器及光纤扫描成像系统”的中国专利申请的分案申请，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种光纤扫描器及光纤扫描成像系统。

背景技术

光纤扫描器可以根据设计者预先设计好的轨迹进行扫描，以输出图像，从而替代传统的LCD(Liquid Crystal Display；液晶显示器)，LCOS(Liquid Crystal on Silicon；液晶附硅/硅基液晶)和OLED(Organic Light-Emitting Diode；有机发光二极管)图像源等，集成到HMD(Head Mount Display；头戴式显示器)、微型投影仪和车载HUD(Head UpDisplay；平视显示器)等设备中去，并且还可以用于医疗内窥镜，扫描隧道显微镜等设备中，其应用十分广泛。

为了提高光纤扫描器输出图像的质量，需要提高光纤扫描器扫描图像的分辨率、扫描图像的帧率等，但对于固定频率的光纤扫描器来说，扫描图像的分辨率和扫描图像的帧率呈反比，提升扫描图像的分辨率和提升扫描图像的帧率相矛盾，如果要同时满足这些需求，则需要进一步提高光纤扫描器的扫描频率。

在申请号为201480014814.9的专利申请中，公开了两种方案，一是多个单光纤扫描器拼接，这种拼接方式对扫描器的相对位置要求极高，每一个扫描器都应当相对于邻近扫描器被精确放置，同时，为了实现高分辨率图像拼接，需要的扫描器个数很多，由于不同扫描器存在个体差异，很难实现良好的拼接效果。该专利申请中还提出了另一种方案，采用多芯光纤以实现高分辨率显示，在具体实现时，图像的分辨率、帧率与光纤的固有频率、扫描幅度密切相关，而固有频率和扫描幅度由光纤的结构和参数决定，使得多芯光纤扫描器与单芯光纤扫描器相比，在同样的扫描频率下，多芯光纤固然能将分辨率提高，但整体而言，由于光纤的固有频率和扫描幅度的限制，多芯光纤扫描器并不能真正实现高分辨率显示。

本发明的目的就是解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种高分辨率、扫描幅度大且易于实现的扫描器。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤扫描器及光纤扫描成像系统，用于提高光纤扫描器的扫描频率。

为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供一种光纤扫描器，应用于光纤扫描成像系统中，包括：

一个扫描驱动器和多个光纤；多个所述光纤按照预定方式排布在所述一个扫描驱动器上，所述一个扫描驱动器用于带动多个所述光纤振动，相邻光纤之间的间隔小于或等于相邻光纤的最大摆动幅度之和的一半，以使每个所述光纤输出的图像拼接在一起。

可选的，所述扫描驱动器为二维扫描驱动器，所述二维扫描驱动器包括X方向扫描驱动器和与X方向垂直的Y方向扫描驱动器。

可选的，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器为一体成型的；或所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器粘接或镶嵌固结在一起；或

所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器通过正交型转接器连接。

可选的，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器为压电扫描驱动器。

可选的，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器为压电陶瓷。

可选的，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器的结构为晶片结构。

可选的，所述光纤粘接在所述扫描驱动器的外表面上；或

所述扫描驱动器上设置有与多个所述光纤匹配的凹槽，所述光纤容置在所述凹槽中。

可选的，所述光纤为单模光纤、多模光纤。

可选的，所述光纤为双包层光纤。

本发明实施例第二方面提供一种光纤扫描成像系统，包括多个如第一方面所述的光纤扫描器。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明实施例中，光纤扫描器包括一个扫描驱动器和多个光纤，多个光纤按照预定方式排布在一个扫描驱动器上，通过一个扫描驱动器带动多个光纤振动，以使每个光纤输出的图像拼接在一起，通过一个扫描驱动器同时驱动多个光纤进行扫描，可以提高光纤扫描装置的扫描频率，增大光纤扫描器整体的扫描幅度，从而实现更大的图像分辨率和扫描帧率，进而提高光纤扫描器输出图像的质量。

