CN116500776A - 动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜、阵列及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜、阵列及其应用。该光学扫描镜包括光学镜面、永磁体、双轴扭转机构、驱动电磁铁；光学镜面与永磁体的一端相连接，永磁体中间与双轴扭转机构连接，驱动电磁铁产生的驱动磁场与永磁体的磁矩相交，永磁体受到电磁扭矩的作用而发生扭转运动；光学镜面位于双轴扭转机构的上方，两者所在的平面相互平行，且两者的垂直距离满足光学镜面在最大扫描角度内转动时的空间要求；驱动电磁铁包括三个及三个以上气隙磁极，气隙磁极对称分布，气隙磁极中间构成电磁铁气隙，永磁体位于电磁铁气隙中间，电磁铁气隙的尺寸满足永磁体在最大扫描角度内转动所需的空间要求。本发明可以实现大镜面尺寸、大角度扫描。

Description

动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜、阵列及其应用

技术领域

本发明涉及光学扫描镜技术领域，尤其涉及一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜、阵列及其应用。

背景技术

随着激光技术在激光雷达、激光通信、激光加工、激光成像、激光3D打印等领域获得了成功和日益广泛的应用，对相关的激光光学元件产生了巨大的需求，特别是光学扫描镜是激光应用中不可或缺的核心元件，通过光学扫描镜进行激光扫描可以实现特定图案的激光描绘生成、激光指向、激光跟踪，因此，光学扫描镜具有广泛的应用前景和巨大的市场需求。

光学扫描镜是通过电机带动光学反射镜扭转或旋转实现光束的扫描，目前光学扫描分为振镜扫描、转镜扫描、光楔扫描和快反镜四种，各自的特点如下：

1)振镜扫描：采用扭摆电机驱动光学反射镜，其基本原理是通过线圈的驱动电流在偏置磁场中产生电磁扭矩，与其转子的机械纽簧产生与扭转角度成正比的回复力矩平衡。该扭摆电机是往复式的角度偏转，其偏转角与驱动电流成正比，与磁电式电流计的工作原理一样，因此振镜又叫电流计扫描振镜(galvanometric scanner)。振镜只能实现单轴扫描，由于其转子与反射镜的质量大、转动惯量大，扫描频率只能达到数百Hz，而且振镜的光学占空比小、一致性差，难以实现阵列化。

2)转镜扫描：由高速电机驱动多面反射镜进行单向的连续旋转实现光束无回扫的单向光束扫描，其扫描的角速度通常是固定的。转镜扫描中多面镜高速旋转将产生巨大的离心力，限制其扫描转速为每秒数百转。同样，转镜也存在单轴扫描、光学占空比低、一致性差等不足，难以实现阵列化。

3)光楔扫描：由两台电机旋转驱动两块串联的光楔板实现激光束的透射式二维扫描，但其扫描图案特殊，不同于通常的光栅式扫描，也存在光学占空比低、一致性差等不足，难以实现阵列化。

4)快反镜：三个(或四个)压电驱动器或音圈电机驱动器驱动双轴柔性机构，在柔性机构上安装光学反射镜，实现对激光束的双轴扫描。快反镜的扫描角度很小，而且存在严重的迟滞，需要闭环反馈实现线性驱动。

以上的传统光学扫描镜为精密复杂的扫描机构，体积大、重量重、光学占空比低、光束扫描不灵活，成本高昂、控制复杂，仅能应用在特定的应用场景。

随着MEMS技术的成熟并与光学技术的融合，发展出了光学MEMS技术，MEMS扫描镜正是光学MEMS技术中一个成功的器件，其具有扫描速度快、多轴扫描、体积小、批量化制造、成本低、一致性好等许多优势，成为低激光功率、小尺寸镜面激光扫描的主流技术，在激光雷达、激光通信等具有广阔的市场前景。

从MEMS扫描镜的扫描方式来看，可以分为谐振式MEMS扫描振镜和准静态MEMS扫描镜，或者两者的混合。谐振式扫描利用机械谐振效应可以获得较大的扫描角，但不能实现任意区域的矢量扫描，而且对环境温度敏感，扫描光栅不稳定。准静态扫描镜可以实现任意区域的矢量扫描，但扫描角度较小，通常只能达到几度的范围。

