CN114967113A - 用于光纤扫描显示器的多元件链接的方法和系统 - Google Patents

用于光纤扫描显示器的多元件链接的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器包括：基部，其具有基平面和与基平面正交的纵向轴线；以及第一光纤链路，其在平行于纵向轴线的方向中穿过基部。第一光纤链路被可操作地耦接到至少一个电磁辐射源。多元件光纤扫描器还包括连接到基部并从基部延伸的多个附加链路，以及沿纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈。第一光纤链路和多个光纤链路被连接到保持垫圈。

Description

用于光纤扫描显示器的多元件链接的方法和系统
本申请是国际申请号为PCT/US2017/067982、国际申请日为2017年12月21日、中国国家申请号为201780079676.6、标题为“用于光纤扫描显示器的多元件链接的方法和系统”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年12月22日提交的，序列号为No.62/438,415的，名称为“Methodand Systems for Multi-Element Linkage for Fiber Scanning Display(用于光纤扫描显示器的多元件链接的方法和系统)”的美国临时专利申请，出于所有目的，其公开内容通过引用全部并入此文。
以下常规美国专利申请(包括本申请)同时提交，并且出于所有目的，其它申请的全部公开内容通过引用并入本申请：
2017年12月21日提交的序列号为15/851,005，(代理人案号101782-1060973-002210US)的，名称为“METHODS AND SYSTEMS FOR FABRICATION OF SHAPED FIBERELEMENTS FOR SCANNING FIBER DISPLAYS(用于扫描光纤显示器的成形光纤元件的制造方法和系统)”的美国专利申请；
2017年12月21日提交的序列号为15/851,049，(代理人案号101782-1060976-002310US)，名称为“METHODS AND SYSTEMS FOR FABRICATION OF SHAPED FIBER ELEMENTSUSING LASER ABLATION(使用激光烧蚀的成形光纤元件的制造方法和系统)”的美国专利申请；以及
2017年12月21日提交的序列号为15/851,317，(代理人案号101782-1060978-002410US)的，名称为“METHODS AND SYSTEMS FOR MULTI-ELEMENT LINKAGE FOR FIBERSCANNING DISPLAY(用于光纤扫描显示器的多元件链接的方法和系统)”的美国专利申请。
技术领域
本发明一般涉及与光纤扫描投影显示系统有关的方法和系统。更具体地，本发明的实施例提供了用于多元件链接的方法和系统，该方法和系统使得扫描光纤能够在平面中，在平面组中或沿着弧形振荡。本发明适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
背景技术
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现图像或其部分以它们看起来真实或者可以被感知为真实的方式呈现给观看者。虚拟现实或“VR”场景通常涉及以对其它实际的真实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对观看者周围真实世界的可视化的增强。
尽管在这些显示技术方面取得了进步，但是本领域仍需要与增强现实系统尤其是显示系统相关的改进的方法和系统。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器。多元件光纤扫描器包括：基部，其具有基平面和与基平面正交的纵向轴线；以及第一光纤链路，其在平行于纵向轴线的方向中穿过基部。第一光纤链路被可操作地耦接到至少一个电磁辐射源。多元件光纤扫描器还包括连接到基部并从基部延伸的多个附加链路，以及被沿纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈，其中，第一光纤链路和多个光纤链路被连接到保持垫圈。多个附加链路可以在基本上平行于纵向轴线的方向中从基部延伸。在操作期间，多元件光纤扫描器可以沿平行于基平面的轴线扫描电磁成像辐射。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种制造多元件光纤扫描器的方法。该方法包括提供具有包层区域和纤芯的光纤光缆，并将激光束聚焦在光纤光缆的包层区域内侧的一系列预定位置。该方法还包括在预定位置处创建多个损坏位点，将光纤光缆暴露于蚀刻剂溶液，并且优先蚀刻多个损坏位点以形成：基部，其具有基平面和与基平面正交的纵向轴线；保持垫圈，其被沿着纵向轴线距基部预定距离设置；第一光纤链路，其包括纤芯，穿过基平面并连接到保持垫圈；以及多个附加链路，其被连接到基部，从基部延伸到保持垫圈并连接到保持垫圈。
作为示例，该方法可以进一步包括在预定位置处创建多个损坏位点期间围绕纵向轴线旋转光纤光缆。此外，在预定位置处创建多个损坏位点可包括形成损坏位点的网格，该损坏位点的网格可包括朝向纤芯穿过包层区域的多个径向通孔。在一个实施方式中，在预定位置处创建多个损坏位点包括：首先创建与纤芯相邻的多个损坏位点的第一部分，并且随后创建与包层区域的周边相邻的多个损坏位点的第二部分。除了光纤包层和纤芯之外，光纤光缆可以包括设置在包层区域中的多个牺牲区域。多个牺牲区域可以是空气腔，或者可以包括具有比包层区域更高的蚀刻速率的材料。
根据本发明的特定实施例，提供了一种制造多元件光纤扫描器的方法。该方法包括制造包括用于至少一个光纤波导、光纤支撑件和牺牲材料的结构前体的预制件，并拉制预制件以形成光纤结构。该方法还包括将光纤结构暴露于蚀刻剂溶液并优先蚀刻牺牲材料以形成：基部，其具有基平面和与基平面正交的纵向轴线；保持垫圈，其被沿纵向轴线距基部预定距离设置；第一光纤链路，其包括至少一个光纤波导，穿过基平面并连接到保持垫圈；以及多个光纤支撑件，其被连接到基部，从基部延伸到保持垫圈并连接到保持垫圈。
根据本发明的另一特定实施例，提供了一种操作多元件光纤扫描器的方法。该方法包括提供电磁辐射源并引导来自源的电磁辐射通过第一光纤链路。第一光纤链路穿过具有基平面和与基平面正交的纵向轴线的基部。该方法还包括支撑沿着纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈。多个附加链路连接基部与保持垫圈。该方法进一步包括在基平面中平移基部，在平行于基平面的平面组中平移保持垫圈，以及在一个或多个轴线上扫描电磁辐射。
根据本发明的特定实施例，提供了一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器。多元件光纤扫描器包括：基部，其具有基平面和与基平面正交的纵向轴线；以及第一光纤链路，其在平行于纵向轴线的方向中穿过基部。第一光纤链路被可操作地耦接到至少一个电磁辐射源。多元件光纤扫描器还包括：多个致动元件，其被连接到基部并且沿着纵向轴线从基部延伸；以及保持垫圈，其被沿着纵向轴线距基部预定距离设置。多个致动元件可以围绕第一光纤链路排列。第一光纤链路和多个致动元件被连接到保持垫圈。在操作期间，第一光纤链路是可操作的在沿平行于基平面的轴线上扫描电磁成像辐射。