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为本发明实施例提供的光纤扫描器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的图像拼接的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可能的光纤扫描器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可能的扫描驱动器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种可能的扫描驱动器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的正交型转接器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种可能的扫描驱动器的横截面示意图。

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。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的光纤扫描器的结构示意图，所述装置包括一个扫描驱动器10和多个光纤20；多个所述光纤20按照预定方式排布在所述一个扫描驱动器10上，所述扫描像驱动器10用于带动多个所述光纤20振动，以使每个所述光纤20输出的图像拼接在一起。

其中，光纤20的个数为多个，优选的，光纤20的个数可以为2-10个，例如：光纤20的个数可以为2个、3个或6个等，本发明实施例中，光纤20可以平行排列在扫描驱动器10上，如图1所示，光纤扫描器包括3个光纤20，3个光纤20平行排布在扫描驱动器10的一个侧面上，当然，多个光纤20也可以排布在扫描驱动器10的不同面上，例如：光纤20还可以位于扫描驱动器10的另一侧面、顶面或底面上，在具体实施过程中，光纤可以间隔均匀的排布在扫描驱动器10上，也可以非均匀排布，相邻光纤之间的间隔小于等于相邻光纤的最大摆动幅度之和的一半，在实际应用中，为了使光纤扫描器的显示效果更好，相邻光纤之间的间隔值一般会小于最大值，本领域技术人员可以根据实际需要扫描的图像尺寸来确定相邻光纤之间的间隔，本发明对此不作限制。然后，在确定光纤20的个数和排布方式后，根据多个光纤20的排布方式，精密计算多个光纤20之间的间隔和摆动幅度，避免光纤振动时造成光纤悬臂201之间的撞击，如图1所示，光纤悬臂201是指光纤20超出扫描驱动器10的部分。

在光纤扫描器的扫描成像过程中，在扫描驱动器10的驱动下，多个光纤20具有相同的扫描模式，扫描模式可以为螺旋式，栅格式或利萨茹图形等等，进一步，通过精密控制各个光纤20的尺寸和调制信号，使得每个光纤20输出的图像能够无缝拼接成完整的图像进行显示。

如图2所示，假设右侧为待拼接显示的完整图像，则在进行扫描成像时，可以将完整图像分为左侧的A、B和C三部分，通过3个光纤20分别扫描输出图像的A、B和C三部分，从而拼接形成完整图像。

本发明实施例中，采用一个扫描驱动器驱动多个光纤20同时进行扫描，随着扫描驱动器上的光纤数量的增加，扫描频率呈线性增长，相对于申请号为201480014814.9的专利申请中多个单光纤扫描器拼接的方案，通过单个扫描器同时驱动多个光纤，多个光纤之间不存在各个扫描驱动器的一致性差异，有利于控制，且即使需要采用多个扫描驱动器拼接，本发明实施例中的方案整体上所需扫描驱动器的个数相对于现有技术也会明显减少，从而提供一种易于实现的高分辨率光纤扫描器，以实现更大的图像分辨率，提高光纤扫描器输出的图像质量。

进一步，相对于申请号为201480014814.9的专利申请中的多芯光纤扫描器，如前所述，在同样的扫描频率下，与单芯光纤扫描器相比，多芯光纤扫描器固然能将分辨率提高，但由于光纤固定频率的限制，多芯光纤扫描器的摆动幅度并没有提高，光纤芯的数目与图像显示分辨率的提升也并不成正比，因此，多芯光纤扫描器无法提高显示画面的宽度和高度，也就是说，多芯光纤扫描器并不能真正实现高分辨率显示。

具体来讲，为了实现同样的显示分辨率和显示画面的宽度，现有技术要求多芯光纤扫描器的摆动幅度更大，一方面，由于光纤的固有频率和长度的限制，光纤能达到的摆动幅度是有限的，另一方面，即使摆动幅度可以增加，在采用压电控制方式时，其控制电压也需要成几何倍数的增加，使得功耗增加；而本发明实施例的方案中，显示分辨率与光纤的整体摆动幅度均与光纤数目成简单的线性正比关系，可以增加光纤的数量来增大光纤的整体摆动幅度和显示分辨率，而单个光纤的摆动幅度可以保持不变，因此，不需要增大驱动电压，也不会导致驱动功耗增加，就可以实现同样的显示分辨率和显示画面的宽度。