从MEMS驱动方式看，MEMS扫描镜主要包括静电驱动、电磁驱动、压电驱动和电热驱动四种，其中静电驱动是最成熟、应用最广泛的驱动方式。静电驱动的力密度较小，驱动力与驱动力矩都很小，因此静电扫描镜的镜面尺寸通常在10微米到3000微米，其扫描角度范围也较小，而且镜面尺寸与扫描角度范围相互制约。相对而言，电磁驱动具有较大的力密度，可以实现较大的驱动力与驱动力矩，因此电磁扫描镜的镜面尺寸可以达到5000微米，其扫描角度范围可达到30°(H，谐振扫描方式)×20°(V，准静态扫描方式)，同样，其镜面尺寸与扫描角度范围相互制约。目前电磁驱动通常在微镜的运动框架上制造MEMS线圈，即采用动线圈的电磁驱动器，其线圈匝数非常有限，一般仅20-30匝，而且偏置磁场气隙大，因此其驱动功耗比较大、驱动效率不高。动线圈电磁驱动器由于仅有一组线圈和单一偏转磁场，实现双轴扫描较为困难，仅能实现一轴谐振扫描，另一轴准静态扫描。另一种电磁扫描镜，采用磁极间的吸引及排斥力原理，磁极间需要较大的气隙，这造成了镜面扫描超出一定角度后，驱动呈现显著的非线性甚至磁吸合，并且驱动效率低。

MEMS扫描镜的镜面尺寸通常比较小，目前最大仅数毫米直径，而且扫描镜面尺寸与扫描角度范围相互制约，难以同时实现大尺寸镜面和大扫描角度，同时已有MEMS扫描镜技术的光学占空比仅10-20％，难以实现高占空比阵列化应用。解决MEMS扫描镜目前技术难题，发展大镜面尺寸、大扫描角度、高占空比MEMS扫描镜是拓展MEMS扫描镜应用市场的关键。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜、阵列及其应用，用于解决传统光学扫描镜体积大、重量重、光学占空比低、光束扫描不灵活，成本高昂、控制复杂，仅能应用在特定的应用场景，已有的MEMS扫描镜难以实现高占空比阵列化应用等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，包括光学镜面、永磁体、双轴扭转机构、驱动电磁铁；所述光学镜面与永磁体连接，永磁体中间与双轴扭转机构连接，驱动电磁铁产生的驱动磁场与永磁体的磁矩相交，永磁体受到电磁扭矩的作用而发生扭转运动；所述光学镜面位于所述双轴扭转机构的上方，两者所在的平面相互平行，且两者的垂直距离满足所述光学镜面在最大扫描角度内转动时的空间要求，由此构成隐藏式的驱动结构；所述驱动电磁铁包括三个及三个以上气隙磁极，所述气隙磁极对称分布，所述气隙磁极中间构成电磁铁气隙，所述永磁体位于所述电磁铁气隙中间，所述电磁铁气隙的尺寸满足永磁体在最大扫描角度内转动所需的空间要求。

本发明还提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列包括多个如前述任一方案所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，多个所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜在同一平面内阵列排布。

本发明还提供一种如上述任一方案所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜或阵列的应用，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜或阵列应用于激光相控阵、激光通信、激光雷达，以及激光武器中的任意一种。

如上所述，本发明的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜、阵列及其应用，具有以下有益效果：本发明所提出的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜及其阵列，采用扭矩输出型动磁式电磁驱动原理，通过隐藏式的镜面-双轴扭转机构-电磁铁三层结构设计，保证了永磁体的质心与电磁驱动器旋转中心的重合，并为镜面大角度扫描提供了充足的运动空间，从而可实现电磁驱动结构产生一个原理上无净力的纯扭矩驱动。因此，相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)实现大镜面尺寸，提高激光雷达、激光通信系统接受光信号的能量和信噪比；

