CN1828358A - 光偏转器 - Google Patents

Abstract

一种光偏转器，用于使用来自光源的光进行扫描，该光偏转器包括支撑体、振荡系统和用于驱动该振荡系统的驱动装置。该振荡系统包括第一可移动元件和具有光偏转体的第二可移动元件。该第一可移动元件借助于单个的第一扭力弹簧由支撑体弹性地支撑。该第二可移动元件借助于多个第二扭力弹簧由第一可移动元件被弹性地支撑，这些弹簧与插入在它们之间的第二可移动元件面对面设置。

Description

光偏转器

技术领域

本发明涉及一种用于以来自光源的光进行扫描的光偏转器，及使用这种光偏转器的成像设备。例如，本发明可应用于诸如投影显示器的成像设备，该显示器适于通过偏转供扫描的光投影图像，或应用于涉及光电处理的激光束打印机或数字拷贝机。

背景技术

迄今已提出各种光学扫描系统(及光学扫描设备)，它们采用经受正弦振荡以使其作为光偏转器操作的反射面。采用经受正弦振荡的反射面的光学扫描系统(其使用利用了共振现象的光偏转器)，与采用旋转多面反射镜等的光学扫描系统相比，提供了以下的优点：这种光扫描系统的光偏转器尺寸能够显著降低，它们的耗电很低，以及由通过半导体工艺方式制造的Si单晶体形成的光偏转器在理论上没有金属疲劳并且高度耐久。

至于利用共振现象的光偏转器，用于在不同指向的旋转振荡中同时激发两个或两个以上共振模式的已知的光扫描技术包括以下技术。首先，已知使用万向节型光学偏转器，其通过在围绕彼此相互正交的中心轴的两种指向的旋转振荡中同时激发两个共振模式来实现二维偏转。其次，已知使用一种光偏转器，其通过围绕相同的中心轴同时激发两个或多个共振模式，以基本上相同的角速度象三角波进行操作以用于扫描。

图9示意表示一个典型的万向节型光偏转器。参见图9，一个外部可移动元件4023借助于一对第一扭力弹簧4024连接到支撑体4025，以便能够引起围绕的第一扭转轴4017发生的扭转振荡。另一方面，一个可移动元件4021借助于一对第二扭力弹簧4022连接到外部可移动元件4023，以便能够引起围绕的第二扭转轴4018发生的扭转振荡。诸如用于偏转光的反射面的一个光偏转器(未示出)配置在可移动元件4021上。因而，在外部可移动元件4023和可移动元件4021由驱动装置4016驱动，以引起分别围绕第一扭转轴4017和第二扭转轴4018的扭转振荡时，能够二维地偏转来自光源的光以供扫描。驱动装置4016可使用分别配置在可移动元件4021处与外部可移动元件4023处的永久磁体以及用于驱动各永久磁体的固定线圈来形成。尤其是当以由光偏转器的外形和材料定义的围绕扭转轴的自然共振模式的频率驱动光偏转器时，因为通过小的能量产生大的位移，所以这一配置是有优点的。

因为单个的光偏转器能够进行操作以用于二维偏转/扫描，因而通过使用这种万向节型光偏转器，能够实现用于光调节的紧凑而简单的二维扫描系统。U.S.Patent No.6,044,705和日本专利申请公开No.H07-27989和2003-29510描述了所考虑类型的万向节型光偏转器。

图8示意示出一个光偏转器，其通过同时激发两个共振模式以基本上相同的角速度象三角波那样进行操作以供扫描。

参见图8，光偏转器1012由以下元件形成：第一可移动元件1014，第二可移动元件1016，第一扭力弹簧1018，用于连接它们并弹性地支撑它们，以及第二扭力弹簧1020，用于弹性地支撑第二可移动元件1016和机械接地面。所有这些元件由驱动装置1023驱动，以引起围绕扭转轴1026的扭转振荡。第一可移动元件1014具有用于偏转光的一个反射面1015，以便其通过扭转振荡偏转来自光源的光以供扫描。光偏转器1012具有提供基准频率的主固有振荡模式，以及次固有振荡模式，其对于围绕扭转轴1026的扭转振荡提供等于基准频率的大约三倍的频率。驱动装置1023以两个频率驱动光偏转器1012，一个频率等于主固有振荡模式的频率，而另一个与第一个频率同相位并等于第一频率的大约三倍。这样，因为光偏转器1012同时以主固有振荡模式和次固有振荡模式引起扭转振荡，由于彼此叠加的两个振荡模式，由第一可移动元件1014反射的光的位移角的变化不象正弦波，而是象三角波。因而，光偏转器的偏转/扫描操作的角速度显示出一个宽范围，其中如果与如同正弦波变化的位移角相比，其基本上保持不变，以给出相对于整个偏转/扫描范围大比率的可使用范围。