根据本发明的另一特定实施例，提供了一种操作多轴光纤扫描器的方法。该方法包括提供电磁辐射源并引导来自源的电磁辐射通过第一光纤链路。第一光纤链路穿过具有基平面和与基平面正交的纵向轴线的基部。该方法还包括支撑沿着纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈。多个压电致动器连接基部与保持垫圈。多个压电致动器中的第一压电致动器将基部的一侧连接到保持垫圈的一侧。多个压电致动器中的第二压电致动器将基部的相反侧连接到保持垫圈的相反侧。第一压电致动器和第二压电致动器位于扫描平面中。该方法进一步包括：致动多个压电致动器中的第一压电致动器，以减小从基部的一侧到保持垫圈的一侧的距离；致动多个压电致动器中的第二压电致动器以增加从基部的相反侧到保持垫圈的相反侧的距离；以及在扫描平面中扫描第一光纤链路。如在此所述，该方法可以包括交替地致动第一压电致动器以减小或增加基部与保持垫圈之间的一侧处的距离，同时同步地交替地致动第二压电致动器以增加或减小基部与保持垫圈之间的第二侧处的距离。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器。多元件光纤扫描器包括：基部，其具有基平面和与基平面正交的纵向轴线；以及第一光纤链路，其在平行于纵向轴线的方向中穿过基部。第一光纤链路被可操作地耦接到至少一个电磁辐射源。多元件光纤扫描器还包括连接到基部并从基部延伸的多个运动致动链路。多个运动致动链路中的每一个运动致动链路包括靠近基部的第一压电元件和在远离基部的位置处耦接到第一压电元件的第二压电元件。多元件光纤扫描器进一步包括保持垫圈，该保持垫圈被沿纵向轴线距基部预定距离设置。多个运动致动链路中的每一个运动致动链路的第一光纤链路和第二压电元件被连接到保持垫圈。在操作期间，随着第二压电元件扩展/收缩，第一压电元件收缩/扩展。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器。多元件光纤扫描器包括：基部，该基部具有限定基平面的支撑表面，与支撑表面相反的安装表面，以及与基平面正交的纵向轴线；以及耦接到基部的支撑表面的多个运动致动器。多元件光纤扫描器还包括耦接安装表面的多链路光纤结构。多链路光纤结构包括光纤基部和在平行于纵向轴线的方向中穿过光纤基部的光纤链路。光纤链路被可操作地耦接到至少一个电磁辐射源。多链路光纤结构还包括：多个运动致动元件(例如，压电致动器)，其被连接到光纤基部并且沿着纵向轴线从光纤基部延伸；以及保持垫圈，其被沿着纵向轴线距光纤基部预定距离设置。光纤链路和多个运动致动元件被连接到保持垫圈。
通过优于常规技术的本发明实现了许多益处。例如，本发明的实施例提供了以基本上平面的方式扫描光纤支撑件的方法和系统，从而提供具有已知轮廓的像场。结合下文和附图更详细地描述了本发明的这些和其它实施例及其许多优点和特征。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的多元件光纤扫描器的简化透视图。
图2是示出根据本发明的实施例的多元件光纤扫描器的两个扫描位置的简化图。
图3是示出根据本发明的实施例的具有倾斜链路的多元件光纤扫描器的简化图。
图4是示出根据本发明的实施例的光纤扫描系统的元件的简化图。
图5是示出根据本发明的实施例的制造多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。
图6是示出根据本发明另一实施例的制造多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。
图7是示出根据本发明的实施例的操作多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。
图8A是示出根据本发明的实施例的多轴光纤扫描器的简化透视图。
图8B是示出根据本发明的实施例的操作多轴光纤扫描器的方法的简化流程图。
图9A是示出根据本发明的实施例的多节运动致动元件的简化侧视图。
图9B是示出根据本发明的实施例的图9A所示的多节运动致动元件的振荡运动的简化侧视图。
图9C是示出根据本发明的实施例的具有图9A所示的多元件运动致动元件的多元件光纤扫描器的简化侧视图。
图9D是根据本发明的实施例的压电运动致动器的简化透视图。
图9E是示出根据本发明的实施例的多元件运动致动器的简化端视图。
图9F是示出根据本发明的实施例的多节运动致动结构的简化侧视图。
图10是根据本发明的实施例的用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器。
图11是根据本发明的实施例的光纤光缆和激光烧蚀光束的简化侧视图。
图12是示出根据本发明的实施例的制造多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及与光纤扫描投影显示系统有关的方法和系统。更具体地，本发明的实施例提供了用于多元件链接的方法和系统，该方法和系统使得扫描光纤能够在平面中或沿着弧形振荡。本发明适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
图1是示出根据本发明的实施例的多元件光纤扫描器的简化透视图。多元件光纤扫描器100可用于扫描电磁成像辐射，从而形成显示系统的元件。多元件光纤扫描器包括基部110，该基部110也可以称为致动器基部。基部被设置在基平面中并且可以由与基平面正交的纵向轴线112表征。
多元件光纤扫描器还包括保持垫圈(collar)130，该保持垫圈130被沿着纵向轴线112距基部110预定距离D设置。在一些实施例中，保持垫圈130平行于基部并正交于纵向轴线。基部110和保持垫圈130之间的区域可以被称为支柱部分。
第一光纤链路114(也可称为波导)在平行于纵向轴线的方向中穿过基部。第一光纤链路114可操作地耦接到至少一个电磁辐射源(未示出)，使得调制光可以被引导通过第一光纤链路，同时光纤尖端的远端被机械扫描以便生成图像，然后可以通过显示系统耦合该图像。第一光纤链路可以在其穿过基部的位置处固定到基部，或者可以在基平面中自由移动。第一光纤链路穿过保持垫圈并且可以在其穿过保持垫圈的位置处固定到保持垫圈，或者可以在保持垫圈的平面中自由移动和/或在平行于纵向轴线(即轴向)的方向中自由移动。在一些实施例中，第一光纤链路在平行于纵向轴线的方向中穿过保持垫圈。
在替代实施例中，第一光纤链路可以用另一光波导结构代替，该光波导结构可以使用除光纤拉制工艺之外的工艺制造，例如，使用微机电系统(MEMS)或微光电机械系统(MOEMS)微加工工艺。因此，使用增材制造来制造的模制部件和光波导包括在本发明的范围内，例如，悬臂结构、通道波导等。这些光波导结构可以由多种材料制成，包括硅、碳化硅、氧化硅、氮化硅及其组合等。
除了第一光纤链路之外，多个附加链路116从基部延伸。这些可由玻璃材料制成的附加链路在一端处连接到基部，并且在另一端处连接到保持垫圈。结果，保持垫圈机械地连接到附加链路。设置保持垫圈的平面可以被认为是运动平面组中的一个平面，因为保持垫圈在移动通过该组平面时会振荡。在图1所示的实施例中，多个附加链路围绕第一光纤链路排列，但这不是本发明所要求的。在其它实施例中，附加链接的数量和每个附加链路的位置被修改为适合于特定应用。此外，尽管图1所示的多个附加链路在平行于纵向轴线的方向中从基部延伸，但是如关于图3更全面地描述的，这不是本发明所要求的。
附加链路可以仅提供机械功能或者还可以提供光学功能。作为示例，附加链路可以用压电元件代替，该压电元件可以扩展和收缩以提供运动致动。在这些实施例中，多个附加链路中的一个或多个可以被可操作地耦接到至少一个电磁辐射源或其它电磁辐射源，并且穿过平行于纵向轴线的基部并穿过保持垫圈。在这些实施例中，可以通过提供光学功能的所有光纤链路传送调制光。应当理解，可以以各种方式并使用各种材料来制造附加链路。尽管根据由光纤制造的玻璃链路描述了一些实施例，但是本发明不限于该材料或制造方法，并且可以关于附加链路使用其它材料和制造工艺。