2)双轴独立扫描，极大简化扫描控制算法；

3)大角度扫描，能满足激光雷达、激光通信大视野、到范围扫描的技术需求；

4)双轴可同时实现准静态扫描，可以实现任意区域的矢量式扫描，提高扫描的灵活性和有效性；

5)高占空比的隐藏式驱动结构，不仅可以减小光学扫描镜单元的水平尺寸，而且还可以构成高占空比的扫描镜阵列；

6)电磁驱动的线性驱动曲线，极大简化电磁驱动器的驱动控制算法，为高精度驱动提供了良好的技术基础；

7)高效电磁扭转驱动，消耗功耗低，扫描镜自身发热少，扫描镜运行更稳定，对阵列化扫描镜以及航天应用也具有重要意义。

以上有益效果是现有技术无法达到的优点。而本发明则可以同时具备这些技术优点，克服了现有光学扫描技术中镜面尺寸、扫描角度相互制约的技术难题，解决了光学扫描镜应用于激光雷达、空间激光通信、激光相控阵等的痛点问题，可以充分满足应用的需求。

附图说明

图1显示为本发明实施例一提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的组装结构示意图。

图2显示为图1的分解结构示意图。

图3显示为图2中的万向节的俯视结构示意图。

图4显示为图2中的封装结构的示意图。

图5显示为图2中的驱动电磁铁与封装结构的连接关系示意图。

图6显示为图5的分解结构示意图。

图7显示为本发明提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的驱动电磁铁的结构示意图。

图8显示为图7的分解结构示意图。

图9显示为图8中的铁芯的结构示意图。

图10显示为本发明提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的气隙磁极的位置关系示意图。

图11显示为本发明实施例二提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的驱动电磁铁的结构示意图。

图12显示为本发明实施例二提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的双轴扭转机构的示意图。

图13及14显示为本发明实施例三提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列于不同示例中的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

请参阅图1至图14。

如图1-12所示，本发明提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，包括光学镜面1、永磁体2、双轴扭转机构、驱动电磁铁5；所述光学镜面1与永磁体2的一端相连接，永磁体2中间与双轴扭转机构连接，驱动电磁铁5产生的驱动磁场B与永磁体2的磁矩M相交，永磁体2受到电磁扭矩τ的作用而发生扭转运动，这些结构共同构成所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜；更具体地，所述光学镜面1位于所述双轴扭转机构的上方，两者所在的平面相互平行，且两者的垂直距离满足所述光学镜面1在最大扫描角度内转动时的空间要求，由此构成隐藏式的驱动结构；所述驱动电磁铁5包括三个及三个以上气隙磁极511，所述气隙磁极511对称分布，例如呈中心对称分布，所述气隙磁极511中间构成电磁铁气隙，所述永磁体2位于所述电磁铁气隙中间，通常位于电磁铁气隙的正中心位置，所述电磁铁气隙的尺寸满足永磁体在最大扫描角度内转动所需的空间要求。

本发明所提出的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜及其阵列，采用扭矩输出型动磁式电磁驱动原理，通过隐藏式的镜面-双轴扭转机构-电磁铁三层结构设计，保证了永磁体的质心与电磁驱动器旋转中心的重合，并为镜面大角度扫描提供了充足的运动空间，从而可实现电磁驱动结构产生一个原理上无净力的纯扭矩驱动。因此，相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：1)实现大镜面尺寸，提高激光雷达、激光通信系统接受光信号的能量和信噪比；2)双轴独立扫描，极大简化扫描控制算法；3)大角度扫描，能满足激光雷达、激光通信大视野、到范围扫描的技术需求；4)双轴可同时实现准静态扫描，可以实现任意区域的矢量式扫描，提高扫描的灵活性和有效性；5)高占空比的隐藏式驱动结构，不仅可以减小光学扫描镜单元的水平尺寸，而且还可以构成高占空比的扫描镜阵列；6)电磁驱动的线性驱动曲线，极大简化电磁驱动器的驱动控制算法，为高精度驱动提供了良好的技术基础；7)高效电磁扭转驱动，消耗功耗低，扫描镜自身发热少，扫描镜运行更稳定，对阵列化扫描镜以及航天应用也具有重要意义。

