KR20220000949A - 시야를 증가시키기 위한 섬유 스캐너의 버클링 모드 작동 - Google Patents

Abstract

광섬유 스캐닝 시스템들 및 광섬유들을 스캐닝하는 방법들의 실시예들이 본원에서 설명된다. 개시된 시스템들 및 방법들은 유리하게는, 광섬유의 일부의 버클링을 유도함으로써 섬유 스캐닝 시스템에서 광섬유에 대한 스캐닝 범위, 오실레이션 진폭 및/또는 최대 포인팅 각도에 대한 개선을 제공한다.

Description

시야를 증가시키기 위한 섬유 스캐너의 버클링 모드 작동{BUCKLING MODE ACTUATION OF FIBER SCANNER TO INCREASE FIELD OF VIEW}

[0001] 본 출원은, 2017년 4월 4일에 출원된 미국 가출원 제62/481,497호의 이익 및 이를 우선권으로 주장하며, 이로써 상기 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다.

[0002] 스캐닝 디바이스들은 통상적으로 주파수와 스캐닝 범위가 이율배반 관계에 있다(trade off). 일반적으로 주파수가 증가함에 따라, 스캐닝 범위가 감소하고, 주파수가 감소함에 따라, 스캐닝 범위가 증가될 수 있다. 그러나, 일부 애플리케이션들에서, 주파수 및 스캐닝 범위 둘 모두를 증가시키는 것이 바람직하다. 스캐닝 시스템들의 스캐닝 범위 및 활용성을 개선하고 확장시키기 위해 부가적인 스캐닝 시스템 설계들이 필요하다.

[0003] 본 출원은 광섬유 스캐너 시스템들 및 관련된 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 그리고 제한 없이, 본 출원은 이를테면, 섬유 디스플레이들을 스캐닝하는 데 사용되는 광섬유 오실레이터들에 관한 것이며, 여기서 광섬유들은 압전 액추에이터(피에조)와 같은 기계적 액추에이터를 통해 훨링 모션(whirling motion)으로 오실레이팅된다. 광섬유들은 추가로, 압축력의 인가에 의해 버클링(buckling)하도록 유도되며, 여기서 버클링은 광섬유의 최대 편향을 증가시키며, 이는 시스템의 시야를 증가시킬 수 있다. 버클링 및 훨링의 조합은 실시예들에서, 크기, 폼 팩터 또는 주파수를 희생시키지 않고 훨링 전용 시스템들에 비해 시야의 유용한 증가를 제공할 수 있다.

[0004] 광학 스캐닝 시스템들에서, 주파수는 해상도 및 리프레시 레이트 둘 모두에 대해 중요할 수 있고, 2개의 별개의 주파수 제제(frequency regime)들을 고려하는 것이 유용할 수 있다. 예컨대, 스캐닝 섬유 디스플레이에서, 제1 주파수는 리프레시 레이트와 관련될 수 있으며, 여기서 섬유의 반복된 스캔들은 출력 뷰가 얼마나 자주 변경될 수 있는지를 지시할 수 있다. 제2 주파수 제제는 단일 스캔 내의 개별 오실레이션들과 관련될 수 있으며, 이 주파수는 섬유의 비-중첩 모션들 사이의 차이들이 얼마나 미세할 수 있는지 그리고 이러한 모션들이 섬유의 단일 스캔 내에서 얼마나 신속하게 이루어질 수 있는지를 지시함으로써 해상도에 영향을 줄 수 있다.

[0005] 그러나 주어진 프로젝터 설계의 시야에 대해 범위가 중요할 수 있다. 예컨대, 오실레이팅 섬유의 최대 진폭 또는 범위는 섬유에 의해 생성된 출력 이미지가 얼마나 넓을 수 있는지에 관한 제한을 제공할 수 있다. 오실레이션 범위가 증가함에 따라, 더 넓은 시야가 제공될 수 있다.

[0006] 스캐닝 디바이스들은 그의 작은 폼 팩터와 유용한 해상도 및 시야각으로 인해 디스플레이 디바이스들로서 유용할 수 있다. 그러나, 높은 스캐닝 범위를 갖는 고주파수 스캐닝 디바이스들을 획득하기 위해 이 분야의 혁신들이 필요하다. 현재 설명된 광섬유 스캐닝 시스템들은 작은 폼 팩터를 유지하면서 개선된 시야 프로젝터들을 허용한다. 예로서, 개시된 스캐닝 시스템들을 스캐닝 섬유 디스플레이 프로젝터에 통합함으로써, 프로젝터의 시야가 종래의 스캐닝 섬유 디스플레이 디바이스들에 비해 증가될 수 있다.

[0007] 제한 없이, 본 출원은 광섬유를 포함하는 광섬유 스캐닝 디바이스들 또는 시스템들과 같은 디바이스들 및 시스템들을 제공한다. 일 양상에서, 광섬유 스캐닝 시스템은, 원위 섬유 단부 및 근위 섬유 단부를 갖는 광섬유; 원위 섬유 단부와 근위 섬유 단부 사이에서 광섬유에 기계적으로 커플링된 제1 전기기계 트랜스듀서, 이를테면, 광섬유에 버클링력(buckling force)을 인가하도록 구성되는 제1 전기기계 트랜스듀서; 및 원위 섬유 단부와 근위 섬유 단부 사이에서 광섬유에 기계적으로 커플링된 제2 전기기계 트랜스듀서 이를테면, 원위 섬유 단부의 훨링을 자극하도록 구성되는 제2 전기기계 트랜스듀서를 포함한다. 실시예들에서, 원위 섬유 단부는 제한되지 않으며, 이는 원위 섬유 단부가 기계적 작동에 대한 응답으로 측방향으로 편향되도록 허용할 수 있다.

[0008] 선택적으로, 제1 전자 기계 트랜스듀서 및 광섬유를 기계적으로 커플링하는 제1 조인트(joint)는 광섬유의 종축에 평행한 축을 따른 제1 축 강성(axial stiffness)을 갖는다. 선택적으로, 제2 전자 기계 트랜스듀서 및 광섬유를 기계적으로 커플링하는 제2 조인트는 광섬유의 종축에 평행한 축을 따른 제2 축 강성을 갖는다. 실시예들에서, 제1 축 강성 및 제2 축 강성은, 제1 조인트와 제2 조인트 사이의 거리가 특정 거리 이를테면, 5㎛ 미만의 최소 거리만큼, 1㎛ 내지 5㎛의 거리만큼, 더 큰 거리들 이를테면, 1㎛ 내지 50㎛, 5㎛ 내지 10㎛, 10㎛ 내지 20㎛, 20㎛ 내지 30㎛, 40㎛ 내지 50㎛, 또는 50㎛ 초과만큼 감소될 때, 광섬유의 버클링을 유도하기에 충분하다.

[0009] 제1 전기기계 트랜스듀서 및 제2 전기기계 트랜스듀서에 대한 다양한 구성들이 본원에서 설명된 광섬유 스캐닝 시스템들에 유용하다. 예컨대, 제1 전기기계 트랜스듀서는 선택적으로, 원위 버클링 단부 및 근위 버클링 단부를 갖는 버클링 피에조(buckling piezo)에 대응한다. 광섬유는 원위 버클링 단부, 근위 버클링 단부, 또는 원위 버클링 단부 및 근위 버클링 단부 둘 모두에 기계적으로 커플링될 수 있다. 실시예들에서, 버클링 피에조는 피에조 튜브 또는 피에조 스택이다. 선택적으로, 광섬유는 피에조 튜브 또는 피에조 스택을 통과한다. 버클링 피에조는 하나 이상의 전압들의 인가에 의해 버클링 피에조의 길이를 제어하기 위한 복수의 전극들을 포함할 수 있다. 예컨대, 원위 버클링 단부와 근위 버클링 단부 사이의 버클링 피에조의 길이를 감소시키는 것은 버클링력을 광섬유에 인가한다.

[0010] 다른 예에서, 제2 전기기계 트랜스듀서는 원위 튜브 단부 및 근위 튜브 단부를 갖는 피에조 튜브 이를테면, 훨링 피에조 튜브에 대응한다. 실시예들에서, 광섬유는 훨링 피에조 튜브를 통과한다. 원위 튜브 단부는 훨링 원위 조인트에 의해 광섬유에 기계적으로 커플링될 수 있다. 선택적으로, 광섬유는 광학 스캐닝 시스템에 사용된 특정 구성에 의존하여, 원위 튜브 단부, 근위 튜브 단부, 또는 원위 튜브 단부 및 근위 튜브 단부 둘 모두에 기계적으로 커플링된다. 선택적으로, 원위 섬유 단부는 원위 튜브 단부를 넘어 연장되고, 원위 튜브 단부는 원위 섬유 단부와 근위 튜브 단부 사이에 포지셔닝된다. 실시예들에서, 근위 섬유 단부는 근위 튜브 단부를 넘어 연장되고, 근위 튜브 단부는 근위 섬유 단부와 원위 튜브 단부 사이에 포지셔닝된다. 선택적으로, 광섬유는 근위 튜브 단부에 고정되지 않는다.

[0011] 실시예들에서, 훨링 피에조 튜브는 이를테면, 광섬유의 원위 단부의 훨링을 유도하기 위해 하나 이상의 전압들의 인가에 의해 피에조 튜브의 원위 튜브 단부의 측방향 편향들을 제어하기 위한 복수의 전극들을 포함한다. 실시예들에서, 훨링 피에조 튜브는 광섬유의 버클링을 수용하기에 충분한 내경을 갖는다. 훨링 원위 조인트는 훨링 피에조 튜브의 종축을 따른 축 강성 이를테면, 광섬유의 버클링을 유도하기에 충분한 축 강성을 가질 수 있다. 훨링 원위 조인트는 버클링 동안 광섬유의 측방향 회전을 수용하기에 충분한 측방향 강성을 가질 수 있다.

[0012] 일부 실시예들에서, 광섬유 스캐닝 시스템은, 훨링 피에조 튜브 및 제1 전기기계 트랜스듀서에 기계적으로 커플링된 지지 튜브를 더 포함한다. 선택적으로, 제1 전기기계 트랜스듀서는 지지 튜브 내부에 포지셔닝된다. 선택적으로, 제1 전기기계 트랜스듀서는 위에서 설명된 바와 같은 버클링 피에조 튜브, 이를테면, 원위 버클링 단부 및 근위 버클링 단부를 갖는 버클링 피에조 튜브에 대응한다. 실시예들에서, 원위 버클링 단부는 근위 튜브 단부와 근위 버클링 단부 사이에 포지셔닝된다. 일부 실시예들에서, 광섬유 및 원위 버클링 단부는 버클링 원위 조인트에 의해 기계적으로 커플링되고, 종방향 섬유축(longitudinal fiber axis)을 따른 버클링 원위 조인트의 움직임은 버클링 원위 조인트와 훨링 원위 조인트 사이에서 광섬유의 버클링을 야기한다. 선택적으로, 지지 튜브는 원위 단부 및 근위 단부, 이를테면, 훨링 근위 조인트에 의해 근위 튜브 단부에 기계적으로 커플링되는 원위 단부 및 버클링 근위 조인트에 의해 근위 버클링 단부에 기계적으로 커플링되는 근위 단부를 갖는다.

