CN115840268A - 一种光纤结构及其应用和光纤扫描器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤结构及其应用和光纤扫描器，其属于光纤扫描领域。本发明通过在光纤结构的端部设置积分表面积为非线性变化的区段，克服了现有技术中“光纤结构头部为锥形，只能用于低频振动”的缺点，故本申请发明提供的光纤结构在应用于光纤扫描领域时，不但能够适用于高频振动，而且振型更加多样化，提升了系统整体的机械扫描性能和图像显示效果；另外，通过在第一侧表面设置凹面，以及内凹区段的轴向距离为对应母线的0.4L以内，进一步提升了光纤扫描系统的机械扫描性能和图像显示效果。

Description

一种光纤结构及其应用和光纤扫描器

技术领域

本发明涉及光纤扫描领域，尤其涉及一种光纤结构及其应用和光纤扫描器。

背景技术

光纤作为一种重要的光波导器件，具有较为广泛的应用。其中，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式，比如医疗用内窥镜系统和激光投影系统等。

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，市场上也涌现许多基于这一思想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。

然而，现有的光纤伴随可控振动器件进行振动扫描时，由于光纤头部形状均为锥形，且一般只能用于低频振动，当其用于高频振动(振动频率在10kHz以上)时，会有以下问题：

1.振型单一，不满足光学产品对振型的多样化需求；

2.扫描图像发生异常的概率高，因此产品不良率高；

3.产品非线性强，输出中会产生与输入频率不同的信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤结构及其应用和光纤扫描器，其能够解决现有光纤在应用时的上述缺点。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种光纤结构，所述光纤结构沿长度方向的相对两端分别为第一端部和第二端部，所述第一端部对应的端面为第一端面，所述光纤结构上距离所述第一端面L处所对应的横截面为第一横截面，所述第一端面的面积小于所述第一横截面的面积；

所述第一端面到所述第一横截面之间对应的所述第一端部的周向侧表面为第一侧表面；

所述第一侧表面的积分侧表面积沿所述第一端部轴向方向设置有非线性变化区段，且所述非线性变化区段的表面积小于所述第一侧表面的总面积。

进一步地，在本发明较佳实施例当中，第一侧表面设置有凹面，且所述凹面位于所述非线性变化区段。

进一步地，在本发明较佳实施例当中，所述第一端面的中心点与所述第一横截面的中心点相连构成所述第一端部的中轴线，所述凹面相对于所述中轴线对称。

进一步地，在本发明较佳实施例当中，所述第一侧表面对应的每个周向上的横截面均为圆。

进一步地，在本发明较佳实施例当中，所述第一端面圆周上的点到所述第一横截面圆周上的相对应的点所构成的直线为基准直线，所述基准直线靠近所述中轴线的一侧为基准直线内侧，所述基准直线远离所述中轴线的一侧为基准直线外侧；

与所述基准直线对应的所述非线性变化区段的母线在所述基准直线的两侧均由分布。

进一步地，在本发明较佳实施例当中，所述母线位于所述基准直线内侧的区段为内凹区段，所述内凹区段所对应的轴向距离小于等于0.4L。

进一步地，在本发明较佳实施例当中，所述内凹区段具有一段；

所述内凹区段位于所述母线靠近所述第一端面的一端，或所述内凹区段位于所述母线靠近所述第一横截面的一端，或所述内凹区段位于所述母线的中间区段。

进一步地，在本发明较佳实施例当中，所述内凹区段具有多段。

本发明还提供一种上述光纤结构的应用，所述光纤结构应用于光纤扫描领域。

本发明还提供一种光纤扫描器，其包括致动器和上述的光纤结构，所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，所述固定部分固定在所述致动器上，所述悬臂部分超出所述致动器形成光纤悬臂，所述光纤悬臂对应所述光纤结构的所述第一端部。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的光纤结构，第一侧表面的积分侧表面积沿第一端部轴向方向设置有非线性变化区段，克服了现有技术中“光纤结构头部为锥形，只能用于低频振动”的缺点(锥形的光纤头部结构，振动特性局限，难以满足高频、大幅度振动实现良好图像显示效果的需求)，故本申请发明实施例中提供的光纤结构在应用于光纤扫描领域时，不但能够适用于高频振动，而且振型更加多样化，对应系统的机械扫描性能和图像显示效果大幅度提升，与此同时，也使得系统信号传输的非线性降低，使其他与输入频率不同的信号减弱。

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为本发明第一实施例提供的光纤结构半剖示意图，内凹区段位于母线靠近第一端面的一端；