所述光学镜面1包括但不限于采用单晶硅和铝制作的高质量的光学反射镜，其表面可以进一步镀制有光学反射膜，例如镀有金层，镜面形状包括但不限于具有中心对称的圆形、椭圆形、正方形、长方形和正六边形中的一种。

在进一步的示例中，所述光学镜面1的背面设计有镂空结构，以进一步减小其质量，提供扫描灵活性，所述光学镜面1的背面还设置有支撑连接结构，经所述支撑连接结构与所述永磁体2的一端相连接。较佳地，所述光学镜面1的支撑连接结构通过低应力胶与永磁体2连接，这可以提高组装灵活性，减少对光学镜面1的损伤。

所述光学镜面1的镜面尺寸为2mm-50mm(镜面尺寸为镜面沿排布方向的延伸尺寸，例如镜面为圆形时，该尺寸指其直径，若镜面为矩形时，该尺寸指矩形边长)，以确保可以获得高光学质量的同时满足衍射光学极限镜面质量要求。

在一示例中，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的光学角度扫描范围为-60°～60°，但不限于此，还可以根据需要进一步拓展，扫描方式包括准静态扫描、谐振式扫描和混合式扫描中的任意一种，优选双轴准静态扫描。

所述永磁体2为具有强磁性、大表面剩磁的永磁体，材料优选钕铁硼、钐鈷中的任意一种或两种，形状优选但不限于圆柱形、长方体或底面为多边形的柱体，并沿长度方向充磁。

所述双轴扭转机构为可以实现沿X、Y轴扫描的柔性运动机构，在一示例中，所述双轴扭转机构为双轴独立扭转的万向节柔性扫描机构，两轴的扭转刚度较佳地为彼此相等，其材料优选单晶硅，且优选经MEMS工艺加工而成。

在进一步的示例中，如图3所示，所述双轴扭转机构包括用于承载永磁体的承载平台31，与双轴扭转机构的运动部分连接，所述承载平台31中间(通常为正中心)设置有通孔，所述双轴扭转机构的两个垂直扭转轴相交于扭转中心，且位于通孔中心位置，永磁体2从通孔中心插入而与承载平台31进行连接，且较佳地，永磁体2与承载平台31为胶连接，所述永磁体2与所述承载平台31的连接固定位置为永磁体2质心与所述双轴扭转机构的扭转中心重合的位置，以实现对永磁体的接近纯扭矩的扭转驱动。

在进一步的示例中，所述双轴扭转机构还包括集成角度传感器(未示出)，用于实现双轴扫描角度的实时测量，所述集成角度传感器包括但不限于压阻传感器、电容传感器、压电传感器和电磁传感器中的任意一种，优选采用压阻传感器或电容传感器。

作为示例，如图7-9所示，所述驱动电磁铁5包括铁芯51和线圈52，所述铁芯51由软磁材料加工而成，铁芯51包括相接的气隙磁极511、导磁部分512与导磁底板513，所述软磁材料优选但不限于低磁滞、高磁导率的坡莫合金；所述线圈52由含绝缘表层的导线绕制而成，绕制于所述铁芯51的所述导磁部分512；所述线圈52在驱动电流激励下产生磁场强度可控的驱动磁场，驱动磁场通过所述铁芯51的所述气隙磁极511、导磁部分512和导磁底板513，与所述电磁铁气隙构成闭合磁路。

在进一步的示例中，所述铁芯51中的所述气隙磁极511垂直于所述导磁部分512，所述气隙磁极511包含切角或弧形倒角，用于为所述光学镜面1的运动提供空间；所述铁芯51中的所述导磁部分512垂直于所述双轴扭转机构外框所处的平面且垂直于导磁底板，并与导磁底板进行磁性、机械连接，优选胶连接。