接下来，对扫描驱动器10进行说明。

本发明实施例中，如图3和图4所示，扫描驱动器10可以为二维扫描驱动器，所述二维扫描驱动器包括X方向扫描驱动器101和与X方向垂直的Y方向扫描驱动器102。其中，X方向是指与X方向扫描驱动器101的侧面垂直的方向，Y方向是指与Y方向扫描驱动器102的上表面垂直的方向。

具体的，X方向扫描驱动器101和Y方向扫描驱动器102的实施方式有很多种，本发明实施例中，所述X方向扫描驱动器101和所述Y方向扫描驱动器102可以为一体成型的；另外，如图5所示，所述X方向扫描驱动器101和所述Y方向扫描驱动器102也可以为两个独立的结构，然后通过粘接或镶嵌固结等方式连接在一起；如图5所示，扫描驱动器10还包括正交型转接器103，所述X方向扫描驱动器101和所述Y方向扫描驱动器102，通过正交型转接器103连接在一起，从而增强扫描驱动器的稳定性。

其中，如图6所示，图6为本发明实施例提供的正交型转接器的结构示意图，正交型转接器103包括与X方向扫描驱动器101对应的第一凹槽和与所述Y方向扫描驱动器102对应的第二凹槽，在连接时，将X方向扫描驱动器101的端部插入第一凹槽，将Y方向扫描驱动器102的端部插入第二凹槽，再通过粘接剂固定，从而增强X方向扫描驱动器101和Y方向扫描驱动器102的连接的稳定性。

本发明实施例中，扫描驱动器10可以为压电扫描驱动器，可以对X方向扫描驱动器101和Y方向扫描驱动器102进行分别极化，使得X方向扫描驱动器101在被施加电压时沿X方向振动，Y方向扫描驱动器102在被施加电压时沿与X方向垂直的Y方向振动。举例来讲，假设X方向扫描驱动器101和Y方向扫描驱动器102为一整块压电陶瓷，在对整块压电陶瓷进行极化处理时，对X方向扫描驱动器101和Y方向扫描驱动器102对应的两部分压电陶瓷进行分别极化，使得X方向扫描驱动器101在被施加电压时沿X方向振动，Y方向扫描驱动器102在被施加电压时沿Y方向振动。

本发明实施例中，由于扫描驱动器10可以为压电扫描驱动器，可以通过电压信号分别对X方向扫描驱动器101和Y方向扫描驱动器102进行驱动，将电能转换为机械能，以带动光纤20振动。其中，如图3所示，X方向扫描驱动器101的端部1011为自由端，Y方向扫描驱动器102的端部1021为固定端，通过对X方向扫描驱动器101和Y方向扫描驱动器102同时施加一定的电压，可以实现扫描驱动器10在X方向和Y方向的弯曲位移，将两个方向的弯曲位移合成，可以实现二维的弯曲位移，从而带动光纤20实现二维的弯曲位移。

本发明实施例中，构成压电扫描驱动器的压电材料可以为无机压电材料(包括压电晶体和压电陶瓷)、有机压电材料或复合压电材料等，本发明对此不作限制。

本发明实施例中，所述扫描驱动器10的结构可以为晶片结构，便于将光纤直接粘接在扫描驱动器10的外表面上，晶片结构可以为单晶片结构、双晶片结构、堆叠型单晶片结构或堆叠型双晶片结构等等，本发明对此不做限制。由于光纤直接粘接在扫描驱动器10上，扫描驱动器10产生的弯曲变形的力可以不产生衰减而有效的传递给光纤，从而增大光纤的摆动幅度。