多芯光纤扫描器提供与多个像素相关联的源阵列，其可被扫描以产生具有作为源数量的函数的倍增分辨率的显示图像。在一些实施例中，一组附加链路用于机械支撑，并且另一组用作附加光源以补充第一光纤链路。因此，本发明的实施例包括具有如下方面的实施方式：单个纤芯和机械支撑件(例如，多个周边支撑件)，多个纤芯和机械支撑件，以及提供光学和机械功能的多个纤芯。机械支撑件可以由类似于第一纤芯的玻璃制成，或者由具有足够柔韧性和刚性的其它合适材料制成，该材料包括压电材料、金属、陶瓷、聚合物等。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替代。
在替代实施例中，可以结合本文所述的光纤扫描器来实施终止于不同纵向位置处的多个纤芯。在该实施例中，可以改变与每个纤芯相关联的深度平面，以在不同深度处提供不同的信号。
参考图1，多元件光纤扫描器还可包括机械耦接到基部110的压电致动器105。压电致动器是可操作的以在基平面中平移基部，例如，沿方向107横向平移或在指向图平面内的和指向图平面外的横截方向中平移基部。作为示例，压电致动器105(也可以称为基部)可以包括多个压电元件，该压电元件可以收缩和扩展以在基部中适当地产生所需的振荡。在基部横向平移的实施例中，第一光纤链路在图平面中被横向扫描，并且电磁成像辐射沿平行于基平面的轴线被扫描。从第一光纤链路发射的光线115被示为光离开光纤114。
由于附加链路在基平面和保持垫圈的平面中彼此机械耦接，因此基部在基平面中的运动(例如，使用压电致动器105的运动)将导致附加链路的顶部和保持垫圈在平行于保持垫圈的平面的平面组中的运动。
图2是示出根据本发明的实施例的用于多元件光纤扫描器的两个扫描位置的简化图。如图2所示，基部110在基平面中的运动将导致保持垫圈130水平运动(并且在一些实施方式中垂直移动)。示出了保持垫圈的两个位置，示出了示例性运动范围的端部。在保持垫圈直接位于基部上方的中心位置处，保持垫圈将与基部分开比图示位置更大的垂直距离。然而，对于小角度(例如，小于几度的角度)，基部与保持垫圈之间的距离的变化将是小的，导致保持垫圈在平行于基平面的基本上单个平面(这可以称为运动平面)中的运动。由于附加链路的顶部与保持垫圈的机械耦接，随着附加光纤链路响应于基部的运动而倾斜和/或弯曲，保持垫圈保持平行于基平面。从光学观点来看，图2所示的剪切运动是理想的，因为与第一光纤链路相关联的像场可以是基本上平坦的(这在各种光学配置中是有用的)，或者是以预定方式弯曲的。尽管图2示出了附加光纤链路，但是本发明的实施例可以利用用于附加链路的其它材料和结构。作为示例，MEMS结构可被用于提供本发明的实施例中固有的益处。因此，对附加链路、链接等的引用应该被理解为包括MEMS结构，该MEMS结构包括但不限于硅弯曲件。
图3是示出根据本发明的实施例的具有倾斜链路的多元件光纤扫描器的简化图。参考图3，提供基部110，光纤链路310和312机械附接到该基部110。电磁辐射源330(例如，二极管激光器或发光二极管)被光学耦接到第一光纤链路114。在图3所示的实施例中，光纤链路312被光学耦接到电磁辐射源331。因此，取决于实施方式，多个附加链路中的一个或多个可以在基本上平行于纵向轴线的方向中穿过基部并且可以可操作地耦接到一个或多个电磁辐射源。光纤链路310以角度θ从基部延伸，并且光纤链路312以相反的角度-θ从基部延伸，使得两个光纤链路朝向第一光纤链路114倾斜。光纤链路310和312机械被耦接到保持垫圈130。第一光纤链路114可以被固定到保持垫圈，或者可以在保持垫圈中滑动配合。
由于光纤链路310和312中存在倾斜，对于小角度，例如小于大约几度的角度，保持垫圈130(以及所导致的光纤尖端)的运动将遵循弧320，该弧320具有与从光纤链路延伸的线的交叉点R重合的中心。换句话说，弧320的曲率半径等于r。因此，该配置中的保持垫圈沿着弯曲的弧平移，该弯曲的弧也可以被称为弯曲的振荡部分。当保持垫圈振荡时，来自第一光纤链路114的光朝向弧中心处的交叉点R(这可以被称为焦点)发射。因此，与发射光纤移动通过凸像场的一些系统相比，本发明的实施例通过诸如弧320的凹像场移动发射光纤。在大角度处，光纤尖端可能偏离弧形320并且可以通过修改光学设计来补偿这种偏差。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替代。
在实施例中，除了第一光纤链路114之外，光纤链路310和312中的每一个都承载光信号，在该示例中，使得三个纤芯各自发射光束，所有纤芯都指向焦点。该结构的制造可以从包括第一材料的圆柱体形式的光纤链路的结构前体的预制件开始，该第一材料被嵌入更容易蚀刻的第二材料的较大圆柱体中。为了制造该结构，可以使用两步法，其中第一热拉伸工艺用于以锥形方式拉制预制件，使得外部或周边纤芯朝向中心纤芯倾斜。然后可以使用随后的激光烧蚀/选择性蚀刻工艺从支柱区域去除第二材料。可替代地，图3所示的实施例可以由分立组件组装。
光纤链路114、310和312可包括光纤。它们可以使用本领域技术人员已知的方法制造，诸如热拉伸。在实施例中，保持垫圈130和/或基部110包括硅圆片、二氧化硅圆片或金属圆片，具有用于光纤链路的通孔。光纤链路可以使用粘合剂、水玻璃、熔结玻璃或金属结合耦接到保持垫圈或基部。可以将熔结玻璃作为预制件(例如，环形并围绕光纤)施加到连接处，以促进一致的制造。可以使用例如蒸发工艺将金属(诸如金)沉积在光纤、保持垫圈和/或基部上。可变形的微凸块结构可以施加到表面中的一个表面，以促进机械压力下的金属与金属的结合。可替代地，可以使用加热来形成金属与金属的结合。在实施例中，光纤插入并结合到保持垫圈，并且随后作为单元来进行研磨和抛光，以确保光波导的共面终端。
从光学的观点来看，图3所示的实施例提供了使用常规技术不可获得的益处。图4是示出根据本发明的实施例的光纤扫描系统的元件的简化图。如图4所示，投影系统包括光学耦接到第一光纤链路415的电磁辐射源421(例如，二极管激光器)，以及来自第一光纤链路的光被引导到其中的球透镜410。球透镜410可以被近似地定位在图3所示的交叉点或焦点R处，并且在使用紧凑的光学系统时，可以覆盖大视野。球透镜可以将来自光纤的光成像到显示系统的目镜中。除了球透镜之外，光学系统的其它入射光瞳也可用作焦点。当第一光纤链路和保持垫圈扫过弧形405时，由第一光纤链路发射的光从所有振荡位置420、422和424导向球透镜或入射光瞳。光纤尖端朝向球透镜410的倾斜使得使用的光学元件在成本上低于光纤尖端在朝向运动范围的端部移动时远离中心倾斜所需的其他光学元件。
多元件光纤扫描器的结构适合于使用在2016年12月22日提交的序列号为62/438,408的，名称为“Methods and Systems for Fabrication of Shaped Fiber ElementsUsing Laser Ablation(使用激光烧蚀制造成形光纤元件的方法和系统)”的美国临时专利申请中描述的激光烧蚀和激光雕刻技术，其公开内容通过引用并于此文。作为示例，从多芯光纤预制件开始，可以拉制预制件以形成光纤，并且可以使用激光烧蚀和蚀刻从支柱部分去除材料，留下所需的光纤链路。基部和/或保持板可以由原始拉制光纤中的玻璃形成。
图11是根据本发明的实施例的光纤光缆和激光烧蚀光束的简化侧视图。提供激光束并朝向透镜1110传播，该透镜1110将激光束聚焦到光纤1125的包层1115内侧的焦点1120。激光束聚焦在焦点处导致在焦点处创建损坏位点。通过沿着与纤芯对齐的光纤的纵向轴线旋转光纤，可以在给定的径向距离处创建一系列损坏位点。
