CN113687508A - 一种单光纤微型扫描器件及其驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光纤微型扫描器件及其驱动系统，属于光学扫描技术领域。器件包括：压电双晶片，用于对光纤扫描提供驱动力；光纤，放置在所述压电双晶片的上表面，通过所述压电双晶片上表面的中心，且与所述压电双晶片长度方向平行。驱动系统包括：驱动电压信号发生单元，信号放大单元以及本发明所述的一种单光纤微型扫描器件。本发明的单光纤微型扫描器件，仅用压电双晶片作为单一驱动单元驱动实现二维扫描，相比其它二维扫描器件通常需要至少两轴的驱动单元或附加特殊的微型结构，具有稳定性高的优势。同时，相比传统扫描器件，本发明的器件结构简单，体积小，易于制造。

Description

一种单光纤微型扫描器件及其驱动系统

技术领域

本发明属于光学扫描技术领域，更具体地，涉及一种单光纤微型扫描器件及其驱动系统。

背景技术

单光纤微型扫描器件在激光雷达、激光投影、微型内窥镜等技术领域具有重要的应用前景。单光纤微型扫描器件主要有以下两种技术路线：一种是利用微型扫描器件使光纤末端快速摆动进行扫描；另一种是光纤末端保持不动，通过基于MEMS技术的微振镜系统，对光纤末端出射的光进行扫描。其中基于MEMS技术的微振镜系统集成度高，稳定性较好，但制作工艺复杂，研究门槛高，且整体直径通常大于2mm，难以进一步微型化，使其无法应用于消化道内窥镜等场景。基于光纤末端扫描的微型扫描器件主要有以下几种：压电驱动、电磁驱动、电热驱动。其中电磁驱动的微型扫描器件可以小电流实现较大的扫描范围，但其扫描速度较慢，且直径通常在10mm左右，无法用于快速、微型化要求高的应用场景。电热驱动的微型扫描器件扫描速度较慢，同样无法用于快速扫描的应用场景。基于压电驱动的微型扫描器件结构紧凑，制作工艺简单、成本低、扫描速度快，具有更广阔的应用前景。

目前基于压电驱动的微型扫描器件通常利用机械共振原理使光纤末端实现较大的扫描范围。按照可实现的扫描方式不同，可以分为螺旋扫描类、栅格扫描类和李萨如扫描类。现有的微型压电扫描器件，使用螺旋扫描通常具有对称结构，体积小且可扫描速度快，但螺旋扫描密度不均匀，且两轴共振频率相同，因此存在机械耦合，会恶化扫描轨迹，难以通过后期处理完全消除；使用栅格扫描需要两轴扫描频率差别较大，一轴扫描频率快，实现行扫描，另一轴扫描频率慢，实现帧扫描，为实现该频率要求，通常慢轴工作在非共振模式下，因此需要较高的驱动电压才能产生足够大的扫描范围，安全性和稳定性不高；使用李萨如扫描，虽然轨迹更加均匀，两轴工作频率不同，避免了机械耦合，但需要在光纤上附加其它的微结构使光纤在两个振动方向上的共振频率分开，而微结构制作工艺复杂，对精度要求极高，且稳定性不高。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种单光纤微型扫描器件及其驱动系统，其目的在于简化传统微型扫描器件的结构，并提升扫描稳定性。

