CN117806029A - 一种光纤固定结构及光纤扫描系统和光纤扫描器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤固定结构及光纤扫描系统和光纤扫描器，其属于光纤扫描领域。本申请实施例提供的光纤固定结构包括可控振动器件和光纤，所述光纤固定于所述可控振动器件上以使所述光纤可随所述可控振动器件的振动进行摆动。需要说明的是，本申请实施例提供的光纤固定结构，通过在光纤振动时配置光纤在不同方向上具有不同的约束强度，从而使得光纤振动时在同阶弯曲模态下不同方向上具有不同的谐振频率，进而降低光纤振动时不同方向上的振动耦合。另外，还需要说明的是，本申请提供的光纤固定结构在被应用到光纤扫描显示领域时，能够进行高质量的扫描成像显示，故包含有上述光纤固定结构的光纤扫描器以及光纤扫描系统，其具备重要的应用价值。

Description

一种光纤固定结构及光纤扫描系统和光纤扫描器

技术领域

本申请涉及光纤扫描领域，尤其涉及一种光纤固定结构及光纤扫描系统和光纤扫描器。

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，由于光纤截面为正圆形，材质沿中心轴均匀分布，光纤各方向同阶模态的固有频率相同，所以现有的光纤伴随可控振动器件进行某方向振动扫描时，非常容易引起其他方向的振动，造成不同方向上的振动耦合。需要说明的是，定制截面为椭圆，D型等非对称截面的非标光纤，技术不如常规截面为正圆形的光纤成熟，成本高，光纤尺寸精度，一致性难保证；而且用于扫描器的光纤直径普遍很小，直径几十到几百um之间，装配时不容易定位光纤截面长短轴，导致生产效率低，成本高。

申请内容

本申请的目的是提供一种光纤固定结构及光纤扫描系统和光纤扫描器，其能够解决现有光纤在振动时不同方向上振动耦合的缺点。

为了实现上述申请目的，本申请提供以下解决方案：

一种光纤固定结构，所述光纤固定结构包括可控振动器件和光纤，所述光纤固定于所述可控振动器件上以使所述光纤可随所述可控振动器件的振动进行摆动；

所述光纤在进行所述摆动时沿垂直于所述光纤轴向方向受到有约束力，每个方向上的所述约束力配置有相对应的约束强度，所述约束强度包括相互垂直的第一约束强度和第二约束强度，所述第一约束强度和所述第二约束强度大小不同。

进一步地，在本申请较佳实施例当中，所述可控振动器件和所述光纤之间设置有固定件。

进一步地，在本申请较佳实施例当中，所述固定件由胶制成。

进一步地，在本申请较佳实施例当中，所述可控振动器件包括压电陶瓷片。

进一步地，在本申请较佳实施例当中，所述光纤通过所述固定件部分贴合于所述压电陶瓷片，所述光纤未于所述压电陶瓷片贴合的部分形成光纤悬臂。

进一步地，在本申请较佳实施例当中，所述固定件设置于所述光纤悬臂的根部。

进一步地，在本申请较佳实施例当中，所述第一约束强度所对应的所述约束力为所述光纤沿所述压电陶瓷片厚度方向所受的力。

进一步地，在本申请较佳实施例当中，所述压电陶瓷片靠近所述光纤悬臂的端面和所述固定件靠近所述光纤悬臂的端面齐平；

所述第一约束强度大于所述第二约束强度。

本申请还提供一种光纤扫描系统，所述光纤扫描系统包括上述的光纤固定结构。

本申请还提出一种光纤扫描器，其包括上述的光纤固定结构，所述可控振动器件为致动器，所述光纤固定在所述致动器上；

所述光纤固定结构包括固定部分和悬臂部分，所述固定部分为所述光纤与所述致动器相对固定的部分，所述悬臂部分为所述光纤超出所述致动器形成的所述光纤悬臂。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

本申请实施例提供的光纤固定结构，通过在光纤振动时配置光纤在不同方向上具有不同的约束强度，从而使得光纤振动时在同阶弯曲模态下不同方向上具有不同的谐振频率，进而降低光纤振动时不同方向上的振动耦合。另外，还需要说明的是，本申请提供的光纤固定结构在被应用到光纤扫描显示领域时，能够进行高质量的扫描成像显示，故包含有上述光纤固定结构的光纤扫描器以及光纤扫描系统，其具备重要的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请实施例1提供的光纤固定结构的示意图；