U.S.Patent No.4,859,846和5,047,630描述了上述类型的光偏转器

发明内容

本发明提出了一种使用光进行扫描的光偏转器，其能够保持偏转面的平整度并降低安装部件的影响，其中光偏转器按光偏转器的特征(包括偏转面的平整度，共振频率，机械振荡放大率，易损性等)安装。

根据本发明，提供了一种使用来自光源的光进行扫描的光偏转器，该光偏转器包括支撑体，振荡系统和用于驱动该振荡系统的驱动装置，该振荡系统包括具有光偏转体的第一可移动元件和第二可移动元件，该第一可移动元件由支撑体借助于单个第一扭力弹簧弹性支撑，以便能够引起围绕第一扭转轴的扭转振荡，该第二可移动元件借助于第一可移动元件，通过多个第二扭力弹簧弹性地支撑，该多个弹簧与插入在它们之间的第二可移动元件面对面设置，以便能够引起围绕第二扭转轴的扭转振荡。

这样，根据本发明，能够提供一种使用光进行扫描的光偏转器，其能够保持偏转面的平整度，并降低安装部件的影响，其中光偏转器按光偏转器的特征(包括偏转面的平整度，共振频率，机械振荡放大率，易损性等)安装。

从以下参照附图的说明，本发明的其它特性和优点将明显可见，在其所有附图中相同的标号标记相同或类似的部件。

附图说明

在此引入并构成说明书一部分的附图，示出本发明的实施例，并与描述备份一同用来解释本发明的原理。

图1A是根据本发明的光偏转器第一实施例的示意图；

图1B是根据本发明光偏转器第一实施例的驱动装置的示意图；

图2是根据本发明光偏转器第一实施例在图1B中沿线2-2所取的示意剖视图；

图3是由本发明第一实施例偏转以供扫描的光的位移角的示意图，该角度作为时间的函数而变化；

图4是由本发明第一实施例偏转以供扫描的光的角速度的示意图，该角速度作为时间的函数而变化；

图5是根据本发明的光偏转器第二实施例的示意图；

图6是使用根据本发明的光偏转器实现的光学器具的一个实施例的示意图；

图7是使用根据本发明的光偏转器实现的光学器具的另一个实施例的示意图；

图8是先有技术的光偏转器的示意图；以及

图9是另一先有技术的光偏转器的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图更为详细地描述本发明，这些附图示出本发明的优选实施例。

(第一实施例)

图1A和图1B是根据本发明的光偏转器第一实施例的示意表示。如图1A所示，光偏转器的这一实施例包括一个第二振荡可移动元件11，一个第一振荡可移动元件13，一对连接第一和第二振荡可移动元件并弹性支撑它们的振荡系统扭力弹簧12，以及一个支撑体扭力弹簧14，用于通过作为机械接地部分的支撑体15弹性地支撑第一振荡可移动元件13。支撑体15刚性地固定在一个安装部件150上。第二振荡可移动元件11，第一振荡可移动元件13和振荡系统扭力弹簧12(以下本实施例这三个元件统称为振荡系统160)被驱动装置驱动，以引起围绕扭转轴17的扭转振荡，这将在以下更为详细地描述。图1B示出振荡系统160和位于支撑体15之下的驱动装置。驱动装置由刚性地固定在第一振荡可移动元件13的一个永久磁体151以及刚性地固定在安装部件150的一个固定线圈152构成。第二振荡可移动元件11具有一个反射面(未示出)，以便作为用于偏转光的光偏转元件操作，以使得其通过第二振荡可移动元件11的扭转振荡偏转来自光源的光以用于扫描。