为实现上述目的，提供了一种单光纤微型扫描器件，包括：

压电双晶片，用于对光纤扫描提供驱动力；

光纤，放置在所述压电双晶片的上表面，并通过所述压电双晶片上表面的中心，且与所述压电双晶片长度方向平行。

进一步地，所述光纤非圆对称且有两个经过光纤中心正交的对称轴，所述两个正交的对称轴与压电双晶片上表面呈一定夹角。

进一步地，所述光纤为熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤或异形包层光纤。

进一步地，所述压电双晶片一端固定，另一端自由，所述光纤在压电双晶片的自由端固定，并在所述自由端伸出一段悬空，形成光纤悬臂梁。

进一步地，所述光纤悬臂梁不包含涂覆层。

进一步地，所述压电双晶片，包括：

两片压电陶瓷片，所述压电陶瓷片的上下表面均镀有导电薄膜，分别形成上下两个表面电极；

中心层，位于两片压电陶瓷片之间，用于加强压电陶瓷片的机械强度。

进一步地，所述两片压电陶瓷片的极化方向均为垂直于压电双晶片的上下表面。

进一步地，所述中心层的材料为碳纤维、玻璃纤维、黄铜或不锈钢。

进一步地，包括：驱动电压信号发生单元，信号放大单元以及上述任意一项所述的一种单光纤微型扫描器件。

一种基于上述所述的一种单光纤微型扫描器件驱动系统的驱动方法，包括如下步骤：

S1、确定光纤悬臂梁两轴的固有振动频率响应曲线；

S2、在两轴的频率响应曲线上确定3dB带宽内的可选频率范围；

S3、在步骤S2确定的可选频率范围内选择一组频率，作为扫描驱动频率；

S4、通过驱动电压信号发生单元产生两组正弦电压信号，频率为步骤S3所选的一组频率；

S5、将两组正弦电压信号叠加形成单通道电压信号；

S6、通过信号放大单元对步骤S5形成的单通道电压信号放大；

S7、将放大后的电压信号输入压电双晶片电极，驱动上述任意一项所述的一种单光纤微型扫描器件实现扫描。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的单光纤微型扫描器件，仅用压电双晶片作为单一驱动单元驱动实现二维扫描，相比其它二维扫描器件通常需要至少两轴的驱动单元或附加特殊的微型结构，具有稳定性高的优势。

(2)本发明的单光纤微型扫描器件，仅用压电双晶片与光纤就可实现扫描应用，结构简单，体积小，易于制造。

(3)通过选择共振频率带宽内的一组频率作为驱动信号的频率，而不是两轴共振频率本身，可增加扫描频率选择的灵活性，通过改变所选频率可方便地改变扫描的密度和扫描速度，在不改变光纤结构，且扫描范围不显著下降的情况下实现扫描密度和扫描速度的提升。

总而言之，本发明具有稳定性高、结构简单，体积小，扫描速度快，易于制造等特点。

附图说明

图1为本发明实施例1中单光纤微型扫描器件的结构示意图。

图2为本发明实施例1中的单光纤微型扫描器件的横截面结构示意图。

图3为本发明实施例1中的并联型压电双晶片结构示意图。

图4为本发明实施例2中的串联型压电双晶片结构示意图。

图5为本发明实施例3中的领结型保偏光纤截面示意图。

图6为本发明实施例4中的异形包层光纤截面示意图。

图7为本发明实施例5中的单光纤微型扫描器件驱动系统示意图。

图8为本发明实施例5中的光纤悬臂在压电双晶片驱动下的受力分析图。

图9为本发明实施例5中得到的李萨如扫描图案。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为压电双晶片，2为光纤，21为光纤悬臂梁，3为导线，4为纤芯，5为包层，6为应力区，7为压电陶瓷片，8为中心层，9为组合电压信号，10为正弦电压信号，11为驱动电压信号发生单元，12为信号放大单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“垂直”、“平行”、“上”、“下”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

首先对本发明中的压电双晶片长度方向和厚度方向进行说明：平行于压电双晶片表面的方向为压电双晶片长度方向；垂直于压电双晶片表面的方向为压电双晶片厚度方向。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例的单光纤微型扫描器件，包括：一片并联型压电双晶片1和一根非圆对称的熊猫型保偏光纤2。其中，熊猫型保偏光纤放置在压电双晶片的上表面，且通过压电双晶片上表面的中心；熊猫型保偏光纤传输方向与压电双晶片长度方向平行，熊猫型保偏光纤的快轴和慢轴与压电双晶片上表面呈一定夹角。在本实施例中，夹角优选为45°。