图2为本申请实施例1提供的光纤固定结构的有限元仿真分析的模拟立体结构示意图；

图3为本申请实施例1提供的光纤固定结构在图2的基础上沿第一方向模拟仿真计算所得的第一谐振频率示意图；

图4为本申请实施例1提供的光纤固定结构在图2的基础上沿第二方向模拟仿真计算所得的第二谐振频率示意图；

图5为本申请其它实施例提供的光纤固定结构在以固定件不同方向厚度差来影响光纤不同方向谐振频率时的示意图；

图6a为本申请其它实施例提供的光纤固定结构在图5的基础上所对应的有限元仿真分析模拟立体结构示意图；

图6b为本申请其它实施例提供的光纤固定结构在图5的基础上所对应的有限元仿真分析模拟端面结构示意图；

图7为本申请其它实施例提供的光纤固定结构在图5的基础上沿X方向模拟仿真计算所得的谐振频率示意图；

图8为本申请其它实施例提供的光纤固定结构在图5的基础上沿Y方向模拟仿真计算所得的谐振频率示意图；

图9为本申请实施例2提供的光纤扫描系统所对应的光纤扫描原理三维结构示意图；

图10为本申请实施例2提供的光纤扫描系统所对应的光纤扫描原理结构平面示意图。

图标：100-光纤固定结构；110-可控振动器件；120-光纤；130-固定件；121-致动器；121a-慢轴；121b-快轴；1201-光纤悬臂；123-镜组；124-扫描器封装壳；125-致动器固定件；10-处理器；1101-激光器组；20-光纤扫描模组；30-传输光纤；140-光源调制电路；150-扫描驱动电路；160-合束单元。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

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，在本申请的描述中，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，或者是该申请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申请和简化描述，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申请的限制。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。

在本申请的描述中，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申请中的具体含义。

实施例1

请结合参照图1-4，本申请实施例提供一种光纤固定结构100，其主要用于光纤扫描领域。需要说明的是，本申请实施例提供的光纤固定结构100应用于光纤扫描领域为优选应用领域，但在本申请其他实施例当中，并不仅限于光纤扫描领域，也可以应用在其他需要使用光纤固定结构100进行光信息传输的领域。

进一步具体地，请继续结合参照图1和图2，本实施例中提供的一种光纤固定结构100，其包括可控振动器件110和光纤120，光纤120固定于可控振动器件110上以使光纤120可随可控振动器件110的振动进行摆动。需要说明的是，光纤120在进行摆动时沿垂直于光纤120轴向方向受到有约束力，每个方向上的约束力配置有相对应的约束强度，约束强度包括相互垂直的第一约束强度和第二约束强度，第一约束强度和第二约束强度大小不同。需要强调的是，本实施例通过对光纤120配置大小不同的第一约束强度和第二约束强度，使得光纤120能够大幅度增加在第一约束强度方向(简称，第一方向)和第二约束强度方向(简称，第二方向)上的谐振频率差值(同阶弯曲模态下)，从而降低第一方向和第二方向上的振动耦合，进而避免第一方向和/或第二方向分量过大导致的问题。

另外，还需要说明的是，在本申请的其它实施例中，并不限定约束强度在不同方向上的具体大小、数量以及相对方向，具体可根据不同的应用产品所要求降低不同方向上的耦合需求，再灵活限定约束强度的大小、数量和相对方向。

进一步可选地，在本申请实施例当中，可控振动器件110和光纤120之间设置有固定件130，并且优选地，固定件130由胶制成。需要说明的是，通过使用胶作为固定件130将光纤120固定在可控振动器件110上，可以较为便捷的精确控制光纤120在不同振动方向上的胶体厚度，从而按照预期控制光纤120周向所接触材料区域的弹性模量，进而合理配置光纤120振动过程中不同方向上受到的约束强度，以此达到对对应方向上谐振频率的控制。需要强调的是，在本申请其它实施例当中，固定件130不并一定优选地使用胶，其也可以根据具体的使用需求选用其它能够将光纤120进行限位的固定件130。

另外，还需要说明的是，在本申请其它实施例当中，可控振动器件110和光纤120并不一定通过固定件130进行固定，其也可以通过如一体成型的加工工艺来进行可控振动器件110和光纤120的相对位置固定。