[0013] 다른 예에서, 제2 전기기계 트랜스듀서는 허브, 허브를 둘러싸는 프레임, 및 프레임 및 허브에 기계적으로 커플링된 복수의 측방향 전기기계 트랜스듀서들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광섬유는 허브를 통과하고 허브는 훨링 조인트에 의해 광섬유에 기계적으로 커플링된다. 제2 전기기계 트랜스듀서는 선택적으로, 허브로부터 방사상으로 연장되고 허브를 프레임에 커플링하는 복수의 굴곡부들을 포함한다. 측방향 전기기계 트랜스듀서들은 원위 섬유 단부의 훨링을 자극하기 위해 허브의 측방향 편향들을 제어하기 위한 전극들을 포함하는 피에조 엘리먼트들에 대응할 수 있다. 예컨대, 전극들로의 하나 이상의 전압들의 인가는 피에조 엘리먼트들의 길이를 수정한다. 선택적으로, 피에조 엘리먼트들은 측방향 회전 모션으로 훨링 조인트를 이동시키기 위해 순차적으로 작동될 수 있다.

[0014] 다른 예에서, 제1 및 제2 전기기계 트랜스듀서들이 결합될 수 있다. 예컨대, 제1 전기기계 트랜스듀서 및 제2 전기기계 트랜스듀서는 선택적으로, 피에조 튜브 이를테면, 원위 튜브 단부 및 근위 튜브 단부를 갖는 피에조 튜브를 포함할 수 있다. 선택적으로, 광섬유는 피에조 튜브를 통과하고 원위 섬유 단부는 원위 튜브 단부를 넘어 연장된다. 원위 튜브 단부 및 광섬유는 원위 조인트에서 기계적으로 커플링될 수 있다. 근위 튜브 단부 및 광섬유는 근위 조인트에서 기계적으로 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 원위 조인트 및 근위 조인트는 이를테면, 피에조 튜브의 길이가 감소될 때 광섬유의 버클링을 유도하기에 충분한, 피에조 튜브의 종축을 따른 축 강성들을 갖는다. 선택적으로, 원위 조인트는 버클링 동안 광섬유의 측방향 회전을 수용하기에 충분한 측방향 강성을 갖는다. 실시예들에서, 피에조 튜브는 원위 조인트와 근위 조인트 사이의 광섬유의 버클링을 수용하기에 충분한 내경을 갖는다. 실시예들에서, 원위 튜브 단부는 원위 섬유 단부와 근위 튜브 단부 사이에 포지셔닝되고, 근위 섬유 단부는 근위 튜브 단부를 넘어 연장되고, 근위 튜브 단부는 근위 섬유 단부와 원위 튜브 단부 사이에 포지셔닝된다.

[0015] 실시예들에서, 피에조 튜브는 이를테면, 하나 이상의 전압들의 인가에 의해 피에조 튜브의 길이를 제어하고 피에조 튜브 단부의 원위 튜브 단부의 측방향 편향들을 제어하기 위한 복수의 전극들을 포함한다. 선택적으로, 전압들은 서로 중첩되어 동시성 버클링 및 훨링을 유도할 수 있다. 예컨대, 버클링 전압이 복수의 전극들 각각에 동시에 인가되어 종방향 튜브 축을 따른 피에조 튜브의 길이가 변하게 하고, 상이한 훨링 전압들이 복수의 전극들에 개별적으로 인가되어 원위 튜브 단부가 측방향으로 이를테면, 나선형 구성으로 편향되게 할 수 있다.

[0016] 특정 실시예에서, 광섬유 스캐닝 시스템은 광섬유에 기계적으로 커플링된 제1 전기기계 트랜스듀서, 이를테면, 광섬유에 버클링력을 인가하도록 구성되는 제1 전기기계 트랜스듀서; 및 광섬유에 기계적으로 커플링된 제2 전기기계 트랜스듀서 이를테면, 광섬유의 훨링을 자극하도록 구성되는 제2 전기기계 트랜스듀서를 포함한다.

[0017] 훨링-전용 섬유 스캐너로부터 이용 가능한 것을 넘어 광섬유 스캐너의 시야를 증가시키기 위해 훨링 및 버클링 모션들이 결합될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 선택적으로, 버클링력은 진폭 면에서 주기적으로 램핑(ramp)된다. 선택적으로, 섬유의 훨링 진폭은 주기적으로 램핑된다. 선택적으로, 버클링력의 램핑 및 훨링 진폭의 램핑이 동기화된다. 선택적으로, 피에조들은 위에서 설명된 바와 같이 전기기계 트랜스듀서들로서 사용될 수 있다.

[0018] 예컨대, 광섬유 스캐닝 시스템은, 피에조 튜브; 피에조 튜브를 통과하는 광섬유; 피에조 튜브에 기계적으로 커플링된 지지 튜브; 및 지지 튜브 내부에 배치되고 광섬유에 기계적으로 커플링된 버클링 피에조를 포함할 수 있다. 광섬유는 또한 버클링 피에조에 의해 정의된 내부 공간을 통과할 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0019] 다양한 피에조 튜브들이 개시된 광섬유 스캐닝 시스템들 및 디바이스들 및 방법들에 유용하다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 피에조 튜브는 선택적으로 방사상으로 폴링된 압전 튜브(radially poled piezoelectric tube)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 피에조 튜브는 피에조 스택을 포함할 수 있다. 피에조 튜브는 광섬유의 외경보다 큰 내경과 같이, 광섬유의 버클링을 수용하기에 충분한 치수의 내경을 가질 수 있다. 직경들의 이러한 차이들은 광섬유가 피에조 튜브의 내부 표면에 접촉하지 않고 피에조 튜브의 내부에서 버클링하도록 허용할 수 있다.

[0020] 다양한 실시예들에서, 피에조 튜브는 원위 튜브 단부 및 근위 튜브 단부를 갖는다. 원위 및 근위라는 용어들은 컴포넌트의 상이한 포지션들 또는 단부들을 참조하는 상대적인 용어들이라는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 광섬유는 원위 섬유 단부 및 근위 섬유 단부를 갖는다. 광섬유의 원위 섬유 단부는 피에조 튜브의 원위 튜브 단부를 넘어 원위로(distally) 연장될 수 있다. 예컨대, 피에조 튜브의 원위 튜브 단부는 광섬유의 원위 섬유 단부와 피에조 튜브의 근위 튜브 단부 사이에 포지셔닝될 수 있다. 광섬유의 근위 섬유 단부는 피에조 튜브의 근위 튜브 단부를 넘어 근위로(proximally) 연장될 수 있다. 예컨대, 피에조 튜브의 근위 튜브 단부는 광섬유의 근위 섬유 단부와 피에조 튜브의 원위 튜브 단부 사이에 포지셔닝될 수 있다. 실시예들에서, 광섬유의 원위 섬유 단부는 제한되지 않는다. 선택적으로, 광섬유는 근위 튜브 단부에 고정되지 않는다.

[0021] 다양한 광섬유들이 개시된 광섬유 스캐닝 시스템들 및 디바이스들 및 방법들에 유용하다. 예컨대, 광섬유는 선택적으로, 클래딩, 하나 이상의 코어들, 단일-모드 광섬유, 다중-모드 광섬유, 스텝형(step-index) 광섬유, 광결정 광섬유, 가시선 광학 도파관, 적외선 광학 도파관, 자외선 광학 도파관 및 복수의 광섬유들 중 하나 이상을 포함한다.

[0022] 광섬유의 버클링을 달성하기 위해, 다양한 컴포넌트들이 서로 기계적으로 커플링될 수 있다. 예컨대, 광섬유 및 피에조 튜브의 원위 튜브 단부는 훨링 원위 조인트에 의해 기계적으로 커플링될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "훨링 원위 조인트(whirling distal joint)" 및 "원위 훨링 조인트(distal whirling joint)"는 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 훨링 원위 조인트는 광섬유의 버클링을 유도하기에 충분한, 튜브 축을 따른 축 강성을 가질 수 있다는 것이 인지될 것이다. 선택적으로, 훨링 원위 조인트는 버클링 동안 광섬유의 측방향 회전을 수용하기에 충분한 측방향 강성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 훨링 원위 조인트는, 훨링 원위 조인트와 버클링 원위 조인트 사이의 거리가 임계량 이상 이를테면, 약 5㎛ 미만의 임계량 이를테면, 약 0.01㎛ 내지 약 5㎛ 또는 약 0.1㎛ 내지 약 5㎛ 만큼 감소될 때 광섬유의 버클링을 유도하기에 충분한, 튜브 축을 따른 축 강성을 갖는다.

[0023] 부가적으로 또는 대안적으로, 버클링 원위 조인트는 광섬유 및 버클링 피에조를 기계적으로 커플링한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "버클링 원위 조인트" 및 "원위 버클링 조인트"는 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 실시예들에서, 버클링 피에조는 원위 피에조 단부 및 근위 피에조 단부를 갖는다. 예컨대, 버클링 피에조의 원위 피에조 단부는 피에조 튜브의 근위 튜브 단부와 버클링 피에조의 근위 피에조 단부 사이에 포지셔닝된다. 선택적으로, 광섬유 및 버클링 피에조의 원위 피에조 단부는 버클링 원위 조인트에 의해 기계적으로 커플링된다. 예컨대, 섬유 축을 따른 버클링 원위 조인트의 움직임은 버클링 원위 조인트와 훨링 원위 조인트 사이에서 광섬유의 버클링을 야기할 수 있다.

[0024] 본원에서 설명된 시스템들, 디바이스들 및 방법들과 함께 사용되는 버클링 피에조들에 대한 다양한 구성들이 고려된다. 예컨대, 버클링 피에조는 선택적으로 제2 피에조 튜브를 포함한다. 선택적으로, 버클링 피에조는 피에조 스택을 포함한다.

[0025] 훨링 모션을 달성하기 위해, 피에조 튜브로의 전압의 인가가 피에조 튜브의 치수 특성을 변경하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 피에조 튜브는 이를테면, 하나 이상의 전압들의 인가에 의해 피에조 튜브의 원위 튜브 단부의 측방향 편향들을 제어하기 위한 복수의 전극들을 포함할 수 있다. 선택적으로, 복수의 전극들은, 피에조 튜브의 길이를 따라 연장되고 서로 180°로 배열되는 제1 전극 쌍을 포함한다. 선택적으로, 복수의 전극들은, 피에조 튜브의 길이를 따라 연장되고 서로 180°로 그리고 제1 전극 쌍으로부터 90°로 배열되는 제2 전극 쌍을 포함한다. 선택적으로, 피에조 튜브의 내부 표면은 복수의 전극들에 대한 전압 접지를 제공한다.

[0026] 버클링 모션을 달성하기 위해, 버클링 피에조로의 전압의 인가가 버클링 피에조의 치수 특성을 변경하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 버클링 피에조는 이를테면, 하나 이상의 전압들의 인가에 의해 버클링 피에조의 길이를 제어하기 위한 복수의 전극들을 포함할 수 있다.

[0027] 피에조 엘리먼트로의 전압들의 인가는 하나 이상의 전압 소스들의 사용에 의해 달성될 수 있다. 예컨대, 광섬유 스캐닝 시스템은 피에조 튜브의 복수의 전극들과 전기 통신하는 전압 소스 이를테면, 하나 이상의 훨링 전압들을 복수의 전극들에 인가하는 전압 소스를 더 포함할 수 있다. 예시적인 훨링 전압들은 약 10 kHz 내지 약 80 kHz의 주파수를 갖는다. 대안적으로 또는 부가적으로, 광섬유 스캐닝 시스템은 버클링 피에조의 복수의 전극들과 전기 통신하는 전압 소스 이를테면, 버클링 전압들을 복수의 전극들에 인가하는 전압 소스를 더 포함할 수 있다. 예시적인 버클링 전압은 약 15Hz 내지 약 300Hz의 주파수 또는 반복 레이트를 가질 수 있다.