压电双晶片一端固定，一端自由，熊猫型保偏光纤在压电双晶片自由端固定，并在自由端伸出一段悬空，形成光纤悬臂梁21，形成光纤悬臂梁的这段光纤不包含涂覆层。悬臂梁长度优选为10mm。压电双晶片受到电压对光纤产生驱动力，用于为光纤扫描提供驱动力，光纤悬臂梁在压电双晶片的驱动下摆动，实现扫描。在本实施例中，熊猫型保偏光纤在压电双晶片自由端优选通胶水固定。

熊猫型保偏光纤的纤芯4优选为单模纤芯，材料优选为掺锗石英，其直径优选为3μm；包层5包覆在该光纤的最外层，材料优选为石英，其直径优选为125μm；两圆形应力区6，其材料优选为掺硼石英，单个应力区直径优选为20μm，两应力区中心距优选为63μm。

如图3所示，压电双晶片1，包括：两片压电陶瓷片7和一片碳纤维中心层8。每片压电陶瓷片的上下表面均镀有导电薄膜，分别形成上下两个表面电极，优选在压电双晶片的固定端通过导线3接入并联型电路中；其中，导电薄膜优选为镀银导电薄膜；中心层位于两片压电陶瓷片之间，用于加强压电陶瓷片的机械强度。该压电双晶片长度优选为8mm，宽度优选为1mm，厚度优选为0.5mm，其中每片压电陶瓷片的厚度为0.2mm，碳纤维中心层的厚度为0.1mm。两片压电陶瓷片极化方向相同且垂直于压电双晶片的上下表面。本实施例中的压电双晶片1接入电路的连接方式为：压电双晶片上、下两表面电极连接控制信号的正极，靠近碳纤维中心层的两电极连接控制信号的负极。在本实施例中，压电双晶片优选为长方体，在其它实施例中，压电双晶片也可以为其它形状。中心层材料可以是碳纤维、玻璃纤维、黄铜、不锈钢等。

实施例2

如图4所示，本实施例中，使用串联型压电双晶片，与实施例1不同的是，两片压电陶瓷片极化方向相反且垂直于压电双晶片的上下表面。压电双晶片1接入电路的连接方式为：压电双晶片上表面电极连接控制信号的正极，压电双晶片下表面电极连接控制信号的负极，靠近碳纤维中心层的两电极直接相连并接地。

实施例3

如图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是，光纤为领结型保偏光纤，应力区形状类似“领结”。

实施例4

如图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是，光纤为异形包层光纤。异形包层光纤截面包括单模纤芯4和包层5，包层在圆形基础上被抛磨去掉两对称的弓形，形成如图6所示的包层结构，侧面抛磨深度一般小于包层半径的一半。在其它实施例中，光纤也可以是其它横截面为非圆对称且具有两个过光纤中心正交对称轴的光纤。

实施例5

如图7所示，为本实施例提供的单光纤微型扫描器件驱动系统，包括：驱动电压信号发生单元11，信号放大单元12以及上述实施例所述的单光纤微型扫描器件。

本实施例中的单光纤微型扫描器件，包含无穷多阶谐振频率，当驱动压电双晶片的电压信号频率与某一阶谐振频率一致时，引起该阶共振，对应振型可分为光纤悬臂梁的振动、压电双晶片的伸缩、扭转、光纤近端部分的振动等。其中，只有光纤悬臂梁的振动可以使光纤末端产生较大位移，实现扫描。因此，本实施例通过使驱动压电双晶片的电压信号频率与光纤悬臂梁固有振动频率一致或十分接近，以引起光纤悬臂梁的共振，来实现较大范围扫描。特别地，利用光纤悬臂梁在两对称轴方向的一阶固有频率，以在一定驱动电压下实现更大的扫描范围。