图11示出了随着激光束纵向移动到第二位置，使得在距光纤表面更远的距离处形成第二焦点1130的激光束和相关联光学元件的移动。在光纤围绕纵向轴线旋转时，一系列损坏位点被创建，该损坏位点具有距纤芯比与焦斑1120相关联的一系列损坏位点更小的径向距离。图11还示出了形成第三焦点1140的第三纵向位置。使用该工艺，创建在该实施例中由逐渐变细的虚线轮廓示出的基本上连续的一系列1150损坏位点。
在一些实施例中，移动透镜以调节聚焦光斑的位置，而在其它实施例中，可调节透镜的焦度，使得焦斑移动，同时透镜保持在基本同一位置。该术语的使用基本上是因为通常由在透镜内侧移动元件(例如，相机变焦透镜)引起的焦度变化。
如下所述，可以使用蚀刻工艺沿着一系列损坏位点优先蚀刻，在图11所示的实施例中形成锥形光纤轮廓，并且在大于一系列损坏位点的径向距离处分离部分光纤包层。
在一些实施例中，随着光朝向纤芯传播到光纤中，光纤在延伸到图中的方向中用作柱面透镜。在该图平面中，光纤不会引入任何聚焦效果。由光纤引入的柱面透镜可能不利地影响创建损坏位点的系列1150的焦点的大小。因此，像散透镜可以结合在激光束沿其传播的光路中。作为示例，柱面透镜可以用作像散透镜，以在延伸到图中的平面中引入校正，以补偿由光纤引起的聚焦。在一些实施方式中，像散透镜和/或透镜1110具有可变光学参数，使得在系统操作期间可以调节引入的像散量和/或焦距。
在一些实施例中，分立的透镜可以组合成单个透镜，该单个透镜可以是多元件复合透镜，该多元件复合透镜既将激光聚焦到光纤中又提供象散预校正以补偿在光纤中发生的圆柱聚焦。
图12是示出根据本发明的实施例的制造多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。关于图12描述的方法适用于制造在此描述的各种结构，包括多元件光纤扫描器，其具有基部，保持垫圈，包括纤芯和光纤包层的第一光纤链路，以及将基部耦接到保持垫圈的多个附加链路。方法1200包括提供光纤光缆(1210)，将激光束聚焦在光纤光缆内侧的预定位置(1212)，以及在预定位置处创建损坏位点(1214)。
该方法还包括将激光束聚焦在光纤光缆内侧的一系列附加的预定位置处(1216)，并在附加的预定位置处创建多个附加的损坏位点(1218)。在另一个实施例中，损坏位点和附加的损坏位点限定了包括波导元件和机械支撑元件的多元件结构，如图1、图3、图8A和图10中所示。机械支撑元件可包括基部和保持垫圈以及耦合在基部与保持垫圈之间的机械支撑件。在实施例中，损坏位点和附加的损坏位点限定了锥形轮廓，该锥形轮廓具有根据朝向光纤发射尖端的纵向距离而减小的直径，从而产生锥形光纤。
该方法进一步包括将光纤光缆暴露于蚀刻剂溶液(1220)，优先蚀刻损坏位点和多个附加的损坏位点(1222)，并分离部分光纤光缆以释放多元件光纤扫描器的元件(1224)。在优先蚀刻工艺之后，部分结构可以包括波导元件，诸如具有纤芯和光纤包层的一个或多个光纤元件以及机械结构。
根据本发明的实施例，当激光束传播到焦点/损坏位点和多个附加的损坏位点时，由光纤对光的聚焦通过使用像散透镜补偿，该像散透镜引入的聚焦量与激光束传播通过光纤时发生的聚焦相等且相反。由于损坏位点将被定位在光纤包层中的变化的深度处，即，距纤芯的变化的距离处，因此在一些实施方式中，当激光穿过光纤包层中的不同径向距离时，可以调节校正透镜。
在一些实施例中，在附加的预定位置处创建多个附加的损坏位点可以包括在光纤光缆的包层中形成损坏位点的网格。例如，在一些实施例中，多个径向通孔可以朝向纤芯穿过包层区域。可以控制激光束的焦点，以使得首先在纤芯附近(即，在距纤芯的小径向距离处)创建多个附加的损坏位点的第一部分，并且随后在距纤芯更远的距离处(即，在直到包层区域的直径的更大的径向距离处)创建多个附加的损坏位点的第二部分。该技术提供了无损坏材料，激光束传播通过该材料，减少或防止光束质量劣化。
纤芯以纵向轴线来表征，并且该方法可包括围绕纵向轴线旋转光纤，同时在附加的预定位置处创建多个附加的损坏位点。虽然图11示出了光纤光缆作为基本上均匀的材料，但是光纤光缆可以包括包层区域和设置在包层区域中的多个牺牲区域。多个牺牲区域可以包括具有比包层区域更高的蚀刻速率的材料，或者可以是蚀刻剂可以流过的空气腔。
应该理解的是，图12所示的具体步骤提供了制造根据本发明实施例的多元件光纤扫描器的特定方法。根据替代实施例，还可以执行其它步骤序列。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图12所示的各个步骤可以包括多个子步骤，该子步骤可以以适合于各个步骤的各种顺序执行。此外，取决于特定应用，可以添加或移除附加步骤。本领域普通技术人员中的一者将认识到许多变化、修改和替代。
图5是示出根据本发明的实施例的制造多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。制造多元件光纤扫描器的方法500包括提供具有包层区域和纤芯的光纤光缆(510)，将激光束聚焦在光纤光缆的包层区域内侧的一系列预定位置(512)，并在预定位置处创建多个损坏位点(514)。在预定位置处创建多个损坏位点可包括形成损坏位点的网格，朝向纤芯穿过包层区域的多个径向通孔等。在一个实施方式中，在预定位置处创建多个损坏位点的工艺可以通过首先在创建纤芯附近创建多个损坏位点的第一部分，并且随后创建在包层区域的周边附近创建多个损坏位点的第二部分。
该方法还包括将光纤光缆暴露于蚀刻剂溶液(516)，并优先蚀刻多个损坏位点(518)以形成具有基平面和与基平面正交的纵向轴线的基部，沿着纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈，包括纤芯、穿过基平面并连接到保持垫圈的第一光纤链路，以及连接到基部、从基部延伸到保持垫圈并连接到保持垫圈的多个附加光纤链路。
根据本发明的实施例，该方法还可以包括在预定位置处创建多个损坏位点的工艺期间围绕纵向轴线旋转光纤光缆。在一些实施方式中，光纤光缆可以被制造为使得其包括设置在包层区域中的多个牺牲区域，该牺牲区域使用具有比包层区域更高的蚀刻速率的材料制成，使得牺牲材料能够被优先去除。可替代地，牺牲区域可包括空气腔或牺牲材料和空气腔的组合。
图6是示出根据本发明另一实施例的制造多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。制造多元件光纤扫描器的方法600包括制造包括至少一个光纤波导、光纤支撑件和牺牲材料的预制件(610)，并拉制预制件以形成光纤结构(612)。
在光纤牵拉工艺中，光纤预制件可包括牺牲区域，该牺牲区域可包括具有比用于限定第一光纤链路和多个附加链路或其它机械支撑件的材料更低的抗蚀刻性的材料。作为示例，第一光纤链路和多个附加链路可以耐蚀刻，例如，耐通过硫酸或其它合适的蚀刻剂蚀刻，而牺牲区域可以被硫酸蚀刻，该牺牲区域可以被掺杂或以其它方式提供以降低其抗蚀刻性(其具有取决于掺杂剂和蚀刻剂的浓度和类型的蚀刻速率)。在各种实施例中，掺杂剂可包括氟、氟化物、锗、硼、磷、镓、铟、砷和锑中的一种或多种。在一些实施例中，光纤链路和/或多个附加链路的蚀刻速率可取决于玻璃的纯度(例如，钠/硼/磷酸盐含量)以及玻璃是否已经退火。
该方法还包括将光纤结构暴露于蚀刻剂溶液(614)并优先蚀刻牺牲材料(616)以形成具有基平面和与基平面正交的纵向轴线的基部，沿着纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈，包括至少一个光纤波导、穿过基平面并连接到保持垫圈的并连接到基部的第一光纤链路，以及从基部延伸到保持垫圈并连接到保持垫圈的多个光纤支撑件。
在优先牺牲蚀刻工艺期间，可以在蚀刻工艺期间掩蔽基部和保持垫圈以保护它们。除了它们的光学特性之外，还可以选择材料的机械特性。因此，在一些实施例中，基部和保持垫圈可以从激光损坏处理中排除，以便降低它们对蚀刻的敏感性。