[0028] 지지 튜브를 포함하는 실시예들에서, 지지 튜브는 원위 단부 및 근위 단부를 가질 수 있다. 예컨대, 지지 튜브의 원위 단부 및 피에조 튜브의 근위 튜브 단부는 훨링 근위 조인트에 의해 기계적으로 커플링될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "훨링 근위 조인트" 및 "근위 훨링 조인트"는 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 지지 튜브의 근위 단부 및 버클링 피에조의 근위 피에조 단부는 버클링 근위 조인트에 의해 기계적으로 커플링될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "버클링 근위 조인트" 및 "근위 버클링 조인트"는 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.

[0029] 위에서 설명된 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있는 상이한 광섬유 스캐닝 시스템 구성들이 고려된다. 예컨대, 광섬유 스캐닝 시스템은 피에조 튜브 이를테면, 튜브 축, 하나 이상의 측방향 축들, 원위 튜브 단부 및 근위 튜브 단부를 갖는 피에조 튜브; 피에조 튜브를 통과하는 광섬유; 피에조 튜브의 원위 튜브 단부 및 광섬유를 기계적으로 커플링하는 원위 조인트 이를테면, 광섬유의 버클링을 유도하기에 충분한, 튜브 축을 따른 축 강성을 갖는 원위 조인트; 및 피에조 튜브의 근위 튜브 단부 및 광섬유를 기계적으로 커플링하는 근위 조인트를 포함할 수 있다. 선택적으로, 원위 조인트는 버클링 동안 광섬유의 측방향 회전을 수용하기에 충분한 측방향 강성을 가질 수 있다. 선택적으로, 원위 조인트는, 원위 조인트와 근위 조인트 사이의 거리가 적어도 임계량 이를테면, 약 5㎛ 미만 이를테면, 약 0.01㎛ 내지 약 5㎛, 약 0.1㎛ 내지 약 5㎛ 또는 약 1㎛ 내지 약 5㎛인 임계량 만큼 감소될 때 광섬유의 버클링을 유도하기에 충분한, 튜브 축을 따른 축 강성을 갖는다. 유용한 피에조 튜브들은 원위 조인트와 근위 조인트 사이에 광섬유의 버클링을 수용하기에 충분한 내경을 갖는 것들을 포함한다는 것이 인지될 것이다.

[0030] 실시예들에서, 광섬유는 피에조 튜브의 원위 튜브 단부를 넘어 원위로 연장되는, 광섬유의 원위 섬유 단부와 같은 원위 섬유 단부 및 근위 섬유 단부를 갖는다. 선택적으로, 피에조 튜브의 원위 튜브 단부는 광섬유의 원위 섬유 단부와 피에조 튜브의 근위 튜브 단부 사이에 포지셔닝된다. 선택적으로, 광섬유의 근위 섬유 단부는 피에조 튜브의 근위 튜브 단부를 넘어 근위로 연장된다. 선택적으로, 피에조 튜브의 근위 튜브 단부는 광섬유의 근위 섬유 단부와 피에조 튜브의 원위 튜브 단부 사이에 포지셔닝된다. 광섬유의 원위 섬유 단부는 제한되지 않을 수 있다는 것이 인지될 것이다. 실시예들에서, 근위 섬유 단부는 피에조 튜브의 근위 튜브 단부를 넘어 근위로 연장되고, 원위 섬유 단부는 피에조 튜브의 원위 튜브 단부를 넘어 원위로 연장된다.

[0031] 피에조 튜브는 이를테면, 하나 이상의 전압들의 인가에 의해 피에조 튜브의 길이 및 피에조 튜브 단부의 원위 튜브 단부의 측방향 편향들을 제어하기 위한 복수의 전극들을 포함할 수 있다. 예컨대, 복수의 전극들은 피에조 튜브의 길이를 따라 연장되고 서로 180°로 배열되는 제1 전극 쌍을 포함한다. 선택적으로, 복수의 전극들은 피에조 튜브의 길이를 따라 연장되고 서로 180°로 그리고 제1 전극 쌍으로부터 90°로 배열되는 제2 전극 쌍을 포함한다. 선택적으로, 이를테면, 훨링 전압과 동시에, 버클링 전압이 복수의 전극들에 인가되어, 피에조 튜브의 길이가 변하게 한다.

[0032] 복수의 전극들과 전기적으로 접촉하는 전압 소스가 포함될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 전압 소스는 하나 이상의 훨링 전압들, 이를테면, 약 10 kHz 내지 약 80 kHz의 주파수를 갖는 하나 이상의 훨링 전압들을 복수의 전극들에 인가할 수 있다. 선택적으로, 전압 소스는 하나 이상의 훨링 전압들 이를테면, 광섬유의 원위 섬유 단부와 원위 조인트 사이의 광섬유의 구역에 대응하는 광섬유의 외팔보 부분의 고유 주파수와 거의 동일한 주파수를 갖는 하나 이상의 훨링 전압들을 복수의 전극들에 인가한다. 선택적으로, 전압 소스는 대안적으로 또는 부가적으로, 버클링 전압 이를테면, 약 15Hz 내지 약 300Hz, 이를테면, 약 60Hz 또는 약 120Hz의 주파수를 갖는 버클링 전압을 복수의 전극들에 인가할 수 있다.

[0033] 다른 양상에서, 광섬유를 스캐닝하는 방법들이 제공된다. 예컨대, 이 양상의 방법은, 광섬유의 훨링을 유도하기 위해 광섬유 스캐닝 시스템에 제1 전압을 인가하는 단계 및 광섬유의 버클링을 유도하기 위해 광섬유 스캐닝 시스템에 제2 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 이 양상의 방법들에 대해 사용되는 광섬유 스캐닝 시스템은 본원에서 설명된 광섬유 스캐닝 시스템들 중 임의의 것, 이를테면, 광섬유, 원위 섬유 단부와 근위 섬유 단부 사이에서 광섬유에 기계적으로 커플링되고 광섬유에 버클링력을 인가하도록 구성되는 제1 전기기계 트랜스듀서; 및 원위 섬유 단부와 근위 섬유 단부 사이에서 광섬유에 기계적으로 커플링되고 원위 섬유 단부의 훨링을 자극하도록 구성되는 제2 전기기계 트랜스듀서를 포함하는 광섬유 스캐닝 시스템에 대응할 수 있다. 선택적으로, 제1 전기기계 트랜스듀서는 복수의 전극들을 포함하고, 제2 전압을 인가하는 단계는, 버클링력의 종방향 인가를 유도하기 위해 복수의 전극들에 제2 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 제2 전기기계 트랜스듀서는 복수의 전극들을 포함하고, 제1 전압을 인가하는 단계는 원위 섬유 단부의 훨링을 자극하도록 광섬유의 측방향 편향을 유도하기 위해 복수의 전극들에 제1 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광섬유의 훨링은 원위 섬유 단부가 제1 미리 결정된 양만큼 편향되게 한다. 일부 실시예들에서, 광섬유의 버클링은 제1 미리 결정된 양에 중첩되는 제2 미리 결정된 양만큼 원위 섬유 단부의 편향을 야기한다.

[0034] 특정 실시예에서, 광섬유를 스캐닝하는 방법은 본원에서 설명된 광섬유 스캐닝 시스템들 중 임의의 것과 같은 광섬유 스캐닝 시스템의 광섬유의 훨링을 유도하기 위해 광섬유 스캐닝 시스템에 제1 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 이러한 광섬유 스캐닝 시스템은 피에조 튜브 이를테면, 제1 전압의 인가에 의해 피에조 튜브의 원위 튜브 단부의 측방향 편향들을 제어하기 위한 복수의 전극들을 포함하는 피에조 튜브 및 피에조 튜브를 통과하는 광섬유를 포함할 수 있다.

[0035] 제1 전압은 선택적으로, 정현파 프로파일 이를테면, 가변 진폭을 갖는 정현파 프로파일을 갖는다. 선택적으로, 이 양상의 방법들은, 광섬유의 버클링을 유도하기 위해 광섬유 스캐닝 시스템에 제2 전압을 인가하는 단계를 포함하거나 더 포함한다.

[0036] 다른 예로서, 이 양상의 방법들에 유용한 광섬유 스캐닝 시스템은 제2 복수의 전극들을 갖는 버클링 피에조를 포함하거나 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 제2 전압을 인가하는 단계는, 이를테면, 버클링 피에조의 길이를 따라 버클링 피에조의 축방향 팽창 또는 수축을 유도하기 위해 제2 복수의 전극들에 제2 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 제2 전압을 인가하는 단계는, 피에조 튜브의 축방향 팽창 또는 수축을 유도하기 위해 복수의 전극들에 제2 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 예시적인 제2 전압들은 약 15Hz 내지 약 300Hz, 이를테면, 약 60Hz 또는 약 120Hz의 주파수를 갖는 전압들을 포함한다. 예시적인 제2 전압은 톱니 또는 삼각형 프로파일을 나타낼 수 있다. 선택적으로, 제2 전압이 인가되기 전에 지연이 사용될 수 있다. 예컨대, 제2 전압을 인가하는 단계는 제1 전압을 인가하고 나서 미리 결정된 양의 시간 후에 제2 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 전압을 인가하는 단계는 광섬유의 훨링이 광섬유로 하여금 미리 결정된 양만큼 편향되게 한 이후에 제2 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 선택적으로, 광섬유의 훨링은 광섬유로 하여금 제1 미리 결정된 양만큼 편향되게 하고 광섬유의 버클링은 광섬유로 하여금 제1 미리 결정된 양에 중첩되는 제2 미리 결정된 양만큼 편향되게 한다. 광섬유의 훨링은 리사주(Lissajou) 모션 등으로 원형 경로, 나선형 경로에서 이동하는 광섬유의 단부에 대응할 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0037] 위의 내용은 다른 특징들 및 실시예들과 함께, 다음의 설명, 청구항들 및 첨부 도면들을 참조하면 더욱 명백해질 것이다.

[0038] 도 1은 광섬유의 버클링을 사용하여 증가된 섬유 편향을 보여주는 예시적인 섬유 스캐닝 시스템의 개략도를 제공한다.
[0039] 도 2a는 섬유 스캐닝 시스템의 피에조 튜브 컴포넌트의 개략도를 제공하고, 도 2b는 피에조 튜브의 훨링 모션의 개략적인 개요를 제공한다.
[0040] 도 3은 일부 실시예들의 예시적인 섬유 스캐닝 시스템의 단면의 개략도를 제공한다.
[0041] 도 4는 훨링 모션을 유도하기 위해 섬유 스캐닝 시스템의 피에조 튜브의 상이한 전극들에 인가된 예시적인 전압들의 플롯을 제공한다.
[0042] 도 5는 버클링 모션을 유도하기 위해 섬유 스캐닝 시스템의 피에조의 전극들에 인가된 예시적인 전압들의 플롯을 제공한다.
[0043] 도 6은 일부 실시예들의 예시적인 섬유 스캐닝 시스템의 단면의 개략도를 제공한다.
[0044] 도 7은 일부 실시예들의 예시적인 섬유 스캐닝 시스템의 단면의 개략도를 제공한다.
[0045] 도 8은 일부 실시예들의 예시적인 섬유 스캐닝 시스템의 개략도를 제공한다.
[0046] 도 9는 섬유 스캐닝 시스템 실시예의 광학 이미지들을 제공한다.