图2为本发明第一实施例提供的光纤结构半剖示意图，内凹区段位于母线中间的第一种实施方式；

图3为本发明第一实施例提供的光纤结构半剖示意图，内凹区段位于母线的中间的第二种实施方式；

图4为本发明第一实施例提供的光纤结构半剖示意图，内凹区段位于母线靠近第一横截面的一端；

图5为本发明第一实施例提供的光纤扫描器的结构示意图；

图6为本发明第二实施例提供的光纤结构半剖示意图，内凹区段为两段。

图标：100-光纤结构；101-第一端部；110-第一端面；120-第一横截面；121-致动器；121a-慢轴；121b-快轴；122-悬臂部分；123-镜组；124-扫描器封装壳；125-固定件；130-母线；140-基准直线；150-内凹区段；200-光纤结构；250-内凹区段。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“垂直”等术语并不表示要求部件绝对竖直，而是可以稍微倾斜。如“竖直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加竖直，并不是表示该结构一定要完全竖直，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请结合参照图1-4，本发明实施例提供一种光纤结构100，其主要用于光纤扫描领域，需要说明的是，本发明实施例提供的光纤结构100应用于光纤扫描领域为优选应用领域，但在本发明其他实施例当中，并不仅限于光纤扫描领域，也可以应用其他需要使用光纤结构100进行光介质传输的领域。

进一步具体地，本发明实施例提供的光纤结构100沿长度方向的相对两端分别为第一端部101和第二端部，其中，第一端部101对应的端面为第一端面110，光纤结构100上距离第一端面110L处所对应的横截面为第一横截面120，第一端面110的面积小于第一横截面120的面积；第一端面110到第一横截面120之间对应的第一端部101的周向侧表面为第一侧表面。需要说明的是，第一侧表面的积分侧表面积沿第一端部101轴向方向设置有非线性变化区段，且非线性变化区段的表面积小于第一侧表面的总面积(即第一侧表面上的非线性变化区域为第一侧表面的一部分)。需要强调的是，本发明实施例中提供的光纤结构100通过在第一侧表面上设置非线性变化区段，使得光纤结构100在进行扫描摆动时能够适应高频振动下的多样化振型需求，同时降低产品不良率和信号传输中的频率变化。

进一步还需要特别说明的是，上述第一端部101和第二端部只是为了便于说明和描述采用第一和第二的说法，本质上均属于光纤结构100的一端，两者并没有任何差别，均也可以理解为光纤结构100的任意一端。此外，非线性变化区段，对应到所述第一侧表面上可以为沿轴向曲面变化的区段；可以是由多个平面构成的区段，这多个平面连续且不在同一平面的；也可以是由多个平面和曲面构成。总之，只要能够满足“第一侧表面的积分侧表面积沿第一端部101轴向方向设置有非线性变化区段”即可。

进一步需要说明的是，本发明实施例中提供的光纤结构100上对于其距离第一端面110L处的L长度不做特别限定，但是其优选地，当第一横截面120的直径为D，且D为125微米时，对应L的长度为1000-5000微米；当D为250微米时，对应L的长度为1500-7000微米；当D为300微米时，对应L的长度为2000-10000微米。

进一步可选地，第一侧表面设置有凹面，且凹面位于非线性变化区段。优选地，第一端面110的中心点与第一横截面120的中心点相连构成第一端部101的中轴线，凹面相对于中轴线对称。更优选地，第一侧表面对应的每个周向上的横截面均为圆。需要说明的是，通过在第一侧表面设置凹面，使得光信号在传输过程中经过第一端部101非线性变化区段时，能实现光信号聚集的非线性过渡(对光信号急速变化的一种缓冲)，有利于光信号的集中，以便输出的光信号与光纤本身的振动具有更高的同步性；另外，凹面(本质上属于积分面积非线性变化的其中一种存在形式)的设置使得光信号传输到第一端部101时，其内部能够为光的全反射提供更大的比表面积，从而使得光在聚集过程中全反射点更多，光信号之间的干扰减小，从而保证了光信号的传输质量。

进一步需要说明的是，本发明实施例中第一侧表面设置的凹面从物理角度的定义指的是：过面上任意一点做切面，表面总是在切面的上方。需要强调的是，在本发明其它实施例当中，并不仅限于本实施例提供的凹面设置方式，本实施例提供的凹面设置方式及对应第一侧表面的整体结构形状一方面是属于优选的实施方式，另一方面也是为了便于本实施例的阐述和描述，在其他本发明其它实施例当中，凹面也可以关于中轴线不对称，在第一侧表面的任意区域均可。另外，第一端部101的整体结构可以如本实施例限制要求的回转体(如本发明提供的优选实施例，第一侧表面对应周向上的所有横截面均为圆)，也可以在本发明其它实施例当中，第一端部101为不规则形状，如第一侧表面对应周向上的横截面为椭圆或者其它不规则形状，只要能满足第一侧表面上积分表面积的非线性变化区段设置有凹面即可。