图7是示出根据本发明的实施例的操作多元件光纤扫描器的方法的简化流程图。如下所述，当致动器基部在基平面中横向平移时，保持垫圈在其振荡时在平面组中横向平移。对于小角度，光纤尖端在基本上单个平面中振荡，这提供了平坦的像场。在一些实施例中，光纤尖端在平面组中振荡，同时保持光纤尖端处于纵向取向。操作多元件光纤扫描器的方法700包括提供电磁辐射源(710)，并引导来自源的电磁辐射通过第一光纤链路(712)。第一光纤链路穿过具有基平面和与基平面正交的纵向轴线的基部。
该方法还包括支撑沿着纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈(714)。在一些实施例中，多个附加链路连接基部与保持垫圈。多个附加链路中的一个或多个可以穿过基部。在该情况下，该方法可以包括引导来自源(或来自另一个源)的电磁辐射通过多个附加链路中的一个或多个。可以在强度上调制电磁辐射以呈现图像。
该方法进一步包括在基平面中平移基部(716)，将在平行于基平面的平面组中平移保持垫圈(718)，并在一个或多个轴线上扫描电磁辐射(720)。考虑到保持垫圈的运动，本发明包括基本上位于保持垫圈的平面内的小角度的运动。因此，对于这些示例，当保持垫圈横向振荡时，它可以在运动范围的端点在纵向方向中移出初始平面少量。作为示例，在一些实施例中，与保持垫圈的初始位置的垂直偏差可以在微米到毫米的范围内，例如，500μm或更大。随着振荡角度和运动范围增加，保持垫圈的运动由平行于基平面的平面组，并且当保持垫圈横向和纵向移动时包括垂直变化限定。如在此所述，由于保持垫圈在平行于基平面的平面中移动，所以光纤尖端在运动期间在纵向方向中取向，提供了与光学成像系统的设计相关的益处。
在实施例中，通过在第一方向中致动基部并在与第一方向正交的第二方向中致动基部以提供二维运动来在基平面中执行平移基部。在平行于基平面的平面组中平移保持垫圈可以包括倾斜多个附加链路。
图8A是示出根据本发明的实施例的多轴光纤扫描器的简化透视图。多元件光纤扫描器可用于扫描电磁成像辐射。多元件光纤扫描器800包括基部110，该基部110具有基平面和与基平面正交的纵向轴线。多元件光纤扫描器还包括第一光纤链路114，该第一光纤链路114在平行于纵向轴线的方向中穿过基部。第一光纤链路在基部110下方的位置处可操作地耦接到至少一个电磁辐射源(未示出)。
另外，多元件光纤扫描器包括多个致动元件810，该致动元件810连接到基部110并且沿着纵向轴线(例如平行于纵向轴线)从基部延伸。多个致动元件可以独立地扩展812和收缩814。使用如图8A所示的相对的致动元件810使得能够在两个方向中(例如，沿与纵向轴线都正交的x轴和y轴)独立扫描第一光纤链路，使得来自第一光纤链路的光可以被引导到限定平行于x轴和y轴并垂直于纵向轴线(即，z轴)的阵列的像素。
多个致动元件可以使用多个压电管堆叠来制造，并且可以围绕第一光纤链路排列。关于压电管堆叠的附加描述是相对于图9A-图9F提供的。除了基部对于保持垫圈的机械约束之外，致动元件810可用于控制基部与保持垫圈130之间的距离，该保持垫圈130被沿着纵向轴线距基部预定距离设置。第一光纤链路和多个致动元件连接到保持垫圈。第一光纤链路在平行于纵向轴线的方向中穿过保持垫圈。
参考图8A，致动元件可包括定位于第一光纤链路的第一侧上并且可操作地收缩/扩展的第一压电元件，以及定位于第一光纤链路的与第一侧相反的第二侧上并且是可操作的以与第一压电元件相对地扩展/收缩的第二压电元件。这些运动将导致保持垫圈围绕与连接第一压电元件与第二压电元件的线正交的第一轴线的倾斜。此外，第三压电元件可以定位在第一光纤链路的第三侧上并且是可操作的以收缩/扩展。该第三压电元件与第四压电元件配对，该第四压电元件定位于第一光纤链路的与第三侧相反的第四侧上并且是可操作的与第三压电元件相对地扩展/收缩。第三和第四压电元件的运动将导致保持垫圈围绕与连接第三压电元件与第四压电元件的线正交的第二轴线的倾斜。
使用如上所述的致动元件来操作多元件光纤扫描器，可以扫描第一光纤链路以沿平行于基平面的轴线移动电磁辐射点。在该实施例中，扫描功能内置于机械支撑件中，例如，其中压电致动器用作伺服元件(例如，活塞)。
尽管在图8A所示的实施例中致动元件被示出为圆柱形，但是本发明不要求该特定的形状，并且包括矩形、正方形、六边形等的其它横截面也包括在本发明的范围内。致动元件的横截面沿着致动元件的长可以是均匀的或不均匀的。
图8B是示出根据本发明的实施例的操作多轴光纤扫描器的方法的简化流程图。操作多元件光纤扫描器的方法850包括提供电磁辐射源(860)，并引导来自源的电磁辐射通过第一光纤链路(862)。第一光纤链路穿过具有基平面并沿着与基平面正交的纵向轴线的基部。该方法还包括支撑沿着纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈(864)。多个压电致动器连接基部与保持垫圈。如图8A所示，多个压电致动器的第一压电致动器将基部的一侧连接到保持垫圈的一侧，并且多个压电致动器的第二压电致动器将基部的相反侧连接到保持垫圈的相反侧。第一压电致动器和第二压电致动器位于扫描平面中。在一些实施例中，扫描平面可以包括中心波导/光纤，但是借助于两个其它致动器，光纤的尖端可以不限于包括两个相对的压电致动器和中心波导/光纤的静止位置的平面。因此，一种操作模式是以可与竖直扫描频率相关联的较低频率驱动处于光纤谐振频率的第一对相对致动器和其余(例如两个)相对致动器。在另一种操作模式中，利用螺旋扫描模式。
该方法进一步包括致动多个压电致动器中的第一压电致动器，以减小从基部的一侧到保持垫圈的一侧的距离(866)，并且致动多个压电致动器的第二压电致动器，以增加从基部的相反侧到保持垫圈的相反侧的距离(868)。响应于这些致动，该方法使得能够在扫描平面中扫描第一光纤链路(870)。
图9A是示出根据本发明的实施例的多节运动致动元件的简化侧视图。如图9A所示，多节元件905包括耦合到第二压电元件912的第一压电元件910。多节元件905可以被称为压电管堆叠，因为若干压电元件被堆叠以形成元件。在一些实施例中，第一压电元件910靠近基部，并且第二压电元件912定位于远离基部的位置处。每个压电元件能够收缩或扩展，并且如图9A所示，压电元件可以被操作以使得下部收缩/扩展，同时上部扩展/收缩。在一些实施例中，每个压电元件包括多个扇区(例如，4个扇区)，以使得每个管的一侧可以被收缩而另一侧被扩展。该操作模式将产生如图9B所示的振荡运动。
图9B是示出根据本发明的实施例的图9A所示的多节运动致动元件的振荡运动的简化侧视图。随着第一压电元件910收缩(920)，第二压电元件912扩展(922)，使得多节运动致动元件呈现S形形状。在振荡的下一阶段，随着第一压电元件910扩展(924)，第二压电元件912收缩(926)，使得多节运动致动元件呈现镜像第一S形形状的第二S形形状。通过交替地扩展/收缩构成该节的压电元件，多节元件将如图9B所示振荡，以交替的方式形成所示形状和水平镜像。