[0047] 광섬유 스캐닝 시스템들 및 광섬유들을 스캐닝하는 방법들의 실시예들이 본원에서 설명된다. 개시된 시스템들 및 방법들은 유리하게는, 광섬유의 일부의 버클링을 유도함으로써 섬유 스캐닝 시스템에서 광섬유에 대한 스캐닝 범위, 오실레이션 진폭 및/또는 최대 포인팅 각도에 대한 개선을 제공한다.

[0048] "버클링(buckling)"이란 용어는 압축 하중 하에서 구조가 나타내는 특징적인 변형을 지칭한다는 것이 인지될 것이다. 버클링은 구조의 단부에 또는 구조 내의 두 포인트들 사이에 힘을 가한 결과로서 발생할 수 있다. 버클링은 인가된 힘의 방향에 대해 횡방향이거나 그렇지 않으면, 그와 동축이 아닌 구조의 변형을 초래할 수 있다. 버클링은 일반적으로 원주 또는 신장된 구조들에서 관찰되거나 특성화되며, 여기서 구조는 인가된 힘의 포인트들 사이에서 굽혀지거나 구부려지거나 휘어질 것이며, 이 인가된 힘은 구조의 고정된 단부, 구조의 자유 단부, 또는 일반적으로 구조의 2개의 임의의 포인트들 사이에 인가될 수 있다. 인가된 힘의 매그니튜드(magnitude), 방향 및 위치, 힘이 얼마나 신속하게 인가되는지 그리고 구조의 재료 성질들에 의존하여, 버클링은 상이한 모드들을 취할 수 있다. 버클링의 특징적인 형상은 구조의 단부들이 고정되는지 또는 지지되는지 여부 및 그 구조의 단부들이 어떻게 고정되거나 지지되는지와 같은 버클링된 구조의 경계 조건들에 의존할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 본 발명들에 사용된 버클링은 유리하게는, 광섬유의 자유 단부의 편향이 섬유의 축을 따른 포인트들 사이에서 발생하는 버클링에 의해 증폭되거나 그렇지 않으면, 증가되는 버클링 모드들을 사용한다.

[0049] 도 1은 예시적인 섬유 스캐닝 시스템(100)의 개략도를 제공한다. 예시된 바와 같이, 섬유 스캐닝 시스템(100)은 피에조 튜브(105) 및 피에조 튜브(105)를 통과하는 광섬유(110)를 포함한다. "피에조(piezo)"라는 용어는 "압전 재료", "압전 변환기", "압전 액추에이터" 및 "압전 디바이스"라는 용어들과 상호 교환 가능하게 사용되며, 재료가 변형될 때 전압의 생성 또는 전압 또는 전기장이 재료에 인가될 때 재료의 변형과 같은 압전 효과를 나타내는 재료를 지칭한다는 것이 인지될 것이다. 다양한 압전 재료들이 본원에서 설명된 시스템들 및 방법들에 유용하다는 것이 인지될 것이다. 예시적인 압전 재료들은, PZT(lead zirconate titanate)와 같은 소정의 세라믹 재료들 및 석영과 같은 소정의 결정질 재료들을 포함한다. 피에조는 다양한 실시예들에서, 피에조의 제어된 팽창, 수축 또는 변형을 유도하기 위해 압전 재료로의 전압의 제어된 인가에 의해 액추에이터로서 사용될 수 있다. 피에조는 임의의 원하는 구성에서 팽창들, 수축들 또는 변형들을 제공하기 위해 피에조 상의 다양한 포인트들 사이에 전압이 인가되게 할 수 있으며, 특정 구성들에서 전압들의 인가는 적합하게 설계된 피에조 시스템들에서 편향 또는 굽힘 모션들을 발생시킬 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 피에조 튜브는 예컨대, 4개 이상의 개별 전극들을 갖는 방사상으로 폴링된 압전 튜브를 포함할 수 있다. 피에조들은 특정 애플리케이션에 대해 임의의 적합한 형상을 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피에조들은 중앙 원통형 개구를 갖는 원통형 구조와 같은 관형 구조들로서 구성된다. 다른 실시예들에서, 피에조들은 원통형 또는 직육면체 형상들로서 구성된다. 피에조들은 재료 상의 원하는 포인트들로의 전압의 인가를 단순화하거나 그렇지 않고 이를 가능하게 하기 위해 하나 이상의 전극들을 통합할 수 있다.

[0050] 피에조 튜브(105)는 원위 단부(155) 및 근위 단부(160)를 가질 수 있다. 예컨대, 피에조 튜브(105)의 원위 단부는 자유로울 수 있는 반면, 피에조 튜브(105)의 근위 단부(160)는 다른 객체 또는 구조에 대한 피에조 튜브(105)의 근위 단부(160)의 모션을 제한하기 위해 다른 객체 또는 구조에 고정될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "원위" 및 "근위"라는 용어들은 피에조 튜브 또는 광섬유와 같은 객체들의 상대 위치들을 반영하도록 의도된다. 다른 구조들 또는 객체들은 또한 원위 및 근위 위치들을 갖는 것으로서 식별될 수 있다. 예컨대, 광섬유는 원위 단부 및 근위 단부를 가질 수 있다. 원위 단부 및 근위 단부라는 용어들은 객체의 물리적 단부들을 지칭할 수 있거나 특정 구역을 정의하는 객체의 위치를 지칭할 수 있다. 근위 및 원위는 단일 바디 또는 구조에 대해 참조될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 일부 실시예들에서, 근위 및 원위라는 용어들은 제1 및 제2, 최상부 및 최하부(또는 최하부 및 최상부), 좌측 및 우측(또는 우측 및 좌측) 등의 용어들과 상호 교환될 수 있다. 일 실시예에서, 근위라는 용어는 기계적 접지를 참조하는 반면, 원위라는 용어는 기계적 접지와 떨어짐을 참조한다.

[0051] 피에조 튜브(105)는 광섬유(110)와 피에조 튜브(105)의 내부 표면 사이에 공간이 있도록 광섬유(110)의 외경보다 큰 내경을 포함한다. 이 구성은 피에조 튜브(105)가 이를테면, 버클링 존(115)에서 광섬유(110)의 버클링을 수용할 수 있게 한다. 광섬유(110)의 외경과 피에조 튜브(105)의 내경 사이의 차이는 버클링 동안 광섬유(110)가 피에조 튜브(105)의 내부 표면에 접촉하지 않도록 임의의 적합한 매그니튜드를 가질 수 있다는 것이 인지될 것이다. 그러나, 일부 구성들에서, 광섬유(110)와 피에조 튜브(105)의 내부 표면 사이의 접촉은 복잡한 버클링 모션을 초래할 수 있다.

[0052] 광섬유(110)는 임의의 적합한 구성을 취할 수 있다. 예컨대, 광섬유(110)는 유리-, 중합체- 또는 플라스틱-기반 광섬유를 포함할 수 있다. 광섬유(110)는 선택적으로 코어 및 클래딩을 포함할 수 있다. 광섬유(110)는 선택적으로 멀티-코어 광섬유를 포함할 수 있다. 광섬유(110)는 단일-모드 또는 다중-모드 광섬유를 포함할 수 있다. 광섬유(110)는 광결정 광섬유를 포함할 수 있다. 광섬유는 가시선 광학 도파관, 적외선 광학 도파관 및/또는 자외선 광학 도파관을 포함할 수 있다. 광섬유(110)는 선택적으로 복수의 광섬유들을 포함할 수 있다.

[0053] 광섬유(110)의 단부들 사이의 포인트들은 다른 객체들에 고정될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유(110) 및 피에조 튜브(105)의 원위 단부(155)는 훨링 원위 조인트(120)에서 기계적으로 커플링될 수 있다. 광섬유(110)는 버클링 원위 조인트(125)에 고정될 수 있다. 이 구성은 유리하게는, 광섬유(110)가 버클링 존(115)에서 버클링할 수 있게 할 수 있다. 광섬유(110)의 버클링은 훨링 원위 조인트(120)와 버클링 원위 조인트(125) 사이의 임의의 적합한 상대적 모션에 의해 달성될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 버클링은 이를테면, 훨링 원위 조인트(120)를 향하는 방향을 따라 버클링 원위 조인트(125)를 이동시켜 훨링 원위 조인트(120)와 버클링 원위 조인트(125) 사이의 거리를 단축시킴으로써 유도될 수 있다. 선택적으로, 버클링 존에서 광섬유(110)의 버클링은 훨링 원위 조인트가 버클링 원위 조인트(125)를 향해 이동하도록 피에조 튜브(105)의 길이를 단축시킴으로써 달성될 수 있다.

[0054] 훨링 원위 조인트(120)는 광섬유(110)를 피에조 튜브(105)의 원위 단부(155)에 기계적으로 커플링하기 위한 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 유리하게는, 훨링 원위 조인트(120)는 훨링 원위 조인트(120)와 버클링 원위 조인트(125) 사이의 거리가 단축될 때 광섬유가 버클링할 수 있게 하기에 충분한, 피에조 튜브(105)의 튜브 축에 평행한 방향을 따른 축 강성을 나타낼 수 있다. 선택적으로, 광섬유(110)의 버클링은 훨링 원위 조인트(120)와 버클링 원위 조인트(125) 사이의 거리가 임계량을 초과하여 감소될 때 발생할 수 있다. 예시적인 임계량들은 5㎛ 이하를 포함한다. 선택적으로, 축 강성은 피에조 튜브(105)의 튜브 축에 수직인 하나 이상의 측방향 축들을 따른 측방향 강성 이상일 수 있다.

[0055] 도 1은 버클링을 통해 달성될 수 있는 광섬유(110)의 편향에서의 이점을 도시하기 위해 광섬유(110)의 3개의 상이한 구성들을 예시한다. 광섬유(110)는 광섬유가 편향되지 않은 경우에 청색의 중립 배향(130)으로 도시되어있다. 피에조 튜브(105)는 피에조 튜브(105)를 따른 포인트들에서의 전압의 적합한 인가를 통한 훨링 모션을 겪도록 유도될 수 있다. 훨링 모션은 객체의 단부의 원형, 나선형, 리사주 또는 의사-원형 모션을 표현할 수 있다. 피에조 튜브(105)의 훨링은, 광섬유(110)가 녹색의 훨링 배향(140)에 의해 도시된 최대 훨링 편향을 획득할 수 있도록 광섬유(110)의 원위 단부가 훨링 모션을 또한 겪도록 유도할 수 있다. 훨링 배향(140)은 훨링 단독으로 달성될 수 있는 광섬유(110)의 최대 편향을 표현할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 또한, 도 1에 도시된 객체들 및 엘리먼트들의 상대적 거리들 및 크기들은 실 척이 아니며, 단지 본 발명들에 의해 달성되는 이점들을 보다 명확하게 도시하기 위한 예시 목적들을 위한 것임이 인지될 것이다. 적색의 배향(150)은 훨링 원위 조인트(120)와 버클링 원위 조인트(125) 사이에서 광섬유(110)의 훨링과 버클링의 조합에 의해 달성될 수 있는 광섬유(110)의 최대 편향을 표현할 수 있다.

[0056] 광섬유(110)의 버클링은 광섬유(110)가 훨링 모션을 겪을 때 그것의 임의의 배향에서 발생할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 버클링의 방향이 예측 가능하고 그리고/또는 제어 가능하도록 광섬유가 피에조 튜브(105)의 훨링을 통해 변위될 때 광섬유(110)의 버클링이 발생하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 광섬유(110)가 중립 배향(130)에 있고 훨링 원위 조인트(120)와 버클링 원위 조인트(125) 사이의 거리를 감소시킴으로써 버클링이 유도될 때, 버클링은 예측 불가능할 수 있는 임의의 방향으로 발생할 수 있다. 광섬유(110)가 배향(140)에서와 같이 피에조 튜브(105)의 훨링 모션을 통해 이미 변위될 때 광섬유(110)의 버클링을 유도함으로써, 버클링의 방향은 예측 가능해질 수 있고 훨링 모션과 관련되어서, 배향(150)에서 도시된 바와 같이 광섬유(110)의 편향의 증가가 달성될 수 있다.