在本实施例中，第二振荡可移动元件11的相对端由两个振荡系统扭力弹簧12支撑，其中第一振荡可移动元件13只在其一端由单个支撑体扭力弹簧14支撑。这样，该振荡系统如同悬臂由支撑体15支撑。图2是图1B中沿线2-2所取的示意剖视图。如图2中所示，支撑体15刚性地固定在安装部件150上，该安装部件150适当地保持振荡系统160，永久磁体151和固定线圈152处于适当的位。

以下将描述驱动光偏转器的本实施例的操作原理。按照围绕扭转轴17扭转振荡，光偏转器可看作是一个有两自由度的振荡系统，因为其具有提供基准频率的频率f₀的主固有振荡模式，以及提供等于大约基准频率两倍的频率的次固有振荡模式。这样，固定线圈152以主固有振荡模式的频率以及与前者频率同相并等于前者频率大约两倍的频率来驱动光偏转器。

图3是示出光角度的位移，这是由于第二振荡可移动元件11以随横坐标上取的时间t而变化的频率f₀进行扭转振荡而出现的。图3特别示出对应于第二振荡可移动元件11的扭转振荡的循环周期T₀的位移角(-T₀/2＜X＜T₀/2)。

图3中，曲线61表示用于驱动固定线圈152的驱动信号的基准频率f₀的分量，这示出在由最大振幅±Φ₁定义的范围内以往复方式振荡的正弦振荡，并由以下公式表示：

θ₁＝Φ₁sin[w₀t]            ...(1)

其中t表示时间而w₀表示角频率并等于2πf₀。

另一方面，曲线62表示两倍于基准频率f₀的频率分量，其示出由最大振幅±Φ₂定义的范围内以往复方式振荡的正弦振荡，并由以下公式表示：

θ₂＝Φ₂sin[2w₀t]           ...(1)

现在，曲线63表示作为上述驱动操作的结果产生的第二振荡可移动元件11的扭转振荡的位移角。该光偏转器按照以上指出的扭转振荡可被看作具有两自由度的振荡系统，并因而具有基准频率f₀的固有振荡模式，以及频率为2f₀的次固有频率模式。因而，光偏转器产生分别对上述驱动信号θ₁和θ₂激发的共振。这样，由曲线63表示的第二振荡可移动元件11的位移角表示为锯齿边缘形的振荡，这是通过叠加两个正弦振荡产生的，并表示为

θ＝θ₁+θ₂＝Φ₁sin[w₀t]+Φ₂sin[2w₀t]            ...(3)

图4示出通过微分图3的曲线61和63及直线64获得的曲线61a和63a及直线64a，以指示各曲线的角速度。与表示基准频率f₀的正弦振荡的角速度的曲线61a相比，在由分别等于区间N-N’内最大点处的角速度V₁和最小点处的角速度V₂的最大极限和最小极限所定义的一个范围内，发现表示第二振荡可移动元件11的振荡角速度的曲线63a是以往复方式振荡的一个锯齿边缘形振荡。这样，当在应用中所考虑类型的光偏转器使用光偏转用于扫描时，如果从表示均匀角速度扫描的直线64a来看，发现V₁和V₂在可允许误差限度内，则区间N-N’可基本上被看作为均匀角速度扫描的区间。因而，当振荡是以往复方式振荡的锯齿边缘形振荡时，如果与象正弦波变化的振荡的位移角相比，光偏转器的偏转/扫描操作的振荡角速度显示出一个宽的范围，且在该范围其保持基本上恒定。这样，相对于整个偏转/扫描范围，能够产生一个大比率的可使用范围。

现在，一般希望在光偏转操作期间，光偏转器的反射面恒定地保持高水平的平整度。因而，不论光偏转器进入暂停还是被驱动用于操作，必须抑制反射面的变形(如果有的话)。此外，在如本实施例的情形下发现其驱动频率接近其共振频率的光偏转器中，共振频率能够依赖于周围温度和其它环境条件而变化。共振频率变化的可能原因包括由配置有支撑体15的安装部件150引起的应力和偏转，以及任何相关部件由于其温度而导致的杨氏模量和热膨胀的变化。由安装部件150引起的应力和偏转又能够引起机械振荡放大率的变化和由于应力静态平衡导致的反射面的一种变形，以及引起共振频率的变化。特别地，对于以下这种光偏转器，其中两个或两个以上共振模式被同时激发，以致如这一实施例情形那样，通过由叠加多个正弦振荡产生的波形来偏转光，则非常重要的是保持用来驱动偏转器的共振模式的相互关系(机械振荡放大率，振幅比，相位差等)不变。然而，这种关系可能受到由安装部件150施加的应力和偏转的影响，因而需要使它们降低。

