CN219417868U - 一种光纤扫描器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤扫描器，包括扫描致动器和光纤，扫描致动器包括第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，第二压电陶瓷片固定贴设于第一压电陶瓷片的上表面或下表面的后侧，在第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的驱动下，扫描致动器的自由端相对于其固定端做二维扫描振动；第一压电陶瓷片设置有反馈区域，反馈区域设置有反馈电极。本申请由两个压电陶瓷片通过介质层贴合构成二维扫描致动器，其第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均为单片陶瓷片，方便制作加工，批量生产中易于保证产品规格、性能、参数的一致性；片状结构使得致动器在水平方向和垂直方向的特征频率值差值很大，极大降低致动器在两个振动方向上的振动耦合。

Description

一种光纤扫描器

技术领域

本实用新型涉及光纤扫描显示器件技术领域，尤其涉及一种光纤扫描器。

背景技术

光纤扫描器是一种利用扫描致动器控制光纤摆动从而出射一幅图案的显示技术，该技术所照射的图案的色彩锐利饱和、对比度高、亮度高，且结构体积非常小，其主要用在光纤扫描显示(FSD)技术和光纤扫描内窥镜(FSE)技术中。

格栅式光纤扫描器的致动器主要包括作为快轴的第二致动部和作为慢轴的第一致动部，第二致动部和第一致动部的两端均分别为固定端和自由端，第二致动部的固定端与第一致动部的自由端固定连接。要想获得稳定的扫描范围、并精确操控扫描轨迹，需要致动器的末端的扫描轨迹与第一致动部的扫描轨迹和第二致动部的扫描轨迹具有精确的一致性，任何致动部的加工误差都会使得致动器的振动变得不易控制或产生杂乱的振动分量。如何避免不受控或杂乱的振动分量是提高扫描质量的重要因素之一。

传统的扫描器致动器一般为管状或片状，为了使得慢轴方向的致动部满足慢轴扫描频率、快轴方向的致动部满足快轴的扫描频率，就要对致动器的形状、尺寸进行相应的设计，这就导致致动器成不规则的异形。

如中国专利CN111830702A公开的一种扫描致动器，其大体上是采用管状的压电致动器，但如上述因素制约，其设计成为异形结构，这对于致动器的批量生产是相当不利的，难以加工，且加工一致性无法得到保障。又如中国专利CN209784655U公开的一种扫描致动器，其大体上是采用片状的压电致动器，同样处于性能考虑，将致动器同样设置为异形结构，同样存在上述难以精确加工、加工一致性差的技术问题。

同时，如何避免慢轴致动器与快轴致动器之间的振动耦合，同样是需要考虑的技术问题。上述两篇现有技术对于如何降低慢轴致动器与快轴致动器之间的振动耦合并没有相应的设计。

因而，如何在各致动部满足性能参数、不会产生振动耦合的前提下，提高致动器的易于加工，易于批量生产，批量生产一致性好，成为需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种光纤扫描器，用以至少解决具有良好抗振动耦合的致动器不易批量生产、批量生产一致性差的技术问题。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种扫描致动器，包括第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，

以第一压电陶瓷片所处的平面为水平面，以第一压电陶瓷片的前后两端分别为所述扫描致动器的自由端和固定端；

第二压电陶瓷片在前后方向上的长度小于第一压电陶瓷片在前后方向上的长度，第二压电陶瓷片固定贴设于第一压电陶瓷片的上表面或下表面的后侧，且第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片之间设置有介质层，

在第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的驱动下，扫描致动器的自由端相对于其固定端做二维扫描振动；

光纤以悬臂支撑的方式固定设置于第一压电陶瓷片的前端部；

所述的第一压电陶瓷片设置有反馈区域，反馈区域位于第一压电陶瓷片的前端部，反馈区域设置有反馈电极，反馈电极用于检测所述光纤振动时反作用在所述致动器上产生的反馈信号。

本申请由两个压电陶瓷片通过介质层贴合构成二维扫描致动器，其两个构件第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均为单片陶瓷片，方便制作加工，批量生产中易于保证产品规格、性能、参数的一致性，对于光纤扫描成像技术而言，致动器的一致性好，是光纤扫描器能够量产的关键因素之一。介质层的设置能够有效提高致动器的强度、稳固性和抗震能力。

同时，所述片状结构使得致动器在水平方向和垂直方向的特征频率值差值很大，可以极大降低致动器在两个振动方向上的振动耦合。

具体的，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，

第一压电陶瓷片沿从前至后的方向依次设置有反馈区域、第一致动区域和第二致动区域，

第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片平行设置并设置于第一压电陶瓷片的第二致动区域的正上方或正下方，第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片的第二致动区域之间设置有介质层，第二压电陶瓷片、介质层和第一压电陶瓷片依次贴合，

第一致动区域的左右两侧分别设置有第一伸缩区域和第二伸缩区域，

第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片的上表面和下表面均对应配合设置有上电极和下电极，第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域和第二压电陶瓷片均沿前后方向伸缩；

并且第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片同步反向伸缩，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域同步反向伸缩。

从而第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片的自由端沿垂直方向振动，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片的自由端沿左右方向振动。