[0057] 도 2a는 피에조 튜브(200)의 단면도의 개략도를 제공한다. 예시된 바와 같이, 피에조 튜브(200)는 피에조 바디(205), 4개의 전극들(210, 215, 220 및 225) 및 중앙 개구(230)를 포함한다. 유리하게는, 전극들(210-225)은 다수의 방향들에서 피에조 튜브(200)의 변형을 가능하게 하기 위한 전압들의 인가를 허용한다. 도 2b는 4개의 전극들(210-225)로의 적절한 전압들의 인가에 의해 중립 포지션(240)을 기준으로 원형 패턴으로 피에조 튜브(200)의 원위 단부의 모션(과장됨)을 도시한다. 피에조 튜브(200)의 내부 표면과 전기적으로 접촉하게 포지셔닝되는 내부 전극(235)이 포함될 수 있으며, 이는 개구(230)의 내부 표면 상에 포지셔닝된 도금에 대응할 수 있다. 선택적으로, 내부 전극은 다른 모든 전압들이 오프셋되는 전압 접지 또는 다른 기준 전압을 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 부가적인 전극들이 피에조 튜브(200)의 하나 또는 양 단부들과 전기적으로 접촉하게 포지셔닝될 수 있다. 피에조 튜브(200)는 본 명세서에 설명된 다른 피에조 튜브, 이를테면, 피에조 튜브(105)와 동일하거나 상이할 수 있다.

[0058] 도 4는 피에조 튜브의 원위 단부의 훨링에 대한 예시적인 피에조 구동 전압들을 예시하는 플롯을 제공한다. 예컨대, 도시된 피에조 구동 전압들은 4개의 전극들(210-225)에 인가되어 피에조 튜브의 원위 단부의 훨링을 유도하고 약 25kHz의 구동 주파수를 반영할 수 있다. 약 10 kHz 내지 약 80 kHz, 이를테면, 약 15 kHz 내지 약 40 kHz 또는 약 40 kHz 내지 약 75 kHz의 주파수를 포함하는 다른 주파수들이 훨링 전압들에 대해 유용할 수 있다. 훨링 전압들의 매그니튜드 또는 진폭은 훨링 편향을 증가 또는 감소시키기 위해 시간의 함수로서 변할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 훨링 전압들은 피에조 튜브(200)의 원위 단부가 나선-형상 편향 또는 훨링 패턴을 따를 수 있게 하기 위해, 중립 포지션 또는 제로 편향을 표현하는 약 0V로부터 최대 훨링 편향을 표현하는 최대 매그니튜드 또는 진폭까지 매그니튜드 또는 진폭 면에서의 변화를 나타낼 수 있다. 2014년 1월 15일에 출원되고 그리하여 인용에 의해 통합되는 미국 특허 출원 제14/156,366호는 광섬유의 훨링을 유도하기 위한 피에조 구동 전압들 및 적합한 전자장치들에 관한 부가적인 세부사항들을 설명한다.

[0059] 도 3은 도 1에 도시된 섬유 스캐닝 시스템(100)과 동일하거나 상이할 수 있는 예시적인 섬유 스캐닝 시스템(300)의 개략도를 제공한다. 섬유 스캐닝 시스템(300)은 피에조 튜브(305), 피에조 튜브(305)를 통과하는 광섬유(310), 피에조 튜브(305)에 기계적으로 커플링되는 지지 튜브(315), 및 지지 튜브(315) 내부에 배치되고 광섬유(310)에 기계적으로 커플링되는 버클링 피에조(320)를 포함한다. 예시된 바와 같이, 피에조 튜브(305)는 원위 튜브 단부(325) 및 근위 튜브 단부(330)를 갖고; 광섬유(310)는 원위 섬유 단부(335) 및 근위 섬유 단부(340)를 갖고; 지지 튜브(315)는 원위 단부(345) 및 근위 단부(350)를 가지며; 버클링 피에조(320)는 원위 피에조 단부(355) 및 근위 피에조 단부(360)를 갖는다.

[0060] 예시된 바와 같이, 광섬유(310) 및 피에조 튜브(305)의 원위 튜브 단부(325)는 원위 훨링 조인트(365)에서 기계적으로 커플링되고; 피에조 튜브(305)의 근위 튜브 단부(330) 및 지지 튜브(315)의 원위 단부(345)는 근위 훨링 조인트(370)에서 기계적으로 커플링되고; 광섬유(310) 및 버클링 피에조(320)의 원위 피에조 단부(355)는 버클링 원위 조인트(375)에서 기계적으로 커플링되고; 버클링 피에조(320)의 근위 피에조 단부(360) 및 지지 튜브(315)의 근위 단부(350)는 버클링 근위 조인트(380)에서 기계적으로 커플링된다.

[0061] 예시된 바와 같이, 피에조 튜브(305)의 원위 튜브 단부(325)는 광섬유(310)의 원위 섬유 단부(335)와 피에조 튜브(305)의 근위 튜브 단부(330) 사이에 포지셔닝되고; 피에조 튜브(305)의 근위 튜브 단부(330)는 광섬유(310)의 근위 섬유 단부(340)와 원위 튜브 단부(325) 사이에 포지셔닝되고; 버클링 피에조(320)의 원위 피에조 단부(355)는 피에조 튜브(305)의 근위 튜브 단부(330)와 버클링 피에조(320)의 근위 피에조 단부(360) 사이에 포지셔닝된다.

[0062] 예컨대, 원위 훨링 조인트(365)와 원위 버클링 조인트(375) 사이의 거리를 감소시킴으로써 광섬유(310)의 버클링이 유도될 때, 광섬유(310)는 버클링 존(385)에서(즉, 원위 훨링 조인트(365)와 원위 버클링 조인트(375) 사이에서) 버클링한다. 피에조 튜브(305)의 내경은 광섬유(310)가 피에조 튜브(305)의 내부 표면에 접촉함 없이, 버클링 존(385)에서 광섬유(310)의 버클링을 수용하기에 충분한 직경으로 이루어질 수 있다.

[0063] 구조적 루프는 섬유 스캐닝 시스템(300)에서의 힘들의 개념적 흐름을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 구조적 루프들은 시스템 강성, 대칭, 동적 응답 등을 결정하는 데 유용할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 버클링 존(385)을 통한 힘의 흐름은 측방향 모션으로 광섬유의 버클링을 유도하는 데 사용된다는 것이 추가로 인지될 것이다. 측방향 모션은 버클링되지 않은 구성에 대하여 원위 섬유 단부(335)의 변위를 증폭시킬 수 있다. 측방향 모션은 축 방향(도 3의 수직 방향)인 변위 방향을 따른 원위 버클링 조인트(375)의 움직임으로 인해 발생할 수 있다. 도 3에서, 근위 버클링 조인트(380)에서 도면의 최하부로부터 시작해서, 구조적 루프에 대한 힘들은 버클링 피에조(320)에서 원위 버클링 조인트(375)로 위로, 원위 버클링 조인트(375)로부터 방사상으로 광섬유(310)로, 광섬유(310)를 따라 원위 훨링 조인트(365)로 상향으로, 원위 훨링 조인트(365)로부터 방사상으로 피에조 튜브(305)로, 피에조 튜브(305)를 따라 근위 훨링 조인트(370)로 하향으로, 근위 훨링 조인트(370)로부터 방사상으로 지지 튜브(315)로, 지지 튜브(315)를 따라 근위 버클링 조인트(380)로 하향으로, 및 근위 버클링 조인트(380)로부터 방사상으로 버클링 피에조(320)로 역으로 흐른다. 원위 훨링 조인트(365)와 원위 섬유 단부(335) 사이의 광섬유(310)의 제한되지 않은 부분이 구조적 루프 밖에 있으며, 이는 광섬유(310)의 이러한 부분이 구조적 루프 내의 힘으로부터 실질적으로 자유롭다는 것을 표시한다는 것이 인지될 것이다. 그러나, 버클링 존(385)에서의 광섬유(310)의 버클링은 원위 훨링 조인트(365)에서의 광섬유(310)의 배향에 영향을 미칠 수 있다는 것이 인지될 것이다. 이는 원위 섬유 단부(335)의 편향이 버클링 존(385)에서의 광섬유(310)의 버클링에 의해 달성될 수 있게 할 수 있다.

[0064] 버클링 변위를 유도하기 위해, 전압들이 원위 피에조 단부(355)나 그 근위에서 그리고 근위 피에조 단부(360)나 그 근위에서 버클링 피에조(320)에 인가될 수 있다. 구성에 의존하여, 버클링 피에조(320)로의 전압들의 인가는 버클링 피에조(320)가 도 3의 수직 방향과 같이 피에조 축을 따라 팽창 또는 수축되게 할 수 있다. 도 3에 예시된 바와 같이, 피에조 축을 따른 버클링 피에조(320)의 팽창은 원위 버클링 조인트(375)의 변위를 초래하여 원위 버클링 조인트(375)와 원위 훨링 조인트(365) 사이의 거리가 감소되게 하여 버클링 존(385)에서 광섬유(310)의 버클링을 유도할 것이다.

[0065] 도 5는 시간의 함수로서 광섬유의 증가된 버클링을 유도하기 위해 버클링 피에조를 구동하기 위한 예시적인 버클링 구동 전압을 예시하는 플롯을 제공한다. 도 5에 도시된 톱니형 전압 프로파일의 반복 레이트는 약 50Hz이며, 이는 섬유 스캐닝 시스템을 통합하는 섬유 스캐닝 디스플레이를 위한 디스플레이의 프레임 레이트 또는 리프레시 레이트를 표현할 수 있다. 다른 버클링 구동 전압들 및 구성들이 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 약 23.976Hz, 약 24Hz, 약 25Hz, 약 29.97Hz, 약 50Hz, 약 59.94Hz, 약 60Hz, 약 85Hz, 약 120Hz 및 약 240Hz의 공통 프레임 레이트들 또는 리프레시 레이트들을 포함해서, 약 15Hz 내지 약 300Hz 사이의 주파수들과 같은 다른 반복 주파수들이 사용될 수 있다. 삼각형 프로파일들, 정현파 프로파일들, 사다리꼴 프로파일들, 정사각형 프로파일들 등과 같은 다른 전압 프로파일들이 사용될 수 있다. 부가적으로, 버클링 구동 전압 프로파일들은 이를테면, 사이클의 선두에 제로 전압의 기간들을 포함할 수 있으며, 이는 광섬유의 버클링의 시작 전의 지연을 표현할 수 있다. 지연의 포함은 예컨대, 버클링 모션의 적용이 도입되기 전에 훨링 전압이 광섬유에서 적절한 매그니튜드의 편향을 먼저 생성할 수 있게 하는 데 유용할 수 있다. 이러한 방식으로, 낮은 또는 제로의 초기 훨링 변위들에서 발생할 수 있는 랜덤 버클링을 유도하는 대신, 버클링의 방향이 편향의 방향과 매칭하도록 제어될 수 있다.