在本实施例中，第二振荡可移动元件11的相对两端被两个振荡系统扭力弹簧12支撑，而第一振荡可移动元件13只在其一端由单个支撑体扭力弹簧14支撑。作为本实施例支撑结构的特征的扭力弹簧提供以下优点。

由于第二振荡可移动元件11的相对两端由两个振荡系统扭力弹簧12支撑，因而能够有效地抑制可能由发生扭转振荡时发生的角加速度产生的变形(如果有的话)。

当由于温度、湿度和/或外部冲击而由安装部件150向支撑体15施加应力和偏转时，能够使向振荡系统施加的应力为最小，因为第一振荡可移动元件13只在其一端由支撑体15如同悬臂支撑。因而，本实施例中用来驱动偏转器的共振模式的相互关系(机械振荡放大率，振幅比，相位差等)最好保持不变，因为降低了第一可移动元件的由于当其被驱动而操作时的角加速度和/或由于由安装部件施加的应力和偏转所引起的变形，同时共振频率和振荡放大率的变化被最小化。此外，因为防止了由安装部件向其施加应力和偏转，该振荡系统几乎不会被否则会由安装部件施加的应力所损坏。

(第二实施例)

图5是根据本本发明光偏转器的第二实施例的示意表示。图5中，与图1A和1B所示第一实施例中功能相同或类似的组件分别由相同的标号标记。参见图5，本实施例的光偏转器包括两个可移动元件，这包括第一振荡可移动元件104和第二振荡可移动元件102，它们分别围绕支撑体的扭转轴108和振荡系统扭转轴109并被弹性地支撑，以便能够自由地引起扭转振荡。

提供机械接地面的支撑体15和第一振荡可移动元件104，通过单个的第一轴扭力弹簧105彼此连接，以便能够引起围绕支撑体的扭转轴108发生的扭转振荡。另一方面，如图5所示，第二振荡可移动元件102位于第一振荡可移动元件104之内，并借助于两个扭力弹簧103连接到第一振荡可移动元件104，以使得自由引起围绕振荡系统的扭转轴109的扭转振荡。第二振荡可移动元件102在其表面有一个反射面(未示出)，其作为光偏转体操作，以使其能够反射并偏转入射光。本实施例的三个元件，包括第一振荡可移动元件104、第二振荡可移动元件102和扭力弹簧103，以下共同称为振荡系统160。

此外，由于支撑体的扭转轴108和振荡系统的扭转轴109基本上彼此是相对正交的，第二振荡可移动元件102引起围绕振荡系统的扭转轴109的扭转位移，同时对于第一振荡可移动元件104适用于围绕支撑体的扭转轴108被移位。这样，第二振荡可移动元件102能够围绕这两个轴被移位。这时，撞击第二振荡可移动元件102的反射面的光被偏转以用于二维扫描。

如同图2所示第一实施例的支撑体15那样，第二实施例中支撑体15设置在安装部件150(未示出)上。这样，在第一振荡可移动元件104和第二振荡可移动元件102由驱动装置(未示出)驱动以引起分别围绕支撑体的扭转轴108和振荡系统的扭转轴109的扭转振荡时，来自光源的光被偏转以用于二维扫描。如同在图2所示的第一实施例的情形那样，驱动装置由刚性地固定在第一振荡可移动元件104上的永久磁体以及设置在安装部件150上的固定线圈形成。

本实施例中，类似于第一实施例的振荡系统160的振荡系统160如悬臂由支撑体15支撑。这样，第二振荡可移动元件102的相对两端由两个扭力弹簧103支撑，而第一振荡可移动元件104只在其一端由单个支撑体扭力弹簧105支撑。因而，用来驱动偏转器并围绕彼此相对正交的两个扭转轴108和109发生的共振模式的相互关系(机械振荡放大率，振幅比，相位差等)，在这一实施例中也有利地保持不变，因为降低了第二可移动元件102的由于当其被驱动而操作时的角加速度和/或由于由安装部件150施加的应力和偏转所引起的变形，同时使共振频率和振荡放大率的变化最小。此外，因为防止了由安装部件对其施加应力和偏转，振荡系统几乎不会由否则可能由安装部件施加的应力而被损坏。