在一示例中，所述气隙磁极511内的磁场由驱动电磁铁5产生的电磁铁磁场和所述永磁体2的剩磁磁矩产生的永磁体2磁场构成；任意两所述驱动电磁铁5的气隙磁极511的间距小于驱动电磁铁5的所述导磁部分512的间距；所述闭合磁路中的所述电磁铁气隙内聚集了自由空间中的大部分的所述电磁铁磁场；所述电磁铁磁场在所述气隙内的磁场方向垂直于所述永磁体2未偏转的初始位置，并随驱动电磁铁5的多个驱动电流的变化而在垂直于永磁体2的平面内旋转，驱动扭矩的方向由矢量积τ＝M×B决定，其中，B为驱动电磁铁5产生的驱动磁场，M为永磁体2的磁矩。

在进一步的示例中，所述驱动电磁铁5的各驱动铁芯51上绕制包括一组多匝数的粗调制线圈和一组少匝数的精调制线圈(精调制线圈匝数少于粗调制线圈匝数)，所述粗调制线圈实现对光学扫描镜的大角度扫描控制，所述精调制线圈实现对驱动磁场的精细、快速控制。

所述隐藏式的驱动结构是指所述双轴扭转机构被所述光学镜面1所遮挡，在所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜表面仅可以看见光学镜面1，可以获得高光学占空比，优选占空比大于50％。

如图13所示，本发明还提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列包括多个(3个及以上)如上述任一方案中所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜100，多个所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜100在同一平面内阵列排布。对所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的更多介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。由于采用前述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，使得本发明提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列同样具有可实现大镜面尺寸、大角度扫描等优点。

作为示例，多个所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜100的平面排列方式包括正四边形、正六边形和正三角形中的任意一种，优选正四边形排列，构成m×n的阵列，这里m、n为大于等于2的正整数。且多个动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜优选采用MEMS工艺批量制造、阵列化微组装封装，以保证所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列的良好一致性。

在一示例中，相邻的所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜之间设置有用于降低光学扫描镜之间的磁串扰的磁屏蔽框架(未示出)，所述磁屏蔽框架优选采用软磁材料，例如不锈钢制作而成。

本发明还提供一种如上述任一方案中所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜或上述任一方案所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列的应用，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜或阵列应用于激光相控阵、激光通信、激光雷达以及激光武器中的任意一种，即单次可以应用单个前述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，也可以单次同时使用多个前述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，具体可以根据应用需求而定，对此不做严格限制。

为使本发明的技术方案和优点更加突出，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，具体为一种扭转中心位于永磁体质心的二维电磁驱动光学扫描镜，其结构包括光学镜面1、永磁体2、作为双轴扭转机构的万向节3及驱动电磁铁5，且所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜可以进一步包括封装结构4以便于各结构的连接固定。参考图1，光学镜面1为单晶硅通过MEMS工艺加工得到，直径为10mm。光学镜面1表面镀金，表面粗糙度≤2nm，在中红外波段具有大于97％的高反射率。

图2是图1所示结构的分解视图。参见图2，永磁体2设置在光学镜面1下方，永磁体2的磁极之一与光学镜面1通过胶粘固定，永磁体2的极化方向垂直镜面。在本实施例中，永磁体2的尺寸为3×1×1mm，3mm高度方向为极化充磁方向；永磁体2采用钕铁硼材料，剩磁为1.2Tesla。

参见图2和图3，万向节3是双轴可以独立转动的柔性运动机构，连接了永磁体2和封装结构4，万向节3的永磁体承载平台31与永磁体2的中心连接。万向节外框32与封装结构4连接，万向节外框32与承载平台31之间用两对正交的柔性单晶硅扭转梁33连接，从而在永磁体2产生的扭矩驱动下，产生方位角和偏转角两个维度上的转动，且转动时，万向节3的扭转中心与永磁体2的质心重合。