进一步的，第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片的上表面和下表面对应配合设置的各上电极和下电极均用于通过电极引线连接对应的外部驱动电路以分别驱动第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片沿前后方向伸缩。

进一步的，本申请的一些实施例中，所述的第一压电陶瓷片的第一伸缩区域的上表面设置有第一上电极、下表面设置有第一下电极，第一压电陶瓷片的第二伸缩区域的上表面设置有第二上电极、下表面设置有第二下电极，第一压电陶瓷片的第二致动区域的上表面设置有第三上电极、下表面设置有第三下电极，第二压电陶瓷片的上表面设置有第四上电极、下表面设置有第四下电极。

可选的，本申请的一些实施例中，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域可以具有共用的上电极或下电极，即该共用的上电极或下电极同时覆盖第一伸缩区域和第二伸缩区域，从而使得第一伸缩区域和第二伸缩区域仅具有三个电极引线，由两路驱动信号分别驱动第一伸缩区域和第二伸缩区域作同步反向伸缩。进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域的极化方向相反，由于第一伸缩区域和第二伸缩区域为同步反向伸缩，从而第一伸缩区域和第二伸缩区域可以具有共用的上电极和下电极，共用的上电极和下电极分别连接一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第一伸缩区域和第二伸缩区域作同步反向伸缩。

可选的，本申请的一些实施例中，第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片的两个相邻的电极可以共用一个电极引线，这就使得第二致动区域和第二压电陶瓷片仅具有三个电极引线，并由两路驱动信号分别驱动第二致动区域和第二压电陶瓷片作同步反向伸缩。进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片的极化方向相同，由于第二致动区域和第二压电陶瓷片作同步反向伸缩，从而除了第二致动区域与第二压电陶瓷片的两个相邻的电极可以共用一个电极引线，第二致动区域和第二压电陶瓷片剩余的两个电极也可以共用一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第二致动区域和第二压电陶瓷片作同步反向伸缩。

进一步可选的，所述的介质层为导电介质层或绝缘电介质层。当第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片的极化方向相同且当介质层为导电介质层时，第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片可以将此导电介质层用作两者的共用电极。

光纤扫描器在投影显示过程中，需要精确控制扫描器光纤扫描轨迹。现有技术中，一般都通过增加外部传感器测量扫描器或光纤的振动从而实现扫描器反馈控制。比如测量扫描器形变，通过磁场，电场等测量扫描器振动信息，或者通过光学器件检测扫描器投射的图像内容等方法。这些方案都需要额外增加传感器，势必会增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及增加生产装配复杂度。

故本申请通过在第一压电陶瓷片设置反馈区域的方式来对光纤振动时反作用在致动器上产生的反馈信号进行处理，来获得光纤振动的反馈控制，避免了额外增加传感器，从而缓解增加传感器带来的增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及生产装配复杂度的技术问题。

具体的，所述的反馈区域的左右两侧分别设置有第一反馈分区和第二反馈分区，所述光纤的固定部位于第一反馈分区和第二反馈分区之间，且第一反馈分区和第二反馈分区关于光纤的固定部所在的垂直面对称，第一反馈分区和第二反馈分区的极化方向相同，所述的反馈电极包括设置于第一反馈分区的上表面或下表面的第一反馈正电极和设置于第二反馈分区的上表面或下表面的第二反馈正电极，第一反馈正电极和第二反馈正电极设置于反馈区域的同一个表面，反馈区域与设置第一反馈正电极和第二反馈正电极的表面相对的表面设置有与第一反馈正电极和第二反馈正电极相配合的反馈负电极，所述反馈信号为第一反馈正电极和第二反馈正电极的差分信号。

进一步的，所述的光纤扫描器还包括信号处理电路，所述差分信号经由所述信号处理电路提取反馈信号幅度和相位信息。

进一步的，所述的光纤扫描器还包括处理器，所述处理器用于根据所述反馈信号的幅度和相位对所述扫描致动器的驱动信号进行修正。

由于压电陶瓷具有压电效应，压电陶瓷受外力作用发生形变时，压电陶瓷的内部会发生极化现象，使得压电陶瓷的两个相对表面上同时出现正负相反的电荷。

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本申请由两个压电陶瓷片通过介质层贴合构成二维扫描致动器，其两个构件第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均为单片陶瓷片，方便制作加工，批量生产中易于保证产品规格、性能、参数的一致性，对于光纤扫描成像技术而言，致动器的一致性好，是光纤扫描器能够量产的关键因素之一。介质层的设置能够有效提高致动器的强度、稳固性和抗震能力。

同时，所述片状结构使得致动器在水平方向和垂直方向的特征频率值差值很大，可以极大降低致动器在两个振动方向上的振动耦合。

第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片仅作同步反向伸缩，并且左右两个端面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起垂直方向的振动，不会产生水平左右方向的振动分量；同理，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域仅作同步反向伸缩，并且上下两个表面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起水平左右方向的振动，不会产生垂直方向的振动分量。故本申请的致动器无需设置额外的矫正结构。

本申请将第一压电陶瓷片的第一致动区域的左右两侧分别为第一伸缩区域和第二伸缩区域，两个区域分别设置驱动电极，这样的结构极大的减小了驱动电极的面积，从而降低驱动电极的电容，大大降低了驱动功耗。