(第三实施例)

图6是使用上述光学扫描系统实现的光学器具的一个实施例的示意表示。该光学器具是一种成像设备。参见图6，标号3003表示根据本发明光偏转器的第一实施例，其适用于进行操作以利用入射光进行一维扫描。图6中，标号3001标记一个激光束源，标号3002标记一个透镜或透镜组，标号3004标记一个写透镜(write lens)或透镜组，标号3005标记一个感光体。从激光束源3001发射的激光束以预定的方式对光的强度进行调节，这与通过光扫描系统3003用于一维扫描的偏转光的定时有关。然后，用于一维扫描的激光束在感光体3005上借助于写透镜3004形成一个图像。感光体3005借助于充电器(未示出)被均匀地充电，并在其由激光束扫描时在其表面形成静电潜像。然后，通过显象单元(未示出)在静电潜像的图像部分上产生调色剂图像，并在调色剂图像转印到纸张并定影时，在纸张(未示出)上形成对应的普通图像。使用根据本发明的光偏转器，能够使被偏转以供扫描的激光束的角速度于规定的范围内保持在基本均匀的水平。此外，不论包括环境温度的外部因素如何，借助于根据本发明的光偏转器能够在稳定的基础上形成图像。

(第四实施例)

图7是使用根据本发明上述光偏转器实现的光学器具的另一实施例的示意表示。该光学器具是一个图像显示设备。参见图7，标号2001标记根据本发明的光偏转器的第二实施例，其适用于偏转入射光以用于光栅扫描投影面2005。图7中，标号2002标记一个激光束源，标号2003标记一个透镜或透镜组，标号2004标记一个写透镜或透镜组，标号2005标记一个投影面。从激光束源发射的激光束被以预定的方式对光强度调节，这与通过光偏转器2001用于二维扫描的光扫描定时相关。然后借助于写透镜2004，用于扫描的激光束在投影面2005上形成一个图像。

使用根据本发明的光偏转器，虽然该光偏转器紧凑并省电，但能够以基本均匀的角速度偏转光以供光栅扫描。特别地，不论包括环境温度的外部因素如何，借助于根据本发明的光偏转器，能够在稳定的基础上形成图像。

由于在不背离本发明精神和范围的情况下能够作出本发明许多明显广泛的不同的实施例，应当理解，本发明除权利要求中所定义之外不限于其特定实施例。

Claims (7)

1.一种光偏转器，用于扫描来自光源的光，包括：

该光偏转器包括支撑体，振荡系统和用于驱动该振荡系统的驱动装置，

该振荡系统包括第一可移动元件和具有光偏转体的第二可移动元件，

该第一可移动元件借助于单个的第一扭力弹簧由支撑体支撑，以便能够引起围绕第一扭转轴的扭转振荡，以及

该第二可移动元件借助于多个第二扭力弹簧由第一可移动元件支撑，所述第二扭力弹簧与插入在它们之间的第二可移动元件面对面设置，以便能够引起围绕第二扭转轴的扭转振荡。

2.根据权利要求1的光偏转器，其中

第一扭转轴和第二扭转轴设置成基本上彼此平行或在同一直线上，以及

第一可移动元件与第二可移动元件沿第一扭转轴串联连接，

同时

该振荡系统具有不同频率的围绕第二扭转轴和第一扭转轴的至少两个固有振荡模式，以及

驱动装置驱动该振荡系统，以引起该至少两个固有振荡模式的扭转振荡。

3.根据权利要求2的光偏转器，其中

该振荡系统具有两个不同频率的固有振荡模式，其中一个频率大约为另一频率的两倍。

4.根据权利要求2的光偏转器，其中

该振荡系统具有两个不同频率的固有振荡模式，其中一个频率大约为另一频率的三倍。

5.根据权利要求1的光偏转器，其中

第一扭转轴和第二扭转轴基本上彼此相对正交。

6.一种成像设备，包括光源、根据权利要求1的光偏转器，以及感光体，该光偏转器适用于偏转来自光源的光，以便把来自光源的光投射到该感光体上。

7.一种图像显示设备，其包括光源和根据权利要求1的光偏转器，该光偏转器适用于偏转来自光源的光，以便把来自光源的光投射到图像显示体上。

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