进一步可选地，在本发明提供的实施例当中，第一端面110圆周上的点到第一横截面120圆周上的相对应的点所构成的直线为基准直线140，基准直线140靠近中轴线的一侧为基准直线140内侧，基准直线140远离中轴线的一侧为基准直线140外侧。优选地，与基准直线140对应的非线性变化区段的母线130在基准直线140的两侧均有分布。需要说明的是，通过优选地将母线130限制位于基准直线140的两侧，使得母线130的非线性变化在围绕基准直线140进行变化时更加均衡。当然，在本发明其它实施例当中，并不一定限制母线130如本实施例中一样必须在基准直线140的两侧，也可以在基准直线140的单侧，如在基准直线140的内侧或外侧。

更进一步地，本发明提供的实施例当中，母线130位于基准直线140内侧的区段为内凹区段150，内凹区段150所对应的轴向距离小于等于0.4L。需要说明的是，内凹区段150所对应的轴向距离可以等于0.4L(为了便于表达示意，本发明实施例提供的图示说明以等于0.4L示意)，可以小于0.4L，当小于0.4L时，如可以为0.3L，0.2L，0.1L等。另外，还需要说明的是，本发明实施例提供的内凹区段150为一段，可以在母线130长度方向上的任意位置，如母线130的两端或者中间位置，请继续参照图1-图4，图中第一端面110的直径为d，第一横截面120也就是光纤的直径为D，第一端面110到第一横截面120之间的轴向距离也就是实际端部加工面的轴向长度为L。具体地，内凹区段150可以位于母线130靠近第一端面110的一端，或内凹区段150位于母线130靠近第一横截面120的一端，或内凹区段150位于母线130的中间区段。

另外需要强调的是，本发明实施例中定义的内凹区段150是专指母线130位于基准直线140内侧的区段，是一个相对概念定义的区段，此内凹区段150中可以有凹面也可以有凸面。

请参照图5，本发明还提供一种光纤扫描器，其包括致动器121和如本实施例提供的上述光纤结构100，其中，光纤结构100包括固定部分和悬臂部分122，固定部分固定在致动器121上，悬臂部分122超出致动器121形成光纤悬臂，光纤悬臂对应于光纤结构100的第一端部101。需要说明的是，光纤悬臂对应于光纤结构100的第一端部101主要是为了说明第一端部101的特征与光纤悬臂的对应关系，并不限定光纤悬臂一定就是第一端部101，第一端部101的长度L可以小于光纤悬臂的长度，也可以大于等于光纤悬臂的长度。需要说明的是，为了便于对本发明实施例提供的光纤结构100应用场景进行清楚的描述，特别对本发明提供的光线扫描器进行原理性的详细说明，具体地，请继续参照图4，光线扫描器除过致动器121和光纤结构100以外，通常还包括镜组123、扫描器封装壳124以及固定件125，扫描致动器121通过固定件125固定于扫描器封装壳124中，传输光纤在扫描致动器121的前端延伸形成光纤悬臂(也可称为扫描光纤)，工作时，扫描致动器121在扫描驱动信号的驱动下，其慢轴121a(也称第一致动部)沿竖直方向(该竖直方向平行于图4中参考坐标系内的Y轴，在本申请中，该竖直方向也可称为第一方向)振动，其快轴121b(也称第二致动部)沿水平方向(该水平方向平行于图4中参考坐标系内的X轴，在本申请中，该水平方向也可称为第二方向)振动，受扫描致动器121带动，光纤悬臂的前端按预设轨迹进行二维扫动并出射光束，出射的光束便可透过镜组123实现扫描成像。一般性地，可将扫描致动器121及光纤悬臂所构成的结构称为：光纤扫描器。