具体的，驱动电压信号发生单元先产生两通道的正弦电压信号10，其频率接近光纤悬臂梁沿两对称轴方向的一阶固有频率，记光纤悬臂梁沿两对称轴方向的一阶固有频率为f₁、f₂，接近光纤悬臂梁沿两对称轴方向的一阶固有频率为f₁′和f₂′；将两正弦电压信号叠加为单通道的组合电压信号9作为驱动电压信号；将该驱动电压信号输入压电双晶片的电极。

如图8所示，当本实施例的单光纤微型扫描器件被施加上述驱动电压信号后，熊猫型保偏光纤2在压电双晶片的自由端受到垂直压电双晶片表面的力F，其大小和方向的变化趋势与驱动电压信号一致；力F沿熊猫型保偏光纤截面两对称轴方向分解为F₁和F₂。因为F₁和F₂的变化频率与光纤沿两方向的固有频率接近，因此将分别在两对称轴方向引起光纤悬臂梁共振，使光纤末端沿两对称轴方向产生较大位移。在本实施例中，压电双晶片为并联型压电双晶片，光纤为熊猫型保偏光纤，扫描驱动电压信号发生装置产生的驱动电压为两正弦电压信号，两轴频率比值为有理数，扫描方式为李萨如扫描，如图9所示。在其它实施例中，压电双晶片也可以为串联型压电双晶片，光纤可以为领结型保偏光纤、异形包层光纤等，扫描驱动电压信号发生装置产生的驱动电压可以为两个频率相同或不同的其它正弦电压信号、三角波信号等，扫描方式可以为栅格扫描、螺旋扫描等。

具体的，本实施例的单光纤微型扫描器件驱动系统的驱动方法，步骤如下：

步骤S1，确定光纤悬臂梁两轴的固有振动频率响应曲线。

本实施例优选光纤悬臂梁两轴的一阶固有振动频率。

熊猫保偏光纤截面由两应力区、纤芯和包层四个部分组成，各部分的杨氏模量、密度不同。通过欧拉伯努利梁理论，得到熊猫型保偏光纤在快轴和慢轴方向的固有振动频率表达式为：

其中，E_i为光纤截面各组成部分的弹性模量，I_i为光纤截面各组成部分对慢轴或快轴的截面惯性矩，ρ_i为光纤截面各组成部分的密度，A_i光纤截面各组成部分的面积，L为光纤悬臂梁长度，β_n是与边界条件有关的参数，下角标n表示谐振阶次。β_n满足：

cosβ_nchβ_n+1＝0

β_n的前5阶值为：β₁＝1.875，β₂＝4.694，β₃＝7.855，β₄＝11.000，β₅＝14.137。

具体的，本实施例中的熊猫型保偏光纤悬臂梁，纤芯和包层密度为2200kg/m³，杨氏模量为72GPa，应力区密度为2200kg/m³，杨氏模量为42.2GPa。计算得到光纤悬臂梁沿快轴和慢轴的一阶固有频率分别为989.19Hz和1000.00Hz。

步骤S2，在两轴的频率响应曲线上确定3dB带宽内的可选频率范围。

步骤S3，根据扫描需求，在上述确定的可选频率范围内选择一组频率，作为扫描驱动频率。

在本实施例中，从该可选频率范围中选取一组频率使得该组频率比值为有理数，作为驱动信号的频率。

具体的，记在两轴共振频率3dB带宽内选择的一组频率为f₁′和f₂′，且f₁′和f₂′的比值为有理数。

步骤S4，通过驱动电压信号发生单元产生两组正弦电压信号，频率为上述所选的一组频率。

具体的，通过驱动电压信号发生单元分别产生两组正弦电压信号，分别为：

其中，A₁为正弦电压信号U₁的幅值，A₂为正弦电压信号U₂的幅值，

为正弦电压信号U₁的初始相位，

为正弦电压信号U₂的初始相位。

步骤S5，将两组正弦电压信号叠加形成单通道电压信号。

具体的，将两组信号叠加，叠加后的组合电压信号为：

步骤S6，通过信号放大单元对上述形成的电压信号放大。

由于驱动电压信号发生单元产生的电压幅值有限，通常不能满足应用需求，因此在驱动电压信号发生单元后接一信号放大单元，在本实施例中信号放大单元是功率放大器，对信号电压幅值放大m倍，放大后的电压信号为：