进一步可选地，在本申请实施例当中，可控振动器件110包括压电陶瓷片。需要说明的是，光纤120固定在压电陶瓷片上，利用压电陶瓷片的逆压电效应，可使压电陶瓷片振动，从而带动光纤120进行摆动。需要强调的是，在本申请其实施例当中，并不仅限于本实施例提供的压电陶瓷这一种可控振动器件110，还可以是其它能够带动光纤120进行摆动的可控振动器件110。

进一步具体优选地，在本申请实施例当中，光纤120通过固定件130部分贴合于压电陶瓷片，光纤120未与压电陶瓷片贴合的部分形成光纤悬臂1201，光纤悬臂1201可随着压电陶瓷片的振动而摆动进行扫描。

进一步优选地，请结合参照图1-图4，在本申请实施例当中，固定件130设置于光纤悬臂1201的根部，且更优选地，压电陶瓷片靠近光纤悬臂1201的端面和固定件130靠近光纤悬臂1201的端面齐平，第一约束强度所对应的约束力为光纤120沿压电陶瓷片厚度方向所受的力；第一约束强度大于第二约束强度(本申请其它实施例当中，并不限定第一约束强度一定大于第二约束强度，只要第一约束强度不等于第二约束强度即可)。需要说明的是，本申请实施例之所以将固定件130对光纤120固定的位置进行限定，是因为其不仅能够降低工艺难度，提高用胶(固定件130)粘接固定光纤120时的品控，而且更为重要的是，由于当胶作为固定件130在第一方向上的厚度很薄时，其可以很好的利用“压电陶瓷的刚性大于胶的刚性(材料的刚性与材料的弹性模量呈正相关)”这一特点，从而使得第一约束强度大于第二约束强度，进而使得光纤在摆动时能够最大限度降低耦合。

另外，还需要说明的是，在本申请其它实施例当中，并不一定利用不同材质之间的刚性差异(如本实施例提供的压电陶瓷和胶的刚性差异)，还可以利用同一材质的厚度差，如胶在光纤120的周围厚度足够厚时，胶对光纤120的包裹性足够强以至于胶对光纤120的作用约束力起主要作用，故此可以通过设置胶在不同方向上的厚度差来对应为光纤120提供不同方向上的约束强度差，原理是厚度大的部分，约束强度高，对应谐振频率也高(具体可结合参照图5-图8进行佐证)。需要强调的是，本申请实施例凡所涉及到的不同方向上的谐振频率差(不同方向上谐振频率大小的比较)均指的是在同阶弯曲模态下。

本申请实施例还提供一种光纤扫描系统，该光纤扫描系统包括上述的光纤固定结构100。需要说明的是，本申请实施例提供的光纤扫描系统具体地，包括一种光纤扫描器，该光纤扫描器包括上述的光纤固定结构100，其中，可控振动器件110为致动器，光纤120固定在致动器上；更具体地，光纤固定结构100包括固定部分和悬臂部分，固定部分为光纤120与致动器相对固定的部分，悬臂部分为光纤120超出致动器形成的光纤悬臂1201。

实施例2

本实施提供一种光纤固定结构100的应用，其应用于光纤扫描技术领域。需要说明的是，为了便于对本申请实施例提供的光纤固定结构100应用场景进行清楚的描述，申请人需要对现有的扫描显示成像系统进行简要说明：

对于目前的扫描显示成像来说，可由数字微镜设备(Digital MicromirrorDevice，DMD)或光纤扫描显示(Fiber Scanning Display，FSD)设备实现。其中FSD方案作为一种新型扫描显示成像方式，通过光纤扫描器实现图像的扫描输出。故为了使本领域技术人员能够清楚地理解本申请方案，下面对光纤扫描成像的简要原理及相应系统进行阐述。

请结合参照图9和图10，为本申请中的一种说明性的光纤扫描显示系统，其中主要包括：

处理器10、激光器组1101、光纤扫描模组20、传输光纤30、光源调制电路140、扫描驱动电路150及合束单元160。其中，

处理器10可以为图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或者其它具有控制功能、图像处理功能的芯片或电路，这里并不进行具体限定。

系统工作时，处理器10可根据待显示的图像数据控制光源调制电路140对激光器组1101进行调制，激光器组1101中包含多个单色激光器，分别发出不同颜色的光束。从图10中可见，激光器组中具体可采用红(Red，R)、绿(Green，G)、蓝(Blue，B)三色激光器。激光器组1101中各激光器发出的光束经由合束单元160合束为一束激光并耦入至传输光纤30中。