图9C是示出根据本发明的实施例的具有图9A所示的多元件运动致动元件的多元件光纤扫描器的简化侧视图。如图9C所示，使用将基部110耦接到保持垫圈130的多节运动元件905来减少了致动元件的底部和顶部分别连接到基部和保持垫圈的位置处的弯曲量。由于这些点处的弯曲减小，应力降低并且可以提高寿命和可靠性。如图9C所示，保持垫圈130与基部110之间的竖直距离(沿纵向测量)在横向方向中随着保持垫圈远离中心位置水平移动而减小。对于保持垫圈130的小振荡，保持垫圈的运动将基本上是平面的。当保持垫圈横向远离中心移动时，尽管纵向高度可以减小，但是运动位于平行于基平面的平面中，并且保持垫圈的取向基本上保持平行于基部。因为保持垫圈在其移动时保持平行于基平面，所以光纤940的尖端保持沿纵向方向取向。在设计光学系统以在光纤扫描时产生光纤图像时，可以考虑与保持垫圈的横向(和纵向)运动相关联的场曲率。当光纤尖端朝向运动范围的端点横向移动时光纤尖端远离中心倾斜的光纤扫描器需要更大的数值孔径光学系统来有效地收集和成像来自光纤的光。较大的数值孔径要求通常导致更大、更复杂和成本更高的光学系统。光学系统的大小是要集成到增强现实眼镜中的光学系统的重要考虑因素。相反，本发明的实施例将光纤尖端保持在纵向取向中，因为保持垫圈在整个运动范围内平行于基平面。当尖端在运动范围的端点倾斜时，光可以以陡峭的角度发射，由于需要校正高水平的场曲率和陡峭的角度，因此这可能导致更复杂和昂贵的透镜设计。使用本发明的实施例，在光纤扫描时保持光纤尖端方向显著地简化了透镜的复杂性和成本。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替代。
图9D是根据本发明的实施例的压电运动致动器的简化透视图。图9D示出的压电运动致动器955包括设置在圆柱形壳体中的四个致动输入(+X，-X，+Y和-Y)。光纤光缆穿过孔口957并且通过四个致动输入的致动，该光纤光缆可以在两个维度中被扫描。在图9D中，+X致动输入的收缩和-X致动输入的扩展使得压电运动致动器朝向+X轴倾斜。尽管图9D示出的运动处于二维(即，沿着由x轴和y轴限定的平面)，但是实施例也可以同时扩展或收缩所有四个致动输入以沿z轴收缩/扩展。因此，本发明的实施例提供在x方向和y方向中的运动，以及使用在z方向中压缩/扩展的圆柱形致动器。
除了图9D所示的圆柱形运动致动器之外，本发明的范围包括其它几何形状用于运动致动器的实施方式。作为示例，在实施例中，运动致动器包括多个相对的运动致动元件(例如，压电元件)，它们作为多元件运动致动器彼此结合地操作。图9E是示出根据本发明的实施例的多元件运动致动器的简化端视图。图9E所示的视图与纵向轴线对齐。如图9E所示，定位于光纤光缆960的一侧的第一运动致动元件962和定位于光纤光缆的相反侧的第二运动致动元件964可以协同地收缩/扩展以使光纤光缆在水平面中移动。定位于光纤光缆960的第三侧上的第三运动致动元件966和定位于光纤光缆的相反侧上的第四运动致动元件968可以协同地收缩/扩展以使光纤光缆在竖直平面中移动。通过致动所有四个运动致动元件，可以在两个维度中扫描光纤以适用于投影显示器。图9E所示的实施例可通过减小压电质量来提供更轻的系统。除了图9E所示的矩形几何形状之外，包括六边形、三角形等的其它几何形状也包括在本发明的范围内。
通常，以输入之间的预定相位关系(例如，90°异相、180°异相等)驱动致动输入。作为示例，为了实现图9D所示的运动，+X致动输入的收缩和-X致动输入的扩展可以通过由相对于彼此180°异相的信号驱动这些致动输入来实现。参考图9A和图9C，可以如图9D所示驱动第一压电元件910，使第一元件朝+X方向弯曲。同时，第二压电元件912可以以相反的方式驱动，即，扩展+X致动输入和收缩-X致动输入，使得该第二元件朝-X方向弯曲。结果，可以通过这些压电元件的协同致动来实现图9B所示的运动。因此，控制每个元件的致动输入之间的相位关系与各个元件之间的相位关系以实现所需的运动。
图9F是示出根据本发明的实施例的多节运动致动结构的简化侧视图。如图9F所示，压电结构979包括类似于图9A所示的多节元件的两个压电元件。压电结构979可以被称为压电管堆叠，因为在该实施例中两个压电元件(也称为压电运动致动器)被堆叠以形成该结构。压电结构979的下部被附接到固定基部，使得结构的顶部能够响应于电极驱动电压而移动。与图9A、图9D和图9F相比，图9D所示的单个压电元件将与第二压电元件堆叠在一起，以形成图9A和图9F所示的管堆叠。出于清楚的目的，省略了压电元件的外表面上的致动输入(参见图9D)，并且示出了连接到致动输入的电极。压电元件的内部被金属化并连接到地。如本文所述，四个相位被施加到围绕压电元件的外表面相对于彼此以90°取向布置的致动输入。
尽管关于图9F讨论了管堆叠，但是本发明的实施例不限于多压电元件实施方式。在一些实施例中，可以利用具有下部和上部的整体多节压电元件，其由整体压电管制成。根据替代实施例，具有调制光的光纤可以穿过压电结构979。因此，这些压电结构不仅可用于机械功能，还可用于光传输。
信号发生器970提供连接到电极973和975的输出，该电极973和975进而连接到对应的致动输入(例如，图9D中的+Y和-Y)。信号发生器970还连接到第一90°移相器971和第二90°移相器972，它们被连接到电极974和976，该电极974和976进而连接到对应的致动输入(例如，图9D中的+X和-X)。因此，信号发生器与移相器协同提供相对于彼此90°异相的四个相位。
在第一和第二压电元件的交叉点980处，电极形成螺旋结构，其将电极的位置移动180°。该螺旋结构使得压电驱动电极能够在交叉点980处180°互换，其对应于S曲线的拐点。因此，例如，与区域977(即，第一压电元件的左侧)中的致动输入接触的电极974偏移以与区域978(即，第二压电元件的右侧)中的致动输入接触。对于其它电极，电极位置发生类似的180°偏移，导致接触第一压电元件的右/左或前/后侧的电极也接触第二压电元件的左/右或后/前侧。作为示例，第一压电元件的电极之间的相移可以被定义为电极973的0°(即，前致动输入)、电极974的90°(左致动输入)、电极975的180°(即，后致动输入)，以及电极976的270°(即右致动输入)。
在操作中，场从压电元件的外表面上的致动输入径向地施加到压电元件的内表面上的公共接地电极。因为左/右和前/后致动输入由180°异相的电极驱动，所以收缩压电元件的左/前侧和扩展压电元件的右/后侧。在图9F所示的实施例中，在交叉点980处螺旋结构的存在导致两个压电元件上的相对的致动输入以相同的方式响应。例如，由于第一压电元件上的+X致动输入和第二压电元件上的-X致动输入被连接到同一电极(例如，电极974)，它们将同时收缩/扩展。因此，响应于电极974上存在的电压，在区域977收缩并且区域978收缩的情况下，如图9B所示的S曲线操作由图9F所示的电极驱动配置产生。由于压电元件的相反侧上的电极是180°异相，因此与区域977和978相对的区域的扩展将有助于S曲线操作。
当施加到每个致动输入的四个致动输入的电压根据时间变化时，第二压电元件的自由端981可扫出位于垂直于纵向方向(即，z方向)的平面中的圆。
再次参考图8A和图9A-9F，在一些实施例中，一个或多个光纤链路可以用运动致动链路代替，例如，结合图9A所示的多节运动致动元件。因此，本发明的实施例提供了一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器。多元件光纤扫描器包括：基部，其具有基平面和与基平面正交的纵向轴线；以及第一光纤链路，其在平行于纵向轴线的方向中穿过基部。第一光纤链路可操作地耦接到至少一个电磁辐射源。
多元件光纤扫描器还包括连接到基部并从基部延伸的多个运动致动链路。多个运动致动链路中的每一个包括靠近基部的第一压电元件和在远离基部的位置处耦接到第一压电元件的第二压电元件。多元件光纤扫描器进一步包括沿纵向轴线距基部预定距离设置的保持垫圈。多个运动致动链路中的每一个运动致动链路的第一光纤链路和第二压电元件被连接到保持垫圈。
图10是根据本发明的实施例的用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描器。多元件光纤扫描器1000可以用在扫描电磁成像辐射的显示器中，并且包括基部1005，该基部1005具有限定基平面的支撑表面1011(基部1005的下表面)、与支撑表面1011相反的安装表面1007，以及与基平面正交的纵向轴线。多元件光纤扫描器还包括耦接到基部1005的支撑表面1011的多个运动致动器1009。