在光纤扫描装置运行过程中，通过检测所述光纤振动时反作用在致动器上产生的反馈信号，避免了额外增加传感器，从而缓解增加传感器带来的增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及生产装配复杂度的技术问题。该方案能够在不额外增加传感器的前提下，实现扫描器反馈控制，在外界工作条件变化时，保证扫描器显示图像不发生变化，同时减小扫描器显示模组反馈部分体积、重量，降低扫描器显示模组的功耗和成本。

附图说明

图1为本实用新型的光纤扫描器的结构示意图；

图2为本实用新型的第一压电陶瓷片的结构示意图；

图3为本实用新型的扫描致动器的电极结构示意图；

图4为第一压电陶瓷片的第一致动区域共用上电极的结构示意图；

图5为第一压电陶瓷片的第一致动区域共用下电极的结构示意图；

图6为第一压电陶瓷片的第一致动区域同时共用上电极和下电极的结构示意图；

图7为第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片的第二致动区域共用导电介质层为共用电极的结构示意图；

图8为本实用新型的光纤扫描器的侧视结构示意图；

图9为本实用新型的光纤扫描器的另一种实施例的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的信号处理电路的示意图；

图11A为本实用新型实施例提供的幅度控制环的示意图；

图11B为本实用新型实施例提供的相位控制环的示意图；

图12为本实用新型实施例提供的扫描器电极的阻抗曲线；

图13为本实用新型实施例提供的光纤与压电陶瓷相互作用形成的谐振峰的示意图；

图14为本实用新型实施例提供的反馈控制方法的流程示意图；

图15A-15B为本实用新型实施例提供的幅度目标值A_dst的曲线的示意图；

图16为本实用新型实施例提供的驱动电压与反馈信号幅度关系曲线的示意图；

图17A-图17B为本实用新型实施例提供的目标幅度PID控制器的迭代过程的示意图；

图18为本实用新型实施例提供的相位控制框图；

图19为本实用新型实施例提供的相位温度修正函数的示意图；

图20为本实用新型实施例提供的反馈控制原理框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种光纤扫描器，其包括扫描致动器和光纤500，所述的扫描致动器包括均呈板状的第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200，

以第一压电陶瓷片100所处的平面为水平面，以第一压电陶瓷片100的前后两端分别为所述扫描致动器的自由端和固定端；

第二压电陶瓷片200在前后方向上的长度小于第一压电陶瓷片100在前后方向上的长度，第二压电陶瓷片200固定贴设于第一压电陶瓷片100的后侧，且第二压电陶瓷片200与第一压电陶瓷片100之间设置有介质层400，

在第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200的驱动下，扫描致动器的自由端相对于其固定端做二维扫描振动；

光纤500以悬臂支撑的方式固定设置于第一压电陶瓷片100的前端部；

所述的第一压电陶瓷片100设置有反馈区域103，反馈区域103位于第一压电陶瓷片100的前端部，反馈区域103设置有反馈电极，反馈电极用于检测所述光纤振动时反作用在所述致动器上产生的反馈信号。

光纤500的另一端连接光源，光纤悬臂在扫描致动器的驱动下做二维扫描，光源根据光纤悬臂的扫描位置出射对应像素点的光，从而实现光纤二维扫描成像。

本申请由两个压电陶瓷片通过贴合构成二维扫描致动器，其两个构件第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200均为单片陶瓷片，方便制作加工，批量生产中易于保证产品规格、性能、参数的一致性，对于光纤扫描成像技术而言，致动器的一致性好，是光纤扫描器能够量产的关键因素之一。介质层400的设置能够有效提高致动器的强度、稳固性和抗震能力。

同时，所述片状结构使得致动器在水平方向和垂直方向的特征频率值差值很大，可以极大降低致动器在两个振动方向上的振动耦合。

具体的，第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200均沿厚度方向极化，

结合图2所示，第一压电陶瓷片100沿从前至后的方向依次设置有反馈区域103、第一致动区域101和第二致动区域102，

第二压电陶瓷片200与第一压电陶瓷片100平行设置并设置于第一压电陶瓷片100的第二致动区域102的正上方或正下方。需要说明的是，下文中的各实施例均给出的是第二压电陶瓷片200设置于第一压电陶瓷片100上方的示例，这仅是对技术方案的说明，但可以理解的，第二压电陶瓷片200设置于第一压电陶瓷片100下方，也是同理的技术方案，这对本领域技术人员而言是显而易见的，如图9所示。

第二压电陶瓷片200与第一压电陶瓷片100的第二致动区域102之间设置有介质层400，第二压电陶瓷片200与第一压电陶瓷片100均与介质层400紧密贴合并固定连接，第二压电陶瓷片200与介质层400之间、介质层400与第一压电陶瓷片100之间均可以通过胶粘接实现固定连接，也可以采用超声波焊接等方式实现固定连接对此不做限制。