[0066] 본원에서 설명된 섬유 스캐닝 시스템들에 사용되는 버클링 피에조들은 임의의 적합한 구성을 취할 수 있으며, 이를테면, 버클링 피에조들의 대향하는 단부들에 포지셔닝되는 하나 이상의 전극들을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 도 3에 예시된 바와 같이, 버클링 피에조(320)는 관형 피에조로서 구성된다. 버클링 피에조에 대한 관형 피에조의 사용이 유리하며 원통형 대칭 구성을 제공할 수 있다. 이를테면, 버클링 피에조가 하나 이상의 별개의 비-관형 피에조를 포함하는 다른 실시예들이 고려된다. 선택적으로, 버클링 피에조는 함께 스택된 복수의 개별 피에조 엘리먼트들에 대응하는 피에조 스택을 통합하거나 다른 방식으로 이를 포함할 수 있다. 관형 피에조들, 피에조 스택들 등을 포함하는 피에조들은 상업적으로 입수 가능하다는 것이 인지될 것이다. 선택적으로, 피에조 스택은, 단일 전압이 개별 압전 재료 층들 각각에 또는 그에 걸쳐 동시에 인가될 수 있도록 전기적으로 병렬로 연결된 복수의 개별 압전 재료 층들의 구조를 지칭할 수 있다. 피에조 스택들의 사용은 일부 실시예들에서, 유사한 크기의 단일 피에조 엘리먼트보다, 피에조 스택이 특정 전압에 대해 더 큰 전체 변위를 나타낼 수 있기 때문에, 유리할 수 있다.

[0067] 도 6은 피에조 스택을 포함하는 버클링 피에조를 포함하는 예시적인 섬유 스캐닝 시스템(600)의 개략도를 제공한다. 도 6에 도시된 섬유 스캐닝 시스템(600)은 도 3에 도시된 섬유 스캐닝 시스템(300)과 유사하다. 예컨대, 섬유 스캐닝 시스템(600)은 피에조 튜브(605), 피에조 튜브(605)를 통과하는 광섬유(610), 피에조 튜브(605)에 기계적으로 커플링되는 지지 튜브(615), 및 지지 튜브(615) 내부에 배치되고 광섬유(610)에 기계적으로 커플링되는 버클링 피에조 스택(620)을 포함한다. 예시된 바와 같이, 피에조 튜브(605)는 원위 튜브 단부(625) 및 근위 튜브 단부(630)를 갖고; 광섬유(610)는 원위 섬유 단부(635) 및 근위 섬유 단부(640)를 갖고; 지지 튜브(615)는 원위 단부(645) 및 근위 단부(650)를 가지며; 버클링 피에조 스택(620)은 원위 피에조 단부(655) 및 근위 피에조 단부(660)를 갖는다. 버클링 피에조 스택(620)은 5개의 개별 피에조 컴포넌트들을 갖는 것으로 도시되지만, 더 많거나 적은 개별 피에조 컴포넌트들이 피에조 스택에 포함될 수 있다는 것이 인지될 것이다.

[0068] 예시된 바와 같이, 광섬유(610) 및 피에조 튜브(605)의 원위 튜브 단부(625)는 원위 훨링 조인트(665)에서 기계적으로 커플링되고; 피에조 튜브(605)의 근위 튜브 단부(630) 및 지지 튜브(615)의 원위 단부(645)는 훨링 근위 조인트(670)에서 기계적으로 커플링되고; 광섬유(610) 및 버클링 피에조 스택(620)의 원위 피에조 단부(655)는 원위 버클링 조인트(675)에서 기계적으로 커플링되고; 버클링 피에조 스택(620)의 근위 피에조 단부(660) 및 지지 튜브(615)의 근위 단부(650)는 버클링 근위 조인트(680)에서 기계적으로 커플링된다. 광섬유(610)의 버클링은 원위 훨링 조인트(665)와 원위 버클링 조인트(675) 사이에 포지셔닝되는 버클링 존(685)에서 발생한다.

[0069] 동작에서, 피에조 튜브(605)의 원위 튜브 단부(625)의 모션을 유도하기 위해 하나 이상의 전압들이 이를테면, 피에조 튜브(605)의 하나 이상의 전극들을 통해 피에조 튜브(605)에 제공될 수 있다. 유사하게, 이를테면, 버클링 피에조 스택(620)의 하나 이상의 전극들을 통해 버클링 피에조 스택의 튜브 축을 따라 버클링 피에조 스택(620)의 축방향 팽창 및/또는 수축을 유도하기 위해 하나 이상의 전압들이 버클링 피에조 스택(620)에 제공될 수 있다. 하나 이상의 전압 소스들이 피에조 튜브(605)의 전극들 및 피에조 스택(620)과 전기 통신 또는 전기 접촉하게 포지셔닝될 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 약 10 kHz 내지 약 80 kHz의 주파수를 갖는 훨링 전압들이 하나 이상의 전압 소스들에 의해, 이를테면, 원위 훨링 조인트(665)와 원위 섬유 단부(635) 사이의 포지션에서 광섬유(610) 및 피에조 튜브(605)의 원위 튜브 단부(625)의 훨링을 유도하기 위해 피에조 튜브(605)에 인가될 수 있다. 약 15Hz 내지 약 300Hz의 반복 주파수를 갖는 버클링 전압들은 하나 이상의 전압 소스들에 의해, 버클링 피에조 스택(620)의 팽창 및/또는 수축을 유도하기 위해 버클링 피에조 스택(620)에 인가될 수 있다.

[0070] 도 3 및 도 6에 설명된 구성들에서, 광섬유의 버클링은 버클링 피에조 또는 버클링 피에조 스택의 팽창에 의해 달성된다. 그러나, 피에조를 수축시킴으로써 버클링이 달성되는 구성들이 고려된다. 예컨대, 다른 구성에서, 원위 버클링 조인트가 근위 훨링 조인트에 기계적으로 부착될 수 있고, 광섬유가 원위 버클링 조인트에서 버클링 피에조 또는 버클링 피에조 스택에 기계적으로 커플링되는 대신에, 광섬유는, 버클링 존이 원위 훨링 조인트와 근위 버클링 조인트 사이의 영역으로 팽창되도록 근위 버클링 조인트에서 버클링 피에조 또는 피에조 스택에 기계적으로 커플링될 수 있다. 이러한 대안적인 구성에서 광섬유의 버클링을 유도하기 위해, 압전 축을 따른 버클링 피에조 또는 버클링 피에조 스택의 수축은 근위 버클링 조인트의 변위를 초래하여서, 근위 버클링 조인트와 원위 훨링 조인트 사이의 거리가 감소되게 할 것이다. 이러한 구성은 피에조 튜브와 버클링 피에조 또는 버클링 피에조 스택의 기계적 커플링으로 인해, 지지 튜브의 선택적인 제거를 포함한 다수의 이점들을 제공할 수 있다.

[0071] 단일 피에조 튜브가 훨링 및 버클링 둘 모두에 대해 사용되는 부가적인 섬유 스캐닝 시스템 구성들이 본원에서 추가로 고려된다. 예컨대, 도 7은 광섬유의 버클링 및 훨링을 위해 단일 피에조 튜브를 이용하는 섬유 스캐닝 시스템(700)의 개략도를 제공한다. 섬유 스캐닝 시스템(700)은 피에조 튜브(705) 및 피에조 튜브(705)를 통과하는 광섬유(710)를 포함한다. 피에조 튜브(705)는 원위 튜브 단부(715) 및 근위 튜브 단부(720)를 갖고, 광섬유(710)는 원위 섬유 단부(725) 및 근위 섬유 단부(730)를 갖는다. 피에조 튜브(705)의 원위 튜브 단부(715)는 광섬유(710)의 원위 섬유 단부(725)와 피에조 튜브(705)의 근위 튜브 단부(720) 사이에 포지셔닝된다. 근위 튜브 단부(720)는 광섬유(710)의 근위 섬유 단부(730)와 피에조 튜브(705)의 원위 튜브 단부(715) 사이에 포지셔닝된다.

[0072] 섬유 스캐닝 시스템은 또한 피에조 튜브(705)의 원위 튜브 단부(715) 및 광섬유(710)를 기계적으로 커플링하는 원위 조인트(735), 및 피에조 튜브(705)의 근위 튜브 단부(720) 및 광섬유(710)를 기계적으로 커플링하는 근위 조인트(740)를 포함한다. 유리하게는, 원위 조인트(735) 및 근위 조인트(740)는 원위 조인트(735)와 근위 조인트(740) 사이의 버클링 존(745)에서 광섬유(710)의 버클링을 용이하게 하기 위한 기계적 특성들을 나타낸다. 예컨대, 원위 조인트(735)는 원위 조인트(735)와 근위 조인트(740) 사이의 피에조 튜브(705)의 길이를 단축시킴으로써 광섬유(710)의 버클링을 허용하기에 충분한 매그니튜드를 갖는, 피에조 튜브(705)의 축을 따른 축 강성을 나타낼 수 있다. 원위 조인트(735)는, 원위 조인트(735)와 근위 조인트(740) 사이의 광섬유 버클링은 광섬유(710)의 원위 섬유 단부(725)의 변위를 야기하도록 광섬유의 측방향 또는 각도 편향들을 수용하기에 충분한 매그니튜드를 갖는, 피에조 튜브(705)의 튜브 축에 수직인 하나 이상의 측방향들에 따른 측방향 강성을 나타낼 수 있다. 선택적으로, 원위 조인트(735)의 축 강성은 원위 조인트(735)의 측방향 강성 미만이거나 거의 동일할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 근위 조인트(740)는 원위 조인트(735)와 근위 조인트(740) 사이의 피에조 튜브(705)의 길이를 단축시킴으로써 광섬유(710)의 버클링을 허용하기에 충분한 매그니튜드를 갖는, 피에조 튜브(705)의 축을 따른 축 강성을 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 근위 조인트(740)의 측방향 또는 축 강성에 관해 어떠한 제약들도 부과되지 않는다. 선택적으로, 근위 조인트(740)의 측방향 강성은 근위 조인트(740)에서의 광섬유(710)의 각도 편향이 방지되도록 고정 및 회전 불가능 조인트를 제공하기에 충분한 매그니튜드를 갖는다.

[0073] 피에조 튜브(705)의 원하는 훨링 및 버클링 모션들을 달성하기 위해, 상이한 주파수 특성들을 갖는 전압들이 피에조 튜브(705)에 인가될 수 있다. 위에서 그리고 도 4 및 도 5 및 그의 연관된 설명을 참조하여 설명된 바와 같이, 훨링 전압들은 버클링 전압보다 높은 주파수를 가질 수 있다. 버클링 및 훨링 전압들은 버클링 전압 및 훨링 전압이 중첩된 채로 피에조 튜브(705)에 인가될 수 있다. 이러한 방식으로, 피에조 튜브(705)의 전체 길이는 예컨대, 피에조 튜브(705)의 4개의 전극들 각각에 인가되는 전압들의 공통 버클링 프로파일 컴포넌트에 의해 제어될 수 있는 반면, 피에조 튜브(705)의 훨링 모션은 4개의 전극들에 인가된 전압들 각각의 개별 훨링 전압 컴포넌트들에 의해 제어될 수 있다.