其中，m＞1。

步骤S7，将放大后的电压信号输入压电双晶片电极，驱动本实施例中的单光纤微型扫描器件实现扫描。

当给压电双晶片输入上述驱动电压信号U′，则根据逆压电效应，压电双晶片将对光纤悬臂梁在固定点(即光纤在压电双晶片的自由端的固定处)产生一个垂直于压电双晶片上表面的力F，其大小和方向的变化趋势与驱动电压信号一致。力F沿光纤截面两对称轴方向可分解为F₁和F₂。因为F₁和F₂的变化频率与光纤沿两方向的固有频率接近，因此将分别在两对称轴方向引起光纤悬臂梁共振，使光纤末端沿两对称轴方向产生较大位移，其位移周期分别为

和

因两轴共振频率比值为有理数，因此光纤末端的运动轨迹为李萨如图形。但是，本发明的装置结构更简单、扫描速度快、稳定性高、精度高。

另外，该器件驱动方法简单，仅对压电双晶片施加单一的驱动电压信号，即可实现两个方向的扫描，而通常的二维扫描器件通常需要分别对两轴驱动单元分别施加两个不同的电压驱动信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，包括：

压电双晶片(1)，用于对光纤(2)扫描提供驱动力；

光纤(2)，放置在所述压电双晶片(1)的上表面，并通过所述压电双晶片(1)上表面的中心，且与所述压电双晶片(1)长度方向平行。

2.根据权利要求1所述的一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，所述光纤(2)非圆对称且有两个经过光纤中心正交的对称轴，所述两个正交的对称轴与压电双晶片(1)上表面呈一定夹角。

3.根据权利要求2所述的一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，所述光纤(2)为熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤或异形包层光纤。

4.根据权利要求3所述的一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，所述压电双晶片(1)一端固定，另一端自由，所述光纤(2)在压电双晶片(1)的自由端固定，并在所述自由端伸出一段悬空，形成光纤悬臂梁(21)。

5.根据权利要求4所述的一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，所述光纤悬臂梁(21)不包含涂覆层。

6.根据权利要求1所述的一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，所述压电双晶片(1)，包括：

两片压电陶瓷片(7)，所述压电陶瓷片(7)的上下表面均镀有导电薄膜，分别形成上下两个表面电极；

中心层(8)，位于两片压电陶瓷片(7)之间，用于加强压电陶瓷片(7)的机械强度。

7.根据权利要求6所述的一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，所述两片压电陶瓷片(7)的极化方向均为垂直于压电双晶片的上下表面。

8.根据权利要求7所述的一种单光纤微型扫描器件，其特征在于，所述中心层(8)的材料为碳纤维、玻璃纤维、黄铜或不锈钢。

9.一种单光纤微型扫描器件驱动系统，其特征在于，包括：驱动电压信号发生单元，信号放大单元以及权利要求1-8任意一项所述的一种单光纤微型扫描器件。

10.一种基于权利要求9所述的一种单光纤微型扫描器件驱动系统的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定光纤悬臂梁两轴的固有振动频率响应曲线；

S2、在两轴的频率响应曲线上确定3dB带宽内的可选频率范围；

S3、在步骤S2确定的可选频率范围内选择一组频率，作为扫描驱动频率；

S4、通过驱动电压信号发生单元产生两组正弦电压信号，频率为步骤S3所选的一组频率；

S5、将两组正弦电压信号叠加形成单通道电压信号；

S6、通过信号放大单元对步骤S5形成的单通道电压信号放大；

S7、将放大后的电压信号输入压电双晶片电极，驱动权利要求1-8任意一项所述的一种单光纤微型扫描器件实现扫描。

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