在本实施例中，万向节3由硅片经过MEMS工艺加工得到，具有亚微米级的加工精度，其主要工艺是光刻、硅深刻蚀工艺；万向节3包含了放置于水平方向和垂直方向的两对柔性扭转梁。柔性扭转梁的长度L为1200μm，宽度为25μm，高度为250μm，两根柔性扭转梁在方位、俯仰维度上的扭转刚度为10^-4N·m/rad量级，数十μN·m的扭矩便可驱动一对柔性扭转梁扭转动机械角15°；在垂直方向上的弹性梁垂直刚度Kz在104N/m量级，较大的刚度Kz保持了万向节在不同方向、角度的转动时其回转中心位置变化量极小，进而保证了万向节的扭转中心与永磁体的质心在不同扭转状态下始终保持重合，同时还能提高扫描镜抵抗垂直振动、冲击的能力。

光学镜面1与万向节外框32之间的距离S满足光学镜面大角度偏转时的空间要求，即在任意扫描状态下光学镜面不能与万向节发生碰撞。在本实施例中，光学镜面直径为10mm，偏转15°机械角时需要(10mm/2)*sin(15°)≈1.294mm的垂直高度空间，设置垂直高度为1.35mm。

参见图4，封装结构4包含封装壳体41与软磁底板42，封装壳体41由金属块材机械加工成型，软磁底板42由软磁材料机械加工成型；在本实施例中，封装壳体41由45号钢加工而成，高度为23mm，软磁底板42由厚为4mm的1J85坡莫合金材料经机械加工成型。

封装壳体41与万向节3外部相连接，以为万向节外部提供支撑，成为万向节内部、永磁体及镜面系统扭转活动的基础。

参见图5及图6，本实施例中提出的光学扫描镜包含四个驱动电磁铁5，安装于软磁底板42之上。

参见图7及图8，驱动电磁铁5包含铁芯51和线圈52。

参见图9，铁芯51由软磁材料构成，包含气隙磁极511、导磁部分512与导磁底板513；线圈52绕制于铁芯51的导磁部分512，线圈52在不同电流激励下产生强度可变的磁场，并通过导磁部分512传导。在本实施例中，线圈采用线径0.1mm的漆包铜线，匝数为800匝，输入电流为50mA，导磁部分长度为14mm；气隙磁极511位于导磁部分的一端，四个驱动电磁铁的气隙磁极511共同构成电磁铁气隙，永磁体2位于该电磁铁气隙内，驱动永磁体的磁场由四个驱动电磁铁的气隙磁场合成得到，磁场指向方向与幅度通过控制四个驱动电磁铁上线圈的驱动电流大小和方向来控制。

参见图10，两气隙磁极511之间的距离g小于导磁部分512之间的距离。在本实施例中，导磁部分512垂直放置，气隙磁极511水平放置，成对的气隙磁极511之间的距离为2.6mm，导磁部分512之间的距离为7mm。

气隙磁极511的截面与永磁体位于0度时的初始位置平行，且气隙磁极511的截面的高度略小于永磁体2的磁极方向上的高度。在本实施例中，气隙磁极截面的高度为2.6mm，宽度为1mm，永磁体2磁极上的高度为3mm，气隙磁极511的截面的高度上的中点与永磁体2高度的中点在垂直位置的坐标相同。驱动电磁铁产生的磁场穿过气隙磁极截面，在气隙磁极截面之间构成了可调的磁场，并驱动永磁体输出扭矩。

气隙磁极511之间的空间满足永磁体2大角度扭转所需的运动空间。在本实施例中，气隙磁极511之间的距离为2.6mm，高度为3mm，截面为1mm×1mm的正方形的永磁体绕质心扭转15度所需的空间小于(3mm/2)*sin(15°)*2+0.5mm*2≈1.78mm。

如图3所示，驱动电磁铁5的气隙磁极511位于万向节的永磁体承载平台内部设置的通孔空间处，通孔尺寸满足万向节大角度转动时不与驱动电磁铁触碰的要求。在本实施例中，通孔为扇形，四只扇形通孔为四只驱动电磁铁提供空间，扇形内径为1mm，外径为3.8mm。

导磁底板513安装于软磁底板42之上，以形成闭合的磁路，降低磁路磁阻。

本实施例中，万向节3与驱动电磁铁5的相对位置通过封装结构4限定。在本实施例中，万向节3与封装壳体41连接，驱动电磁铁5与软磁底板42连接，封装壳体41与软磁底板42通过螺丝螺孔连接。