第一致动区域101的左右两侧分别设置有第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，

第一压电陶瓷片100的第二致动区域102、第一伸缩区域1011、第二伸缩区域1012以及第二压电陶瓷片200的上表面和下表面均对应配合设置有上电极和下电极，各上电极和各下电极均用于通过电极引线连接对应的外部驱动电路以分别驱动第一压电陶瓷片100的第二致动区域102、第一伸缩区域1011、第二伸缩区域1012以及第二压电陶瓷片200沿前后方向伸缩；

并且第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200同步反向伸缩，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012同步反向伸缩。

从而第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片100的自由端沿垂直方向振动，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片100的自由端沿左右方向振动。

第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200仅作同步反向伸缩，并且左右两个端面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起垂直方向的振动，不会产生水平左右方向的振动分量；同理，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012仅作同步反向伸缩，并且上下两个表面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起水平左右方向的振动，不会产生垂直方向的振动分量。故本申请的致动器无需设置额外的矫正结构。

本申请将第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的左右两侧分别为第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，两个区域分别设置驱动电极，这样的结构极大的减小了驱动电极的面积，从而降低驱动电极的电容，大大降低了驱动功耗。

如图3所示实施例中，所述的第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011的上表面设置有第一上电极301、下表面设置有第一下电极302，第一压电陶瓷片100的第二伸缩区域1012的上表面设置有第二上电极303、下表面设置有第二下电极304，第一压电陶瓷片100的第二致动区域102的上表面设置有第三上电极305、下表面设置有第三下电极306，第二压电陶瓷片200的上表面设置有第四上电极307、下表面设置有第四下电极308。本申请的各上电极和下电极均一般为涂覆于压电陶瓷片上的电极层，电极层的涂覆面积可根据工况进行调整。

可选的，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012可以具有共用的上电极或下电极。例如可选的，如图4所示第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的上表面涂覆的第五上电极309同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，仅在第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的下表面分别设置独立的第一下电极302和第二下电极304，从而使得第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012仅具有三个电极引线，由两路驱动信号分别驱动第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012作同步反向伸缩。同理也可选的，如图5所示，第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的下表面涂覆的第五下电极310同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，仅在第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的上表面分别设置独立的第一上电极301和第二上电极303，从而同样道理，使得第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012仅具有三个电极引线，由两路驱动信号分别驱动第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012作同步反向伸缩。在此基础上，进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012的极化方向相反，由于第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012为同步反向伸缩，从而如图6所述，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012可以具有共用的上电极309和下电极310，即第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的上表面涂覆的第五上电极309同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012；第一致动区域101的下表面涂覆的第五下电极310同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012。共用的上电极309和下电极310分别连接一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012作同步反向伸缩。

同理可选的，第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200的两个相邻的电极可以共用一个电极引线，这样就能使得第一压电陶瓷片100的第二致动区域102和第二压电陶瓷片200仅具有三个电极引线，简化线路，并由两路驱动信号分别驱动第二致动区域102和第二压电陶瓷片200作同步反向伸缩。在此基础上进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200的极化方向相同，由于第二致动区域102和第二压电陶瓷片200作同步反向伸缩，从而除了第二致动区域102与第二压电陶瓷片200的两个相邻的电极可以共用一个电极引线，第二致动区域102和第二压电陶瓷片200剩余的两个电极也可以共用一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第二致动区域102和第二压电陶瓷片200作同步反向伸缩。

可选的，所述的介质层400为导电介质层或绝缘电介质层。故，当介质层400为导电介质层时，第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200可以将此导电介质层用作两者的共用电极。如图7所示实施例，即第一压电陶瓷片100的第二致动区域102的上电极与第二压电陶瓷片200的下电极为同一个电极，且该共用电极为导电介质层400。

当然需要说明的是，当第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200的两个相邻的电极层不共用一个电极引线时，且所述介质层400为导电介质层400时，第一压电陶瓷片100的第二致动区域102和第二压电陶瓷片200的两个相邻电极之间设置有绝缘层，即所述两个相邻电极中至少有一个电极外表面设置有绝缘层，这对于本领域技术人员来说属于公知常识，对此不做赘述。

光纤扫描器在投影显示过程中，需要精确控制扫描器光纤扫描轨迹。现有技术中，一般都通过增加外部传感器测量扫描器或光纤的振动从而实现扫描器反馈控制。比如测量扫描器形变，通过磁场，电场等测量扫描器振动信息，或者通过光学器件检测扫描器投射的图像内容等方法。这些方案都需要额外增加传感器，势必会增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及增加生产装配复杂度。

故本申请通过在第一压电陶瓷片100设置反馈区域103的方式来对光纤振动时反作用在致动器上产生的反馈信号进行处理，来获得光纤振动的反馈控制，避免了额外增加传感器，从而缓解增加传感器带来的增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及生产装配复杂度的技术问题。

具体的，所述的反馈区域103的左右两侧分别设置有第一反馈分区1031和第二反馈分区1032，所述光纤的固定部位于第一反馈分区1031和第二反馈分区1032之间，且第一反馈分区1031和第二反馈分区1032关于光纤的固定部所在的垂直面对称，第一反馈分区1031和第二反馈分区1032的极化方向相同，所述的反馈电极包括设置于第一反馈分区1031的上表面或下表面的第一反馈正电极311和设置于第二反馈分区1032的上表面或下表面的第二反馈正电极312，第一反馈正电极311和第二反馈正电极312设置于反馈区域103的同一个表面，反馈区域103与设置第一反馈正电极311和第二反馈正电极312的表面相对的表面设置有与第一反馈正电极311和第二反馈正电极312相配合的反馈负电极，所述反馈信号为第一反馈正电极311和第二反馈正电极312的差分信号。