在另一实施例中，还可以在扫描驱动器10的表面设置有与光纤20匹配的凹槽104，凹槽104的数量和光纤20的数量相同，如图7所示，图7为本发明实施例提供的扫描驱动器的横截面示意图，通过将光纤20部分或全部容置在凹槽104中，可以增加扫描驱动器10和光纤20之间的连接稳定性，当然，还可以通过胶粘等方式对容置在凹槽104中的光纤20进行进一步固定，本发明对此不做限制。

由于一维压电扫描驱动器工艺成熟，价格低廉，因此，本发明实施例中，通过两个一维的压电扫描器构成二维压电扫描器，易于实现量产化，并且，扫描驱动器的尺寸可以根据压电材料的特性进行灵活设计，易于实现小型化。

本发明实施例中，多个光纤20可以为单模光纤、多模光纤；另一方面，多个光纤20可以为双包层光纤；以及，多个光纤20可以为单芯光纤或多芯光纤；另外，多个光纤20还可以为光子晶体光纤，光子晶体光纤有很多奇特的性质，如：可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输、包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质等等；在具体实施过程中，光纤还可以为其他特种光纤，本发明对此不做限制。

本发明实施例中，光纤从内到外一般包括纤芯、包层和保护涂层，为了减小振动时的阻尼，光纤悬臂201可以为去除保护涂层的裸光纤。在具体实施过程中，还可以对光纤悬臂201进行拉锥和熔接处理，以减小光纤扫描时的光斑面积，提高分辨率。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种光纤扫描成像系统，包括多个光纤扫描器，通过多个光纤扫描器进行扫描和图像拼接，可以提高光纤扫描成像系统的分辨率和扫描幅度，从而实现高分辨率显示。前述图1-图6实施例中的光纤扫描器的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的光纤扫描成像系统，通过前述对光纤扫描器的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中光纤扫描成像系统的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明实施例中，光纤扫描器包括一个扫描驱动器和多个光纤，多个光纤按照预定方式排布在一个扫描驱动器上，通过一个扫描驱动器带动多个光纤振动，以使每个光纤输出的图像拼接在一起，通过一个扫描驱动器同时驱动多个光纤进行扫描，可以提高光纤扫描装置的扫描频率，从而达到更大的图像分辨率和扫描帧率，进而提高光纤扫描器输出图像的质量。

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 (10)

1.一种光纤扫描器，应用于光纤扫描成像系统中，其特征在于，包括：

一个扫描驱动器和多个光纤；

多个所述光纤按照预定方式排布在所述一个扫描驱动器上，所述一个扫描驱动器用于带动多个所述光纤振动，相邻光纤之间的间隔小于或等于相邻光纤的最大摆动幅度之和的一半，以使多个所述光纤输出的图像拼接在一起。

2.如权利要求1所述的光纤扫描器，其特征在于，所述扫描驱动器为二维扫描驱动器，所述二维扫描驱动器包括X方向扫描驱动器和与X方向垂直的Y方向扫描驱动器。

3.如权利要求2所述的光纤扫描器，其特征在于，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器为一体成型的；或

所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器粘接或镶嵌固结在一起；或

所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器通过正交型转接器连接。

4.如权利要求2所述的光纤扫描器，其特征在于，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器为压电扫描驱动器。

5.如权利要求4所述的光纤扫描器，其特征在于，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器为压电陶瓷。

6.如权利要求4所述的光纤扫描器，其特征在于，所述X方向扫描驱动器和所述Y方向扫描驱动器为晶片结构。

7.如权利要求6所述的光纤扫描器，其特征在于，所述光纤粘接在所述扫描驱动器的外表面上；或

所述扫描驱动器上设置有与多个所述光纤匹配的凹槽，所述光纤容置在所述凹槽中。

8.如权利要求1所述的光纤扫描器，其特征在于，所述光纤为单模光纤或多模光纤。

9.如权利要求1所述的光纤扫描器，其特征在于，所述光纤为双包层光纤。

10.一种光纤扫描成像系统，其特征在于，包括：多个如权利要求1-9中任一项所述的光纤扫描器。

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