[0074] 도 8a 내지 도 8c는 개시된 광섬유 스캐닝 시스템들에 유용한 허브-및-프레임 기반 훨링 메커니즘의 개략도들을 제공한다. 도 8a는 광학 스캐닝 시스템(800)의 제1 측의 사시도를 도시한다. 광학 스캐닝 시스템(800)은 테이퍼링된 섬유(805)를 포함한다. 테이퍼링된 섬유(805)의 원위 단부(810)로부터 방출된 광이 프로젝팅된다. 광학 스캐닝 시스템(800)은 또한 압전 엘리먼트들(825)(도 8a에는 보이지 않음)에 의해 구동되는 프레임(815) 및 허브(820)를 포함한다. 압전 엘리먼트들(825)은 미리 정의된 패턴으로 테이퍼링된 섬유(805)의 오실레이션을 협력적으로 유도하기 위해 프레임(815) 및 허브(820) 둘 모두에 커플링된다.

[0075] 도 8a는 허브(820)와 프레임(815) 사이의 갭(830)을 예시한다. 일부 실시예들에서, 허브(820)는 테이퍼링된 섬유(805)의 원하는 스캔 패턴을 달성하기 위해 적소에서 회전 또는 기울어지도록 구성될 수 있고, 다른 실시예들에서, 허브(820)는 원하는 스캔 패턴을 유도하기 위해 측방향으로 시프트하도록 구성될 수 있다. 원형 형상을 갖는 허브(820)가 도시되지만, 타원형, 직사각형 및 다른 다각형 기하학적 구조들과 같은 다수의 다른 형상들이 또한 가능하다는 것이 인지되어야 한다.

[0076] 도 8b는 허브(820)가 다수의 굴곡부들(835)에 의해 프레임(815)에 어떻게 커플링될 수 있는지를 도시한다. 굴곡부들(835)은 프레임(815) 및/또는 굴곡부(835) 내에 통합된 스트레인 센서를 가질 수 있다. 압전 엘리먼트들(825)의 작동은 예컨대, 테이퍼링된 섬유(805)의 원위 단부(810)를 원형 패턴으로 기동시키는 패턴으로 기동 허브에 대해 길이 방향으로 연장 및 수축된다. 이러한 움직임은 압전 엘리먼트들(825)을 순차적으로 작동시킴으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 제1 압전 엘리먼트가 먼저 작동되고, 뒤이어 제1 압전 엘리먼트로부터 시계 방향 또는 반시계 방향으로 인접하게 로케이팅 제2 압전 엘리먼트가 작동되고, 뒤이어 제3 압전 엘리먼트 및 제4 압전 엘리먼트가 작동될 수 있다. 예컨대, 작동은 도 4에 도시된 바와 같은 제어 신호를 따를 수 있다. 4개의 압전 엘리먼트들이 예시되지만, 2개 이상의 압전 엘리먼트들(예컨대, 2-20개)이 사용될 수 있다. 예컨대, 단 2개의 압전 엘리먼트들만이 사용될 때, 각각의 엘리먼트는 제1 측방향 편향을 생성하기 위해 먼저 일 방향으로 팽창하고 그 후 수축되어 제1 측방향 편향에 상반되는 제2의 이후 편향을 생성하도록 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 허브(820)의 맞은 편의 압전 엘리먼트는 하나의 압전 엘리먼트가 종방향으로 연장되고 다른 압전 엘리먼트가 종방향으로 수축하는 경우와 같이 동시에 작동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 압전 엘리먼트들은 허브(820)의 맞은 편에 있다. 압전 엘리먼트들의 작동을 변동시킴으로써, 변하는 스캔 패턴들이 달성될 수 있다.

[0077] 도 8c는 허브(820) 및 압전 엘리먼트들(825)이 굴곡부들(835)에 의해 허브(820)에 부착되는 곳의 확대도를 도시한다. 스트레인 센서들(840)이 굴곡부들(835)에 걸쳐 연장되거나 이와 인접할 수 있다. 스트레인 센서들(840)은 허브(820) 및 테이퍼링된 섬유(805)의 움직임을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 스트레인 센서들(840)은 굴곡부들(835)의 비틀림 및 굴곡을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 스트레인 센서들(840)에 의해 모니터링되는 굴곡부들(835)의 비틀림 및 굴곡은 일관된 원하는 스캔 패턴을 달성하기 위해 폐루프 피드백 제어를 수행하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 굴곡부는 굴곡부들(835) 각각에 의해 경험되는 상이한 유형들의 응력들을 측정하기 위해 다수의 스트레인 센서들(840)을 포함할 수 있다. 도 8d는 또한 압전 엘리먼트들(825)이 프레임(815)의 채널들(845) 위에서 그리고/또는 그 내에서 어떻게 배열되는지에 관한 확대도를 도시한다. 채널들(845)은 허브(820)의 작동 및 움직임 동안 압전 스트립들(825)의 측방향 모션을 수용하도록 배열 및 형상화될 수 있다.

[0078] 도 8d는 버클링 작동으로 섬유 스캐닝 시스템에 통합된 허브-및-프레임 작동 기반 훨링 메커니즘의 측 단면도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 프레임(815)은 버클링 피에조(850)의 원위 단부에 기계적으로 부착된다. 버클링 피에조(850)는 근위 버클링 조인트에 대응할 수 있는 엘리먼트(855)를 통해 버클링 피에조(850)의 근위 단부에 기계적으로 부착된다. 도 8d에서 화살표(860)에 의해 표시된 바와 같이, 엘리먼트(855)와 허브(820) 사이의 거리를 압축함으로써, 테이퍼링된 광섬유(805)가 측방향을 따라 버클링하도록 유도될 수 있다. 버클링 작동은 예컨대, 테이퍼링된 섬유(805)의 원위 단부(810)가 이를테면, 나선형 패턴을 따라 훨링을 겪는 동안 버클링이 시간에 지남에 따라 램핑될 수 있는, 도 5에 도시된 제어 신호를 따를 수 있다. 도 8d는 버클링 피에조(850) 내부에 포지셔닝된 바와 같은 피에조 엘리먼트들(825)을 도시하지만, 실시예들은, 피에조 엘리먼트들(825)이 프레임(815) 및 허브(820)의 대향하는 측 상에 있고 섬유(805)의 테이퍼링된 부분에 더 근접한 경우를 포함할 수 있다. 피에조 엘리먼트들(825)이 갭(830) 내에 포지셔닝되는 구성들이 또한 고려된다.

[0079] 섬유 스캐닝 디스플레이에서 사용될 때, 정현파 신호의 훨링 전압은 시간의 함수로서 증가하는 진폭을 가질 수 있으며, 이는 광섬유의 원위 단부가 최대로, 이를테면, 나선형 패턴을 따라, 그리고 제로 포지션으로부터 더욱 더 멀리 편향될 수 있게 한다는 것이 인지될 것이다. 최소 내지 최대 정현파 진폭 변화는 디스플레이의 리프레시 또는 프레임 레이트와 매칭하는 반복 레이트를 가질 수 있다. 버클링 전압 진폭은 디스플레이의 리프레시 또는 프레임 레이트와 매칭하는 반복 레이트와 함께, 시간의 함수로서 유사하게 증가할 수 있다. 이러한 진폭 증가는 선택적으로 동기화될 수 있다. 선택적으로, 버클링 전압의 인가는 광섬유의 훨링이 시작하기 위해 특정량의 시간만큼 지연될 수 있어서, 버클링 방향이 예측 가능하고 훨링 방향과 매칭하는 시간에 버클링이 발생할 수 있게 하는데, 그 이유는, 일부 실시예들에서, 낮은 또는 제로 편향에서, 버클링 전압의 인가는 버클링이 예측 불가능한 방향으로 발생하게 할 수 있기 때문이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 버클링 전압의 인가는 버클링에 의해 달성될 수 있는 부가적인 편향 이득들이 필요할 때까지, 이를테면, 훨링 편향이 그의 최대 범위에 근접하거나, 가까워지거나 또는 그렇지 않고 도달하는 시간 부근까지 특정량의 시간 만큼 지연될 수 있다.

[0080] 광섬유를 스캐닝하기 위한 방법이 또한 본원에서 개시된다. 일반적인 방법에서, 광섬유의 훨링을 유도하기 위해 광섬유 스캐닝 시스템에 제1 전압이 인가되고; 광섬유의 버클링을 유도하기 위해 광섬유 스캐닝 시스템에 제2 전압이 추가로 인가된다. 도 1, 도 3, 도 6, 도 7, 및 도 8a 내지 도 8d에 도시된 광섬유 스캐닝 시스템들 중 임의의 것과 같이 본원에서 설명된 광섬유 스캐닝 시스템들 중 임의의 것은 개시된 방법들과 함께 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 제1 전압이 피에조 튜브에 인가될 수 있고, 제2 전압은 버클링 피에조에 인가될 수 있다. 다른 예에서, 제1 및 제2 전압들 둘 모두가 단일 피에조 튜브에 인가된다. 선택적으로, 제1 및 제2 전압들은 중첩된다.

[0081] 제1 전압은 광섬유 훨링과 연관된 모션을 나타내는 주파수를 가질 수 있고, 하나 이상의 정현파 전압 프로파일들에 대응할 수 있으며, 이는 나선형 패턴으로 광섬유를 훨링시키기 위해 진폭이 증가할 수 있다. 제1 전압의 주파수는 광섬유의 오실레이팅 부분의 고유 공진 주파수와 매칭하거나 대략 매칭할 수 있다. 구성에 의존하여, 이 주파수는 약 10 kHz 내지 약 80 kHz의 범위 내에 있을 수 있다. 제1 전압은 또한, 디스플레이에 대한 리프레시 또는 프레임 레이트를 나타내는 더 느린 반복 주파수를 나타낼 수 있고, 디스플레이 동안 반복된 나선형 모션으로 광섬유를 훨링시키도록 고주파 훨링 전압이 반복된다.

[0082] 버클링 모션과 연관된 제2 전압은 또한 디스플레이에 대한 리프레시 또는 프레임 레이트를 나타내는 반복 주파수를 가질 수 있다. 구성에 의존하여, 이 주파수는 약 15 Hz 내지 약 300 Hz의 범위 내에 있을 수 있고, 60Hz 또는 120Hz의 공통 리프레시 레이트들과 일치하는 반복 주파수들이 사용될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 제2 전압은 정사각형, 톱니형, 삼각형, 사다리꼴 또는 다른 프로파일을 가질 수 있다. 선택적으로, 제2 전압은 각각의 반복 동안 진폭이 증가할 수 있고, 일정하거나 감소하는 전압의 하나 이상의 기간들을 또한 포함할 수 있다. 선택적으로, 제2 전압의 진폭의 증가는 제1 전압의 진폭 증가의 전부 또는 부분과 동기화될 수 있다.

[0083] 더 많거나 더 적은 컴포넌트들이 본 명세서에 설명된 섬유 스캐닝 시스템들에 포함될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 섬유 스캐닝 시스템들은 피에조 튜브 및/또는 버클링 피에조 또는 피에조 스택과 같은 피에조와 전기 통신하거나 전기 접촉하는 하나 이상의 전압 소스들을 포함할 수 있다. 본원에서 설명된 시스템들 및 방법들에 유용한 전압 소스들은 컴퓨터 제어 전압 소스들, 프로그래밍 가능 전압 소스들 등을 포함한다. 피에조 재료들에 인가되는 전압들은 임의의 적합한 매그니튜드를 가질 수 있다. 예컨대, 약 0V 내지 약 150V 사이의 매그니튜드들을 갖는 전압들의 인가에 의해 구동될 수 있는, 저전압 피에조 재료들이 본원에서 설명된 방법들 및 시스템들과 함께 사용될 수 있다. 선택적으로, 더 높거나 더 낮은 최대 전압 피에조들이 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터는 예컨대, 약 0V 내지 약 10V 또는 약 -10V 내지 약 10V의 전압과 같은 제어 전압을 생성할 수 있고, 이 제어 전압은 프로그래밍 가능 전압 소스에 대한 입력 신호로서 프로그래밍 가능 전압 소스 이를테면, 전압 드라이브 또는 증폭기를 구동하는 데 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 그 후, 프로그래밍 가능 전압 소스는 예컨대, 피에조 또는 피에조 스택을 구동하기 위해 입력 신호를, 이를테면, 약 0V 내지 약 100V 또는 약 -100V 내지 약 100V와 같은 더 높은 전압 신호로 변환 및/또는 증폭할 수 있다.