可选的，所述的反馈负电极为两个分别与第一反馈分区1031和第二反馈分区1032一一对应设置的第一反馈负电极和第二反馈负电极，也可选的，所述的反馈负电极为同时与第一反馈分区1031和第二反馈分区1032相配合的共用反馈负电极，该共用反馈负电极同时覆盖第一反馈分区1031和第二反馈分区1032。

进一步的，所述的光纤扫描器还包括信号处理电路，所述差分信号经由所述信号处理电路提取反馈信号幅度和相位信息。

进一步的，所述的光纤扫描器还包括处理器，所述处理器用于根据所述反馈信号的幅度和相位对所述扫描致动器的驱动信号进行修正。

由于压电陶瓷具有压电效应，压电陶瓷受外力作用发生形变时，压电陶瓷的内部会发生极化现象，使得压电陶瓷的两个相对表面上同时出现正负相反的电荷。

本实用新型实施例中，利用光纤振动时，光纤反作用在压电陶瓷上的应力导致的形变产生的电信号，作为反馈信号，来控制扫描器振动，从而保证光纤的振动幅度，相位稳定，不随外界因素影响而发生变化。可以使光纤振动幅度，相位维持在初始状态不变，从而保证图像显示的稳定性。

反馈区域设置在光纤固定处，从而使得检测到的电信号能够更加准确的反映光纤的运行状态。每路反馈信号由一对尺寸位置对称的电极提供。由于每对电极中产生的信号成分，有效信号与干扰信号具有明显差异性，因此可通过简单加减运算，大幅消弱干扰信号，得到有效信号。

当扫描致动器以格栅式扫描进行扫描时，第一反馈正电极311和第二反馈正电极312检测到的信号中，目标信号F(xf)为光纤在快轴方向(以下也称x方向)水平振动产生的信号，其他振动信号为干扰信号。

反馈区域103同时受到致动区域和光纤的作用，因此，第一反馈正电极311和第二反馈正电极312产生的信号中主要包含以下几种信号。

F(xf)，光纤在x方向振动，反作用在反馈区域103上产生的信号。

F(xcf)，光纤xc方向(与x方向垂直的方向)振动，反作用在反馈区域103上产生的信号。

F(xd)，致动区域在x方向振动，驱动信号耦合到反馈区域103上产生的信号。

F(xcd)，致动区域xc方向振动，驱动信号耦合到反馈电极103上产生的信号。

第一反馈正电极311和第二反馈正电极312中，各信号成分幅度相等，相位可能相同或接近，相位也可能反相(即相位差接近180°)，因此，可通过加减运算，消除或降低F(xcf)，F(xd)，F(xcd)等干扰信号，得到F(xf)。

其中，第一反馈正电极311和第二反馈正电极312产生的各信号成分如下。

第一反馈正电极311产生的信号Sa＝F(xd)+F(xcd)+F(xcf)+F(xf)

第二反馈正电极312产生的信号Sb＝F(xd)+F(xcd)+F(xcf)-F(xf)

则，S＝Sa-Sb＝2F(xf)。

本实用新型实施例中，由于第一反馈正电极311和第二反馈正电极312的尺寸相同，位置对称，因此，第一反馈正电极311和第二反馈正电极312产生的各信号成分的幅值相同。对于光纤左右振动分量，在光纤向左摆动时，第一反馈分区1031受到压应力，收缩变形，第二反馈分区1032受到拉应力，拉伸变形，又由于第一反馈分区1031和第二反馈分区1032极化方向相同，则第一反馈正电极311和第二反馈正电极312产生的电压幅度相同，方向相反。

对于光纤上下振动分量，作用在第一反馈分区1031和第二反馈分区1032的应力方向相同，产生的电压信号相位相同。致动信号耦合过来的分量均与致动信号同向。因此，只需要将第一反馈正电极311和第二反馈正电极312信号相减即可得到目标信号F(xf)。

本实用新型实施例中，之所以要保证第一反馈分区1031和第二反馈分区1032的极化方向相同，是因为如果第一反馈分区1031和第二反馈分区1032的极化方向相反，则光纤水平振动作用在第一反馈分区1031和第二反馈分区1032上的信号相位相同，垂直方向振动作用在第一反馈分区1031和第二反馈分区1032的信号相位相反，则第一反馈正电极311和第二反馈正电极312的信号成分如下。

第一反馈正电极311的信号：Sa＝F(xd)+F(xcd)+F(xcf)+F(xf)

第二反馈正电极312的信号：Sb＝F(xd)+F(xcd)-F(xcf)+F(xf)

这时，Sa+Sb＝F(xd)+F(xcd)+2F(xf)

Sa-Sb＝2F(xcf)