实施例二

本实施例提供另一种结构的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，同样为扭转中心位于永磁体质心的二维电磁驱动光学扫描镜，其结构包括光学镜面1、永磁体2、万向节3、封装结构4及电磁铁5，其中，光学镜面1、永磁体2及封装结构4的结构与实施例一相同，其结构参考图1及图2。

参见图11，本实施例的光学扫描镜包含三个驱动电磁铁5，安装于软磁底板42之上。

参见图12，本实施例的光学扫描镜包含的万向节3中包含的永磁体的承载平台包含了为三个驱动电磁铁设置的活动空间。

本实施例提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其仅包括三个驱动电磁铁，而实施例一提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜则包括4个驱动电磁铁。除该区别外，本实施例的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的其他结构，包括各结构的材质和尺寸等参数可与实施例一相同，具体请参考实施例一的描述，出于简洁的目的不再赘述。

实施例三

如图13所示，本实施例提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列，该基于合成旋转磁场的电磁驱动二维光学扫描镜阵列是由基于合成旋转磁场的电磁驱动二维光学扫描镜按照4×4的阵列排布方式组阵构成，即采用多个如实施例一或二中任一项所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜100，通过阵列排布而成。故前述内容可以全文引用至此，出于简洁的目的不赘述。

如图14所示，在另一示例中，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列由多个如实施例一或二中任一项所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜100按照7元组的阵列排布方式组阵构成。

综上所述，本发明提供一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜、阵列及其应用。该光学扫描镜包括光学镜面、永磁体、双轴扭转机构、驱动电磁铁；所述光学镜面与永磁体的一端相连接，永磁体中间与双轴扭转机构连接，驱动电磁铁产生的驱动磁场与永磁体的磁矩相交，永磁体受到电磁扭矩的作用而发生扭转运动；所述光学镜面位于所述双轴扭转机构的上方，两者所在的平面相互平行，且两者的垂直距离满足所述光学镜面在最大扫描角度内转动时的空间要求，由此构成隐藏式的驱动结构；所述驱动电磁铁包括三个及三个以上气隙磁极，所述气隙磁极对称分布，所述气隙磁极中间构成电磁铁气隙，所述永磁体位于所述电磁铁气隙中间，通常位于电磁铁气隙的正中心位置，所述电磁铁气隙的尺寸满足永磁体在最大扫描角度内转动所需的空间要求。本发明可以实现大镜面尺寸、双轴独立和大角度扫描，且双轴可同时实现准静态扫描，可以极大简化电磁驱动器的驱动控制算法，构成高占空比的扫描镜阵列。本发明提供的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜可应用于激光相控阵、激光通信、激光雷达以及激光武器中的任意一种。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，包括光学镜面、永磁体、双轴扭转机构、驱动电磁铁；所述光学镜面与永磁体连接，永磁体中间与双轴扭转机构连接，驱动电磁铁产生的驱动磁场与永磁体的磁矩相交，永磁体受到电磁扭矩的作用而发生扭转运动；

所述光学镜面位于所述双轴扭转机构的上方，两者所在的平面相互平行，且两者的垂直距离满足所述光学镜面在最大扫描角度内转动时的空间要求，由此构成隐藏式的驱动结构；

所述驱动电磁铁包括三个及三个以上气隙磁极，所述气隙磁极对称分布，所述气隙磁极中间构成电磁铁气隙，所述永磁体位于所述电磁铁气隙中间，所述电磁铁气隙的尺寸满足永磁体在最大扫描角度内转动所需的空间要求。

2.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述光学镜面包括采用单晶硅和铝制作的光学反射镜，其表面镀制有光学反射膜，镜面形状包括具有中心对称的圆形、椭圆形、正方形、长方形和正六边形中的一种。

3.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述光学镜面的背面设计有镂空结构和支撑连接结构，经所述支撑连接结构与所述永磁体的一端相连接。

4.根据权利要求3所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述光学镜面的支撑连接结构通过低应力胶与永磁体连接。