本发明实施例提供的光纤结构100及其应用在光纤扫描器中的工作原理为：

工作时，扫描致动器121在扫描驱动信号的驱动下，其慢轴121a也称第一致动部)沿竖直方向(该竖直方向平行于图4中参考坐标系内的Y轴，在本申请中，该竖直方向也可称为第一方向)振动，其快轴121b(也称第二致动部)沿水平方向(该水平方向平行于图4中参考坐标系内的X轴，在本申请中，该水平方向也可称为第二方向)振动，受扫描致动器121带动，光纤悬臂的前端(即就是对应本发明实施例中所述的第一端部101)按预设轨迹进行二维扫动并出射光束，出射的光束便可透过镜组123实现扫描成像。需要强调的是，本发明实施例中，通过在第一侧表面上沿第一端部101轴向方向将积分侧表面积设置有非线性变化区段，克服了现有技术中“光纤结构100头部为锥形，只能用于低频振动”的缺点，故而使得本申请发明实施例中提供的光纤结构100在应用于光纤扫描领域时，不但能够适用于高频振动，而且振型更加多样化，对应系统的机械扫描性能和图像显示效果得到大幅度提升，与此同时，也使得系统信号传输的非线性降低，使其他与输入频率不同的信号减弱。

第二实施例

本发明实施例提供一种光纤结构200，其与第一实施例提供的光纤结构100大致相同，不同之处在于，本发明实施例提供的光纤结构200所对应的第一端部101的内凹区段250为多段，需要说明的是，多段内凹区段250所对应的轴向距离总和也等于小于0.4L，而且多段内凹区段250可以是如两段、三段、四段等。为了便于举例说明，本实施例只提供两段内凹区段250的示意图，请参照图6。需要强调的是，在本发明其它实施例当中，并不仅限于本实施例所举例的，还可以是其它多段内凹区段250，如五段、七段、九段等。

综上所述，本发明实施例提供的光纤结构及其应用和光纤扫描器，通过在光纤结构的端部设置积分表面积为非线性变化的区段，克服了现有技术中“光纤结构头部为锥形，只能用于低频振动”的缺点，故本申请发明实施例中提供的光纤结构在应用于光纤扫描领域时，不但能够适用于高频振动，而且振型更加多样化，对应系统的机械扫描性能和图像显示效果得到大幅度提升；另外，通过在第一侧表面设置凹面，以及限制内凹区段的轴向距离为母线的0.4L以内，进一步提升了光纤扫描系统的机械扫描性能和图像显示效果。

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)

1.一种光纤结构，其特征在于，所述光纤结构沿长度方向的相对两端分别为第一端部和第二端部，所述第一端部对应的端面为第一端面，所述光纤结构上距离所述第一端面L处所对应的横截面为第一横截面，所述第一端面的面积小于所述第一横截面的面积；

所述第一端面到所述第一横截面之间对应的所述第一端部的周向侧表面为第一侧表面；

所述第一侧表面的积分侧表面积沿所述第一端部轴向方向设置有非线性变化区段，且所述非线性变化区段的表面积小于所述第一侧表面的总面积。

2.一种如权利要求1所述的光纤结构，其特征在于，所述第一侧表面设置有凹面，且所述凹面位于所述非线性变化区段。

3.一种如权利要求2所述的光纤结构，其特征在于，所述第一端面的中心点与所述第一横截面的中心点相连构成所述第一端部的中轴线，所述凹面相对于所述中轴线对称。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述的光纤结构，其特征在于，所述第一侧表面对应的每个周向上的横截面均为圆。

5.一种如权利要求4所述的光纤结构，其特征在于，所述第一端面圆周上的点到所述第一横截面圆周上的相对应的点所构成的直线为基准直线，所述基准直线靠近所述中轴线的一侧为基准直线内侧，所述基准直线远离所述中轴线的一侧为基准直线外侧；

与所述基准直线对应的所述非线性变化区段的母线在所述基准直线的两侧均由分布。

6.一种如权利要求5所述的光纤结构，其特征在于，所述母线位于所述基准直线内侧的区段为内凹区段，所述内凹区段所对应的轴向距离小于等于0.4L。

7.一种如权利要求6所述的光纤结构，其特征在于，所述内凹区段具有一段；

所述内凹区段位于所述母线靠近所述第一端面的一端，或所述内凹区段位于所述母线靠近所述第一横截面的一端，或所述内凹区段位于所述母线的中间区段。

8.一种如权利要求6所述的光纤结构，其特征在于，所述内凹区段具有多段。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述光纤结构的应用，其特征在于，所述光纤结构应用于光纤扫描领域。

10.一种光纤扫描器，其特征在于，其包括致动器和权利要求1-8任意一项所述的光纤结构，所述光纤结构包括固定部分和悬臂部分，所述固定部分固定在所述致动器上，所述悬臂部分超出所述致动器形成光纤悬臂，所述光纤悬臂对应所述光纤结构的所述第一端部。

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