可见，在第一反馈分区1031和第二反馈分区1032的极化方向相反时，通过加减运算均无法得到纯净的F(xf)信号。

通过上述信号分析可知，在采集反馈信号时，若与第一反馈正电极311和第二反馈正电极312相配合的反馈负电极连成一体成为反馈公共电极，直接将第一反馈正电极311和第二反馈正电极312引出，即为第一反馈正电极311和第二反馈正电极312的差分信号S＝Sa-Sb＝2F(xf)。

然后，差分信号经由信号处理电路提取幅度信息和相位信息。如图10所示，采集电路由前置放大器，乘法器，低通滤波器构成。信号经前置放大器放大，再与频率相同的参考信号相乘，经低通滤波器后输出的直流电压则代表信号的相位。信号经前置放大器，低通滤波器后，输出的直流电压，代表信号的幅度，两直流电压经AD采样后送入控制器，进行运算。

在采集到反馈信号后，可以基于采集到的反馈信号进行反馈控制，本实用新型实施例中，分别对幅度反馈控制方法和相位反馈控制方法进行说明。

本实用新型实施例中，在温度稳定时，压电陶瓷的响应特性稳定。光纤在受到气压，污染物，根部约束等条件影响时，光纤的振动响应特性会发生变化，此时，光纤反作用在反馈电极上产生的电压信号随之变化。如图11A和图11B所示，图11A为本实用新型实施例提供的幅度控制环的示意图，在扫描器工作过程中，检测在反馈电极上产生的信号的当前幅度值A_x，比较当前幅度值A_x和目标幅度值A_dst。图11B为本实用新型实施例提供的相位控制环的示意图，同样的，在扫描器工作过程中，检测在反馈电极上产生的信号的当前相位值P_x，比较当前相位值P_x和目标相位值P_dst。然后，采用PID控制器对光纤振幅和相位分别进行控制。

接下来，分别对x方向光纤幅度调节温度补偿、x方向相位调节温度补偿以及xc方向矫正信号温度补偿进行说明。

光纤幅度调节温度补偿

由于扫描器致动器部分主要由压电陶瓷构成，压电陶瓷是温度敏感器件，当环境温度变化时，压电陶瓷的响应特性会发生改变。如图12所示，图12是本实用新型实施例提供的扫描器某电极的阻抗曲线。阻抗曲线可以采用压电陶瓷阻抗分析仪测得。

从图12可以看出，压电陶瓷阻抗曲线和相位曲线均随温度变化而发生了平移。当施加在压电陶瓷上的驱动频率保持不变时，压电陶瓷的响应幅度，相位均会发生变化。同理，扫描器驱动电极和扫描器反馈电极均是压电陶瓷，温度变化就会导致以下结果。

(1)、驱动信号不变时，当环境温度变化时，扫描器振动的幅度，相位均发生变化，从而导致图像显示异常。

(2)、光纤振动保持不变时，当环境温度变化时，反馈电极响应的信号幅度相位，也会发生变化。

因此，本实用新型实施例中，需要对反馈电极信号进行修正补偿。如图13所示，图13中绿色范围内的谐振峰是光纤与压电陶瓷相互作用形成的谐振峰，其频率与光纤固有频率接近，在该谐振峰附近驱动光纤时，光纤处于谐振状态，对压电陶瓷的振动具有放大作用。因此，本实用新型实施例中，需要选择该谐振峰附近的频率作为快轴驱动频率。

本实用新型实施例中，需要在谐振峰一侧选择驱动频率，如图13中的两个绿色区域所示，且在扫描器整个工作温度范围内，驱动频率均落在该谐振峰同侧。这样，扫描器的快轴响应，在扫描器整个工作温度范围内，随温度变化的趋势是单调的，就能够通过建立在光纤摆幅固定条件下，快轴驱动电压与反馈信号幅度之间的映射关系，得到标定函数A_dst＝F_axdst(V_dx)，其中，A_dst为反馈信号幅度，V_dx为快轴驱动电压。

在得到标定函数之后，在对光纤摆幅进行反馈控制的过程中，通过调节快轴驱动电压，使得反馈信号幅度A_dst与快轴驱动电压V_dx满足A_dst＝F_axdst(V_dx)，就可以实现将光纤实际摆幅维持在建立映射关系时的幅度固定不变。

如图14所示，图14为本实用新型实施例提供的反馈控制方法的流程示意图，在幅度控制环的基础上，增加了对幅度目标值的修正控制，包括以下步骤。

当幅度控制环误差小于阈值后，取当前快轴驱动电压，根据标定函数F_axdst(V_dx)的计算结果，更新目标幅度值A_dst，经过多次迭代之后，幅度值A_x与驱动电压D_x最终会满足函数F_axdst(V_dx)，从而将光纤的快轴实际摆幅控制在标定时的摆幅上。本说明书后续会对迭代过程进行说明。

接下来，结合扫描器样本的实际测量数据对本实用新型实施例中的幅度控制方法进行说明。从实际测量数据可以看出，满足设计要求的扫描器所得函数F_axdst(V_dx)呈单调变化的曲线。