5.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述光学镜面的镜面尺寸为2mm-50mm。

6.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的光学角度扫描范围为-60°～60°，扫描方式包括准静态扫描、谐振式扫描和混合式扫描中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述永磁体的材质包括钕铁硼和钐鈷中的任意一种或两种，形状包括圆柱形、长方体和底面为多边形的柱体中的任意一种，并沿长度方向充磁。

8.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述双轴扭转机构为双轴独立扭转的万向节柔性扫描机构，两轴的扭转刚度彼此相等，双轴扭转机构的材料包括单晶硅，经MEMS工艺加工而成。

9.根据权利要求8所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述双轴扭转机构包括用于承载永磁体的承载平台，与双轴扭转机构的运动部分连接，所述承载平台中间设置有通孔，所述双轴扭转机构的两个垂直扭转轴相交于扭转中心，且位于通孔中心位置，永磁体从通孔中心插入而与承载平台进行连接。

10.根据权利要求9所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，永磁体与承载平台为胶连接，所述永磁体与所述承载平台的连接固定位置为永磁体质心与所述双轴扭转机构的扭转中心重合的位置，以实现对永磁体的接近纯扭矩的扭转驱动。

11.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述双轴扭转机构还包括集成角度传感器，用于实现双轴扫描角度的实时测量，所述集成角度传感器包括压阻传感器、电容传感器、压电传感器和电磁传感器中的任意一种。

12.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述驱动电磁铁包括铁芯和线圈，所述铁芯由软磁材料加工而成，铁芯包括相接的气隙磁极、导磁部分与导磁底板，所述软磁材料包括坡莫合金；所述线圈由含绝缘表层的导线绕制而成，绕制于所述铁芯的所述导磁部分；所述线圈在驱动电流激励下产生磁场强度可控的驱动磁场，驱动磁场通过所述铁芯的所述气隙磁极、导磁部分和导磁底板，与所述电磁铁气隙构成闭合磁路。

13.根据权利要求12所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述铁芯中的所述气隙磁极垂直于所述导磁部分，所述气隙磁极包含切角或弧形倒角，用于为所述光学镜面的运动提供空间；所述铁芯中的所述导磁部分垂直于所述双轴扭转机构外框所处的平面且垂直于导磁底板，并与导磁底板进行磁性、机械连接。

14.根据权利要求12所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述气隙磁极内的磁场由驱动电磁铁产生的电磁铁磁场和所述永磁体的剩磁磁矩产生的永磁体磁场构成；任意两所述驱动电磁铁的气隙磁极的间距小于驱动电磁铁的所述导磁部分的间距；所述电磁铁磁场在所述气隙内的磁场方向垂直于所述永磁体未偏转的初始位置，并随驱动电磁铁的多个驱动电流的变化而在垂直于永磁体的平面内旋转，驱动扭矩的方向由矢量积τ＝M×B决定，其中，B为驱动电磁铁产生的驱动磁场，M为永磁体的磁矩。

15.根据权利要求1所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，其特征在于，所述驱动电磁铁的各驱动铁芯上绕制包括一组多匝数的粗调制线圈和一组少匝数的精调制线圈，所述粗调制线圈实现对光学扫描镜的大角度扫描控制，所述精调制线圈实现对驱动磁场的精细、快速控制。

16.一种动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列，其特征在于，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列包括多个如权利要求1-15任一项所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜，多个所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜在同一平面内阵列排布。

17.根据权利要求16所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列，其特征在于，多个所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜的平面排列方式包括正四边形、正六边形和正三角形中的任意一种。

18.根据权利要求16所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列，其特征在于，相邻的所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜之间设置有用于降低磁串扰的磁屏蔽框架，所述磁屏蔽框架采用软磁材料制作而成。

19.一种如权利要求1-15任一项所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜或权利要求16-18任一项所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列的应用，其特征在于，所述动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜或所述的动磁式电磁驱动双轴光学扫描镜阵列应用于激光相控阵、激光通信、激光雷达，以及激光武器中的任意一种。