多链路光纤结构被耦接到安装表面1007。多链路光纤结构包括：光纤基部1010，其可以与基部110类似；以及光纤链路1014，其在平行于纵向轴线的方向中穿过光纤基部1010。光纤链路1014可操作地从至少一个电磁辐射源(未示出)耦接到光纤链路1014的远端(图10的透视图中的顶部)。
多链路光纤结构还包括：多个运动致动元件1040(例如，压电致动元件)，其连接到光纤基部1010并且沿着纵向轴线从光纤基部1010延伸；以及保持垫圈1030，其被沿纵向轴线距光纤基部预定距离设置。光纤链路1014和多个运动致动元件1040被连接到保持垫圈1030。
在实施例中，多个运动致动元件1040中的一个或多个被替换为耦接到电磁辐射源的附加链路。此外，可以利用耦接到相同或不同电磁辐射源的多个附加链路来同时输出用于多像素显示器的多个像素。
使用充当活塞的多个运动致动器1009致动基部1005导致基部围绕基部1005的轴线倾斜。倾斜可以是围绕单个轴线或围绕多个轴线。在一些实施例中，为了使保持垫圈倾斜的基部的倾斜和运动致动元件的致动，提供了控制光纤链路的运动，例如振荡，以将从光纤链路发射的光朝向显示屏引导。
在一些配置中，保持垫圈的平移和/或倾斜可以提供在第一方向中的光纤链路的扫描，并且基部的倾斜可以提供在第二方向中的光纤链路的扫描，该第二方向可以与第一方向正交。在实施例中，第一方向是快方向(类似于光栅扫描显示器的水平扫描)，而第二方向是慢方向(类似于光栅扫描显示器的竖直扫描速率)。作为示例，保持垫圈可以在横截方向中振荡，并且基部可以在横向方向中倾斜。除了基部的倾斜之外，通过同时扩展/收缩所有运动致动器，基部可以在纵向方向中平移。
还应理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且本领域技术人员可以建议对其进行各种修改或改变，并且将包括在本申请的精神和权限内以及所附权利要求的范围内。

Claims (58)

1.一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描仪，所述多元件光纤扫描仪包括：
基部，其具有基平面和与所述基平面正交的纵向轴线；
光纤链路，其在平行于所述纵向轴线的方向上穿过所述基部，其中，所述光纤链路可操作地耦接到至少一个电磁辐射源；
保持垫圈，其沿所述纵向轴线设置在距所述基部预定距离处；
第一组压电管，其中：
所述第一组的第一压电管接合到所述基部并从所述基部延伸；并且
所述第一组的第二压电管接合到所述保持垫圈并从所述保持垫圈延伸；以及
第二组压电管，其中：
所述第二组的第一压电管接合到所述基部并从所述基部延伸；并且
所述第二组的第二压电管接合到所述保持垫圈并从所述保持垫圈延伸。
2.根据权利要求1所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述第一组的所述第一压电管和所述第二组的所述第一压电管与平行于所述纵向轴线的方向对齐。
3.根据权利要求1所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述第一组的所述第一压电管和所述第二组的所述第一压电管朝向所述光纤链路倾斜。
4.根据权利要求1所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述至少一个电磁辐射源包括强度调制源。
5.根据权利要求1所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述光纤链路在平行于所述纵向轴线的方向上穿过所述保持垫圈。
6.根据权利要求1所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述第一组压电管位于所述光纤链路的第一侧，并且所述第二组压电管位于所述光纤链路的与所述第一侧相对的第二侧。
7.根据权利要求6所述的多元件光纤扫描仪，其中：
所述第一组的所述第一压电管与所述第二组的所述第一压电管可操作以朝向第一方向弯曲；并且
同时，所述第一组的所述第二压电管和所述第二组的所述第二压电管可操作以朝向与所述第一方向相反的第二方向弯曲。
8.根据权利要求7所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述光纤链路可操作以相对于所述基部朝向所述第一方向弯曲，同时所述第一组的所述第一压电管和所述第二组的所述第一压电管朝向所述第一方向弯曲。
9.根据权利要求1所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述保持垫圈可操作以在平行于所述基平面的一组平面中平移。
10.根据权利要求1所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述保持垫圈可操作以沿着弯曲的弧线平移。
11.一种用于扫描电磁成像辐射的多元件光纤扫描仪，所述多元件光纤扫描仪包括：
安装表面，其限定安装平面和与所述安装平面正交的纵向轴线；
支撑所述安装表面的一组致动元件；
耦接到所述安装表面的基部；
光纤链路，其在平行于所述纵向轴线的方向上穿过所述安装表面和所述基部，其中，所述光纤链路可操作地耦接到至少一个电磁辐射源；
多个附加链路，其接合到所述基部并从所述基部延伸；以及
保持垫圈，其沿所述纵向轴线设置在距所述基部预定距离处，其中，所述光纤链路和所述多个附加链路接合到所述保持垫圈。
12.根据权利要求11所述的多元件光纤扫描仪，其中所述一组致动元件包括：
第一压电管，其靠近所述安装表面的第一角部定位；
第二压电管，其靠近所述安装表面的第二角部定位；
第三压电管，其靠近所述安装表面的第三角部定位；以及
第四压电管，其靠近所述安装表面的第四角部定位。
13.根据权利要求12所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述第一压电管和所述第二压电管可操作以同时收缩来启动所述光纤链路在与所述纵向轴线正交的侧向方向上的运动。
14.根据权利要求13所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述第一压电管和所述第三压电管可操作以同时收缩来启动所述光纤链路在与所述侧向方向正交的横向方向上的运动。
15.根据权利要求11所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述光纤链路在平行于所述纵向轴线的方向上穿过所述保持垫圈。
16.根据权利要求11所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述多个附加链路包括附加光纤链路。
17.根据权利要求11所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述多个附加链路围绕所述光纤链路排列。
18.根据权利要求11所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述多个附加链路在平行于所述纵向轴线的方向上从所述基部延伸。
19.根据权利要求11所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述多个附加链路以朝向所述光纤链路倾斜的角度从所述基部延伸。
20.根据权利要求19所述的多元件光纤扫描仪，其中，所述保持垫圈可操作以沿着弯曲的弧线平移。
21.一种操作多轴光纤扫描仪的方法，所述多轴光纤扫描仪具有包括基平面的基部，所述方法包括：
提供电磁辐射的源；
引导电磁辐射通过光纤链路，所述光纤链路沿与所述基平面正交的纵向轴线穿过所述基部的所述基平面；
支撑距所述基平面一定距离定位的保持垫圈；
致动多个压电致动器中的第一压电致动器以减小所述基部的第一侧与所述保持垫圈之间的距离；