扫描器样本1的测量数据如表1所示，幅度目标值A_dst的曲线如图15A所示。

驱动电压	反馈信号幅度	光纤实际摆幅
			10.7772	1.631361	788.764343
11.9472	1.582785	800.141907
			12.9672	1.512326	799.124084
14.3672	1.469944	797.535339
			15.3672	1.416226	800.588806
16.4672	1.355213	799.519043
			17.4672	1.306732	799.721985

表1

扫描器样本2的测量数据如表2所示，幅度目标值A_dst的曲线如图15B所示。

驱动电压	反馈信号幅度	光纤实际摆幅
			22.3	0.945195	894.410095
23.9	0.926732	894.282104
			25.4	0.911274	894.405029
26.5	0.887624	894.361084
			27.4	0.858671	895.392639
28.4	0.835152	895.75885
			29	0.810312	895.218567

表2

本实用新型实施例中，如表3所示，该图表为扫描器样品测量值。从表3中的数据可以看出，驱动电压与光纤摆幅，反馈信号幅度呈正相关。在固定温度下，驱动电压与反馈信号幅度关系曲线，是一条斜向上的曲线，如图16所示。

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表3

接下来，对迭代过程进行举例说明。

如图17A所示，图17A为本实用新型实施例提供的目标幅度PID控制器的P参数设置为1时的迭代过程，其中，P参数是指比例。

其中，曲线1为扫描器在某温度下，反馈信号幅度随驱动电压变化的曲线。曲线2为在不同温度下，固定光纤摆幅，标定的快轴驱动电压与反馈信号幅度之间的函数关系F_axdst(V_dx)绘制的曲线。曲线1和曲线2的交点，即为当前温度下，光纤摆幅达到标定值时的快轴驱动电压和反馈信号幅度。

假设当t1时刻，幅度控制环调节误差小于阈值时，快轴驱动电压D_x与反馈信号幅度A_x对应的点落在点1处。根据点1对应的快轴驱动电压计算反馈信号幅度目标值，并将计算得到的反馈信号幅度目标值更新到幅度控制环的幅度目标A_dst。

然后，等待幅度控制环调节快轴驱动电压使得反馈信号幅度A_x等于更新后的幅度目标A_dst后，当前快轴驱动电压与反馈信号幅度对应的点，落在点2处。

重复上述过程，使得幅度控制环调节到位后的点会逐渐逼近曲线1和曲线2的交点，从而使得光纤摆幅到达标定值。

本实用新型实施例中，通过修改目标幅度PID控制器的参数，可以将迭代过程变的更平缓，迭代次数更少。

举例来讲，如果将P参数设置为P<1，I＝0，D＝0时，调节过程会优化成下图17B所示，其中P、I、D参数分别为比例、积分、微分参数。

相位调节温度补偿

如图18所示，为本实用新型实施例提供的相位控制框图。同幅度补偿原理一样，在不同温度下，固定光纤摆幅，将图像奇偶行图像调重合时的反馈信号相位值与反馈信号幅度标定出一个函数P_x＝F_pxdst(A_x)，即相位温度修正函数，如图19所示，为本实用新型实施例提供的相位温度修正函数的示意图。

利用此函数，根据反馈信号幅度实时修正目标相位值P_dst，再通过相位控制环调整驱动信号相位，使得反馈信号相位P_x等于P_dst，从而使得图像奇偶行图像保持重合。

本实用新型实施例中，如表4所示，为扫描器样本实测数据。

反馈信号幅度	光纤摆幅	反馈信号相位
			1.631361	788.764343	0.031168
1.582785	800.141907	-0.084231
			1.512326	799.124084	-0.148407
1.469944	797.535339	-0.275246
			1.416226	800.588806	-0.412165
1.355213	799.519043	-0.478997
			1.306732	799.721985	-0.556608

可见，本实用新型实施例的方案通过标定不同温度下，相同摆幅，反馈信号幅度与相位在奇偶帧重合时的关系，修正相位反馈控制器的目标值，从而消除温度变化对压电陶瓷响应相位的影响，实现相位控制。

xc方向矫正信号温度补偿

如图20所示，如前述实施例中所述，xc方向是指与x方向垂直的方向，幅度控制环，相位控制环在调节驱动电压幅度，驱动相位的同时，还可以同步调节xc方向矫正信号的幅度和相位，以确保扫描轨迹不会开口，以及确保画面方正度，即光纤在x轴方向的振动轨迹闭合不画圈，且振动方向水平(光纤xc方向的振动分量为0)。

为了简化扫描器反馈控制，本实用新型实施例中，不需要针对xc方向矫正信号温度补偿单独设计反馈电极，也不另采集信号对xc方向单独反馈控制。而是根据x方向的幅度控制环，相位控制环调节到位的基础上，对xc驱动信号进行修正。

取扫描器工作温度范围内，幅度，相位调节到位后，调节矫正电压幅度和相位，记录当前矫正电压幅度与驱动电压幅度的比值n。在幅度控制环调节过程中，始终设置矫正电压D_xc＝n*D_x。矫正电压相位P_xc＝P_xc0+dP_x+F_xc(A_x)，其中，P_xc0为矫正电压相位初始值，dP_x为x轴当前驱动相位与x轴初始驱动相位差值，F_xc(A_x)为矫正相位修正函数，A_x为反馈信号的幅度值，矫正相位修正函数同幅度温度修正，相位温度修正原理类似，是将不同温度下标定的矫正相位补偿值拟合成一条曲线。