处理器10还可控制扫描驱动电路150驱动光纤扫描模组20中的光纤扫描器进行扫动，从而将传输光纤30中传输的光束扫描输出。

由光纤扫描器扫描输出的光束作用于介质表面上某一像素点位置，并在该像素点位置上形成光斑，便实现了对该像素点位置的扫描。在光纤扫描器带动下，传输光纤30输出端按照一定扫描轨迹扫动，从而使得光束移动至对应的像素点位置。实际扫描过程中，传输光纤30输出的光束将在每个像素点位置形成具有相应图像信息(如：颜色、灰度或亮度)的光斑。在一帧的时间里，光束以足够高的速度遍历每一像素点位置完成一帧图像的扫描，由于人眼观察事物存在“视觉残留”的特点，故人眼便无法察觉光束在每一像素点位置上的移动，而是看见一帧完整的图像。

请继续结合参考图9和图10，需要说明的是，光纤扫描模组20的具体结构包括：扫描致动器121、光纤悬臂1201、镜组123、扫描器封装壳124以及致动器固定件125。其中，扫描致动器121通过致动器固定件125固定于扫描器封装壳124中，传输光纤30在扫描致动器121的前端延伸形成光纤悬臂1201(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9中参考坐标系内的Y轴，在本申请中，该竖直方向对应实施例1中的第一方向)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9中参考坐标系内的X轴，在本申请中，该水平方向对应实施例1中的第二方向)振动，受扫描致动器121带动，光纤悬臂1201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1201所构成的结构称为：光纤扫描器。

综上所述，本申请实施例提供的光纤固定结构，通过在光纤振动时配置光纤在不同方向上具有不同的约束强度，从而使得光纤振动时在同阶弯曲模态下不同方向上具有不同的谐振频率，进而降低光纤振动时不同方向上的振动耦合。另外，还需要说明的是，本申请提供的光纤固定结构在被应用到光纤扫描显示领域时，能够进行高质量的扫描成像显示，故包含有上述光纤固定结构的光纤扫描器以及光纤扫描系统，其具备重要的应用价值。

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。

本申请并不局限于前述的具体实施方式。本申请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)

1.一种光纤固定结构，其特征在于，所述光纤固定结构包括可控振动器件和光纤，所述光纤固定于所述可控振动器件上以使所述光纤可随所述可控振动器件的振动进行摆动；

所述光纤在进行所述摆动时沿垂直于所述光纤轴向方向受到有约束力，每个方向上的所述约束力配置有相对应的约束强度，所述约束强度包括相互垂直的第一约束强度和第二约束强度，所述第一约束强度和所述第二约束强度大小不同。

2.一种如权利要求1所述的光纤固定结构，其特征在于，所述可控振动器件和所述光纤之间设置有固定件。

3.一种如权利要求2所述的光纤固定结构，其特征在于，所述固定件由胶制成。

4.一种如权利要求2-3任意一项所述的光纤固定结构，其特征在于，所述可控振动器件包括压电陶瓷片。

5.一种如权利要求4所述的光纤固定结构，其特征在于，所述光纤通过所述固定件部分贴合于所述压电陶瓷片，所述光纤未与所述压电陶瓷片贴合的部分形成光纤悬臂。

6.一种如权利要求5所述的光纤固定结构，其特征在于，所述固定件设置于所述光纤悬臂的根部。

7.一种如权利要求6所述的光纤固定结构，其特征在于，所述第一约束强度所对应的所述约束力为所述光纤沿所述压电陶瓷片厚度方向所受的力。

8.一种如权利要求7所述的光纤固定结构，其特征在于，所述压电陶瓷片靠近所述光纤悬臂的端面和所述固定件靠近所述光纤悬臂的端面齐平；

所述第一约束强度大于所述第二约束强度。

9.一种光纤扫描系统，其特征在于，所述光纤扫描系统包括权利要求1-8任意一项所述的光纤固定结构。

10.一种光纤扫描器，其特征在于，其包括权利要求5-8任意一项所述的光纤固定结构，所述可控振动器件为致动器，所述光纤固定在所述致动器上；

所述光纤固定结构包括固定部分和悬臂部分，所述固定部分为所述光纤与所述致动器相对固定的部分，所述悬臂部分为所述光纤超出所述致动器形成的所述光纤悬臂。