致动所述多个压电致动器中的第二压电致动器以增加所述基部的第二侧与所述保持垫圈之间的距离；以及
在扫描平面中扫描所述光纤链路。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述距离是沿所述纵向轴线测量的。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多个压电致动器将所述基部的所述基平面与所述保持垫圈接合。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多个压电致动器中的所述第一压电致动器将所述基部的所述第一侧接合到所述保持垫圈的第一侧，并且所述多个压电致动器中的所述第二压电致动器将所述基部的所述第二侧接合到所述保持垫圈的第二侧。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述基部的所述第一侧和所述基部的所述第二侧位于所述基部的相对侧上。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述保持垫圈的所述第一侧和所述保持垫圈的所述第二侧是所述保持垫圈的相对侧。
27.根据权利要求24所述的方法，还包括同时致动所述第一压电致动器和所述第二压电致动器以启动所述光纤链路在与所述纵向轴线正交的侧向方向上的运动。
28.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个压电致动器还包括第三压电致动器和第四压电致动器，其中，所述第三压电致动器将所述基部的第三侧接合到所述保持垫圈的第三侧，并且所述第四压电致动器将所述基部的第四侧接合到所述保持垫圈的第四侧。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述基部的所述第三侧和所述基部的所述第四侧在所述基部的相对侧上，并且所述保持垫圈的所述第三侧和所述保持垫圈的所述第四侧是所述保持垫圈的相对侧。
30.根据权利要求28所述的方法，还包括：
以水平扫描频率致动所述第一压电致动器和所述第二压电致动器；和
以垂直扫描频率致动所述第三压电致动器和所述第四压电致动器。
31.根据权利要求28所述的方法，还包括：
同时致动所述第一压电致动器和所述第二压电致动器以启动所述光纤链路在与所述纵向轴线正交的侧向方向上的运动；和
同时致动所述第三压电致动器和所述第四压电致动器以启动所述光纤链路在与侧向方向正交的横向方向上的运动。
32.根据权利要求21所述的方法，其中，所述光纤链路、所述第一压电致动器和所述第二压电致动器位于所述扫描平面中。
33.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多个压电致动器包括多个压电管堆叠。
34.根据权利要求21所述的方法，还包括在平行于所述基平面的一组平面中平移所述保持垫圈。
35.根据权利要求21所述的方法，其中，所述保持垫圈可操作以沿着弯曲的弧线平移。
36.根据权利要求21所述的方法，其中，所述光纤链路和所述多个压电致动器中的每一个压电致动器通过气隙在空间上分开。
37.根据权利要求21所述的方法，其中，所述多个压电致动器围绕所述光纤链路排列。
38.根据权利要求21所述的方法，其中扫描所述光纤链路包括以螺旋扫描图案扫描所述光纤链路。
39.一种制造多元件光纤扫描仪的方法，所述方法包括：
提供具有包层区域和光纤芯的光纤光缆；
将激光束聚焦在所述光纤光缆的所述包层区域内的一系列预定位置处；
在所述一系列预定位置中的每一个位置处创建多个损坏位点；
将所述光纤光缆暴露于蚀刻剂溶液；
优选地刻蚀所述多个损坏位点，以形成：
具有基平面和与所述基平面正交的纵向轴线的基部；
沿所述纵向轴线设置在距所述基部预定距离处的保持垫圈；
包括所述光纤芯、穿过所述基平面并接合到所述保持垫圈的第一光纤链路；和
接合到所述基部、从所述基部延伸到所述保持垫圈并接合到所述保持垫圈的多个附加链路。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，在所述一系列预定位置中的每一个预定位置处的所述多个损坏位点形成网格。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述网格的一部分包括穿过所述包层区域朝向所述光纤芯的多个径向通孔。
42.根据权利要求40所述的方法，其中，所述网格的一部分包括沿所述纵向轴线延伸的多个纵向通孔。
43.根据权利要求39所述的方法，其中，在所述一系列预定位置中的每一个预定位置处创建所述多个损坏位点包括：
首先创建邻近所述光纤芯的所述多个损坏位点的第一部分；和
随后创建邻近所述包层区域的周边的所述多个损坏位点的第二部分。
44.根据权利要求39所述的方法，还包括使所述光纤光缆围绕所述纵向轴线旋转。
45.根据权利要求44所述的方法，还包括停止所述光纤光缆的旋转并在固定的纵向位置处钻入所述光纤光缆以形成穿过所述包层区域朝向所述光纤芯的径向通孔。
46.根据权利要求39所述的方法，其中，所述光纤光缆包括设置在所述包层区域中的多个牺牲区域，其中，所述多个牺牲区域中的第一组包括牺牲材料。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述牺牲材料以比所述包层区域的蚀刻速率更高的蚀刻速率表征。
48.根据权利要求46所述的方法，其中，所述多个牺牲区域的第二组包括气腔。
49.根据权利要求39所述的方法，其中，所述第一光纤链路以可变直径的锥形轮廓为特征。
50.根据权利要求39所述的方法，其中，所述第一光纤链路和所述多个附加链路单独地接合到所述保持垫圈。
51.根据权利要求39所述的方法，其中，所述第一光纤链路独立于所述多个附加链路穿过所述基部，并且所述第一光纤链路和所述多个附加链路中的每一个附加链路通过气隙在空间上隔开。
52.根据权利要求39所述的方法，还包括在所述激光束沿其传播的光路中提供透镜，其中，所述透镜可操作以将所述激光束聚焦在所述光纤光缆的所述包层区域内的聚焦点处。
53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述透镜包括像散透镜，所述像散透镜可操作以补偿在所述激光束传播通过所述光纤电缆时的圆柱聚焦。
54.根据权利要求52所述的方法，还包括将所述透镜与散光透镜组合以创建复合透镜，其中，所述透镜将所述激光束聚焦在所述光纤光缆的所述包层区域内的所述聚焦点处，并且所述像散透镜可操作以提供像散预校正，以补偿在所述激光束传播通过所述光纤电缆时的圆柱聚焦。
55.一种制造多元件光纤扫描仪预制件的方法，所述多元件光纤扫描仪预制件包括至少一个光纤波导、光纤支撑件和牺牲材料，所述方法包括：
拉制所述预制件以形成具有以下特性的光纤结构：
多个牺牲区，其中所述多个牺牲区中的第一组包括牺牲材料；
将所述光纤结构暴露于蚀刻剂溶液；以及
优选地刻蚀所述牺牲材料以形成：
具有基平面和与所述基平面正交的纵向轴线的基部；
沿所述纵向轴线设置在距所述基部预定距离处的保持垫圈；
包括至少一个光纤波导、穿过所述基部、并接合到所述保持垫圈的第一光纤链路；和
接合到所述基部、从所述基部延伸到所述保持垫圈、并接合到所述保持垫圈的多个光纤支撑件。
56.根据权利要求55所述的方法，还包括用掺杂剂掺杂所述牺牲材料，所述掺杂剂包括氟、锗、硼、磷、镓、铟、砷或锑中的至少一种。
57.根据权利要求55所述的方法，其中，所述第一光纤链路以可变直径的锥形轮廓表征。
58.根据权利要求55所述的方法，其中，所述多个牺牲区域的第二组包括气腔。
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