接下来，对矫正相位修正函数的标定方法进行说明。

在相位环控制环，幅度控制环正常工作下，设置D_xc＝n*D_x，P_xc＝P_xc0+dP_x+dP_xc，其中，dP_xc是在某温度下，相位控制环，幅度控制环调节完毕后，修改dP_xc的值，使得图像不开口，且画面矩形，然后，记录不同温度下对应的dP_xc和A_x的值，并拟合得到函数F_xc(A_x)。

可见，通过本实用新型实施例中的方案，可以在不单独设计反馈电极，也不需要采集信号对xc方向反馈控制，通过标定不同温度，相同摆幅，奇偶帧重合时，矫正电压幅度与驱动电压幅度的比值n，以及矫正相位的修正函数，修正矫正轴驱动信号，消除由温漂(温度变化)造成的xc方向响应变化导致的图像异常，从而保证图像显示稳定。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，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。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型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)

1.一种光纤扫描器，其特征在于，包括扫描致动器和光纤，所述的扫描致动器包括第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，

以第一压电陶瓷片所处的平面为水平面，以第一压电陶瓷片的前后两端分别为所述扫描致动器的自由端和固定端；

第二压电陶瓷片在前后方向上的长度小于第一压电陶瓷片在前后方向上的长度，第二压电陶瓷片固定贴设于第一压电陶瓷片的上表面或下表面的后侧，且第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片之间设置有介质层，

在第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的驱动下，扫描致动器的自由端相对于其固定端做二维扫描振动；

光纤以悬臂支撑的方式固定设置于第一压电陶瓷片的前端部；

所述的第一压电陶瓷片设置有反馈区域，反馈区域位于第一压电陶瓷片的前端部，反馈区域设置有反馈电极，反馈电极用于检测所述光纤振动时反作用在所述致动器上产生的反馈信号。

2.如权利要求1所述的一种光纤扫描器，其特征在于，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，

第一压电陶瓷片沿从前至后的方向依次设置有反馈区域、第一致动区域和第二致动区域，

第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片平行设置并设置于第一压电陶瓷片的第二致动区域的正上方或正下方，第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片的第二致动区域之间设置有介质层，第二压电陶瓷片、介质层和第一压电陶瓷片依次贴合，

第一致动区域的左右两侧分别设置有第一伸缩区域和第二伸缩区域，

第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片的上表面和下表面均对应配合设置有上电极和下电极，第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域和第二压电陶瓷片均沿前后方向伸缩；

并且第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片同步反向伸缩，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域同步反向伸缩；

所述的反馈区域的左右两侧分别设置有第一反馈分区和第二反馈分区，所述光纤的固定部位于第一反馈分区和第二反馈分区之间，且第一反馈分区和第二反馈分区关于光纤的固定部所在的垂直面对称，第一反馈分区和第二反馈分区的极化方向相同，所述的反馈电极包括设置于第一反馈分区的上表面或下表面的第一反馈正电极和设置于第二反馈分区的上表面或下表面的第二反馈正电极，第一反馈正电极和第二反馈正电极设置于反馈区域的同一个表面，反馈区域与设置第一反馈正电极和第二反馈正电极的表面相对的表面设置有与第一反馈正电极和第二反馈正电极相配合的反馈负电极，所述反馈信号为第一反馈正电极和第二反馈正电极的差分信号。

3.如权利要求2所述的一种光纤扫描器，其特征在于，第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片的上表面和下表面对应配合设置的各上电极和下电极均用于通过电极引线连接对应的外部驱动电路以分别驱动第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片沿前后方向伸缩。

4.如权利要求3所述的一种光纤扫描器，其特征在于，所述的第一压电陶瓷片的第一伸缩区域的上表面设置有第一上电极、下表面设置有第一下电极，第一压电陶瓷片的第二伸缩区域的上表面设置有第二上电极、下表面设置有第二下电极，第一压电陶瓷片的第二致动区域的上表面设置有第三上电极、下表面设置有第三下电极，第二压电陶瓷片的上表面设置有第四上电极、下表面设置有第四下电极。

5.如权利要求3所述的一种光纤扫描器，其特征在于，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域具有共用的上电极或下电极，即该共用的上电极或下电极同时覆盖第一伸缩区域和第二伸缩区域。

6.如权利要求5所述的一种光纤扫描器，其特征在于，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域的极化方向相反，第一伸缩区域和第二伸缩区域具有共用的上电极和下电极。

7.如权利要求3所述的一种光纤扫描器，其特征在于，第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片的两个相邻的电极共用一个电极引线。

8.如权利要求7所述的一种光纤扫描器，其特征在于，第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片的极化方向相同，第二致动区域和第二压电陶瓷片剩余的两个电极也共用一个电极引线。

9.如权利要求7或8所述的一种光纤扫描器，其特征在于，所述的介质层为导电介质层，该导电介质层为第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片的共用电极。

10.如权利要求2所述的一种光纤扫描器，其特征在于，还包括信号处理电路，所述差分信号经由所述信号处理电路提取反馈信号幅度和相位信息。