[0084] 선택적으로, 광학 소스들은 본원에서 설명된 시스템들 및 방법들에 사용될 수 있다. 예컨대, 섬유 스캐닝 시스템들은, 광섬유의 원위 섬유 단부에서 전자기 방사선 출력을 생성하기 위해 전자기 방사선이 도파되고 그리고/또는 그렇지 않으면, 광섬유를 통과할 수 있게 하도록 광섬유에 광학적으로 커플링된 하나 이상의 광학 소스들을 포함할 수 있다. 이러한 구성은 적어도 부분적으로 섬유 스캐닝 디스플레이에 대응할 수 있다. 광학 소스들은 스위칭 가능하고 컴퓨터로 제어되고 그리고/또는 프로그래밍 가능할 수 있다. 광섬유의 원위 섬유 단부가 훨링 및/또는 버클링에 의해 이동함에 따라 광 소스에 의해 생성된 출력들의 타이밍을 동기식으로 제어함으로써, 광학 이미지들이 출력될 수 있다. 레이저 광학 소스들, 발광 다이오드들 등을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)하는 다양한 광학 소스들이 본원에서 개시된 시스템들 및 방법들에 유용하다는 것이 인지될 것이다. 광학 소스들은 다중 파장 소스들 또는 단일 파장 소스들을 포함할 수 있다. 다중 파장 소스들의 사용은 풀 컬러 이미지들의 생성에 유용할 수 있다.

[0085] 선택적으로, 섬유 스캐닝 시스템들은 광섬유에 대한 광학 소스의 광학 커플링을 용이하게 하기 위해 하나 이상의 광학 컴포넌트들 이를테면, 렌즈들, 프리즘들, 필터들 등을 포함할 수 있다. 선택적으로, 광섬유의 원위 섬유 단부와 광학 통신하게 선택적으로 포지셔닝되는 렌즈, 필터 또는 다른 엘리먼트와 같은 하나 이상의 광학 컴포넌트들은, 광섬유 스캐닝 시스템에 의한 이미지의 출력을 용이하게 하기 위해 광섬유에 광학적으로 커플링될 수 있다.

[0086] 본 발명은 아래의 비-제한적인 예를 참조하여 추가로 이해될 수 있다.

버클링 피에조 액추에이터를 갖는 광섬유 스캐닝 시스템

[0087] 도 7에 도시된 것과 유사한 광섬유 스캐닝 시스템은 다음과 같이 구성되었다. 약 125㎛ 직경의 광섬유가 4-전극 방사상으로 폴링된 피에조 튜브 내에 삽입되었다. 광섬유는 피에조 튜브의 원위 단부와 광섬유의 원위 단부 사이에서 약 2.5 mm의 외팔보 길이를 가졌다. 광섬유는 피에조 튜브의 근위 단부 상에서 근위 버클링 조인트에 고정되었다. 피에조 튜브는 원위 단부로부터 근위 버클링 포지션까지 약 2.4 mm의 길이를 가졌다. 오실레터리 훨링 모션을 유도하기 위해 90 도 위상 시프트된 전극들 각각에 증가하는 진폭의 정현파 전압들이 인가되었다. 버클링 모션을 위해 피에조 튜브의 전체 길이에서의 변화를 유도하기 위해 정현파 전압들 각각에 대한 오프셋으로서 삼각파 전압들이 모든 전극들에 인가되었다. 구성된 광섬유 스캐너 시스템의 사진이 도 9에 제공되며, 도 9는 (최상부로부터 시계 방향으로) 평면도, 상부 측면도, 중간 측면도, 하부 측면도 및 대안적 하부 측면도를 도시한다.

[0088] 사용된 용어들 및 표현들은 제한이 아니라 설명의 용어로서 사용되고, 이러한 용어들 및 표현들의 사용에 있어 보여지고 설명되는 특징들 또는 그의 부분들의 임의의 등가물을 배제하려는 어떠한 의도도 없으며, 청구된 발명의 범위 내에서 다양한 수정들이 가능하다는 것이 인지된다. 따라서, 본 발명이 바람직한 실시예들 및 선택적인 특징들에 의해 구체적으로 개시되었지만, 본원에서 개시된 개념들의 수정들 및 변동들은 당업자들에 의해 이루어질 수 있고, 그러한 수정들 및 변동들은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것이 이해되어야 한다.

[0089] 본 발명의 예시적인 실시예들의 위의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이것은 본 발명을 설명된 바로 그 형태로 제한하거나 총망라하려는 것이 아니며, 위의 교시에 비추어 다수의 수정들 및 변동들이 가능하다. 본 발명 및 본 발명의 실현 가능한 애플리케이션들의 원리들을 설명하고, 그리하여 다양한 실시예들의 그리고 고려되는 특정한 용도에 적합하게 다양한 수정들을 가한 본 발명을 당업자들이 활용할 수 있게 하기 위해 실시예들이 선택되고 설명되었다.

[0090] 치환물(substituent)들의 그룹이 본원에서 개시될 때, 이러한 그룹들의 모든 개별 구성원들 및 치환물들을 사용하여 형성될 수 있는 모든 서브그룹들 및 클래스들이 별개로 개시되는 것으로 이해될 것이다. Markush 그룹 또는 다른 그룹핑이 본원에서 사용될 때, 그룹의 모든 개별 구성원들 및 그룹의 가능한 모든 조합들 및 하위조합들은 본 개시내용에 개별적으로 포함되는 것으로 의도된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "및/또는"은 "및/또는"에 의해 분리된 리스트 내의 아이템들 중 하나, 전부 또는 임의의 조합이 리스트에 포함된다는 것을 의미하는 데: 예컨대, "1, 2 및/또는 3"은 "1만, 2만, 3만, 1 및 2 둘 모두, 1 및 3 둘 모두, 2 및 3 둘 모두, 또는 모두 1, 2 및 3 전부"와 등가이다.

[0091] 달리 언급되지 않는 한, 설명되거나 예시된 컴포넌트들의 모든 공식화 또는 조합이 본 발명을 실시하는 데 사용될 수 있다. 당업자는 동일한 재료를 상이하게 명명할 수 있다는 것이 알려져 있으므로, 재료들의 특정 명칭들은 예시적인 것으로 의도된다. 당업자는, 구체적으로 예시된 것 이외의 방법들, 디바이스 엘리먼트들 및 시작 재료들이 과도한 실험에 의지하지 않고 본 발명의 실시에 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 임의의 이러한 방법들, 디바이스 엘리먼트들 및 시작 재료들의 모든 당 분야에 알려진 기능적 등가물들은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 범위 예컨대, 온도 범위, 시간 범위, 주파수 범위 또는 구성 범위가 본 명세서에 주어질 때마다, 주어진 범위에 포함된 모든 개별 값들뿐만 아니라 모든 중간 범위들 및 하위범위들이 본 개시내용에 포함되는 것으로 의도된다. 본원에서 설명된 상이한 실시예들 전부 또는 그의 부분들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예들은 각각의 개별 양상과 관련된 특정 실시예들 또는 이들 개별 양상들의 특정 조합들에 관한 것일 수 있다.

Claims (20)

1. 시스템으로서,
   원위 섬유 단부 및 근위 섬유 단부를 갖는 광섬유;
   상기 원위 섬유 단부와 상기 근위 섬유 단부 사이에서 상기 광섬유에 기계적으로 커플링된 전기기계 트랜스듀서; 및
   상기 전기기계 트랜스듀서와 전기 통신하는 전압 소스를 포함하고,
   상기 전압 소스는 나선형 경로에 따라 상기 광섬유의 상기 원위 섬유 단부의 배향을 변경하기 위해 상기 전기기계 트랜스듀서에 복수의 전압들을 인가하도록 구성되고, 상기 복수의 전압들은 시간의 함수로서 증가하거나 또는 감소하는 진폭을 갖는 정현파 프로파일을 갖는 제1 전압 및 크기가 주기적으로 램핑(ramp)하는 제2 전압을 포함하는,
   시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 원위 섬유 단부는 제한되지 않는,
   시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전압의 진폭의 증가 또는 감소 및 상기 제2 전압의 크기의 램핑은 서로에 관하여 동기화되는,
   시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전압의 진폭의 증가 또는 감소와 연관된 주파수는 상기 제2 전압의 반복 주파수와 거의 동일한,
   시스템.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전압의 정현파 주파수는 상기 제2 전압의 반복 주파수보다 큰,
   시스템.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 전압 소스에 의한 상기 제2 전압의 인가는, 상기 전기기계 트랜스듀서의 원위 단부와 상기 전기기계 트랜스듀서의 근위 단부 사이의 상기 전기기계 트랜스듀서의 전체 길이의 변화를 초래하는,
   시스템.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 전기기계 트랜스듀서는, 상기 전기기계 트랜스듀서의 원위 단부에서 제1 조인트에 의해 그리고 상기 전기기계 트랜스듀서의 근위 단부에서 제2 조인트에 의해 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되는,
   시스템.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 전압 소스에 의한 상기 제2 전압의 인가는 상기 제1 조인트 및 상기 제2 조인트 사이에서 상기 광섬유를 버클링하는,
   시스템.
9. 제7 항에 있어서,
   상기 전압 소스에 의한 상기 제2 전압의 인가는, 상기 제2 전압이 없는 경우에서의 상기 광섬유의 상기 원위 섬유 단부의 포인팅 각도를 넘어 상기 광섬유의 상기 원위 섬유 단부의 포인팅 각도를 증가시키는,
   시스템.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 전기기계 트랜스듀서는 피에조 튜브를 포함하고, 상기 광섬유는 상기 피에조 튜브의 종축(longitudinal axis)을 따라 상기 피에조 튜브를 통과하는,
    시스템.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 전압들은 서로 중첩되는,
    시스템.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 전기기계 트랜스듀서는 제1 전기기계 트랜스듀서 및 제2 전기기계 트랜스듀서를 포함하고, 상기 제1 전기기계 트랜스듀서는 제1 조인트에 의해 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되고, 상기 제2 전기기계 트랜스듀서는 제2 조인트에 의해 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되고, 상기 제1 조인트는 상기 제2 조인트와 상기 원위 섬유 단부 사이에 포지셔닝되고, 그리고 상기 제2 조인트는 상기 제1 조인트와 상기 근위 섬유 단부 사이에 포지셔닝되는,
    시스템.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 전압 소스에 의한 상기 제2 전압의 인가는 상기 제1 조인트와 상기 제2 조인트 사이에서 상기 광섬유를 버클링하는,
    시스템.
14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 전기기계 트랜스듀서는 허브, 상기 허브를 둘러싸는 프레임, 및 상기 프레임 및 상기 허브에 기계적으로 커플링된 복수의 측방향 전기기계 트랜스듀서들을 포함하고, 상기 광섬유는 상기 허브를 통과하고, 상기 허브는 상기 제1 조인트에 의해 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되는,
    시스템.
15. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 전기기계 트랜스듀서는 제1 피에조 튜브를 포함하고, 상기 제1 조인트는 상기 제1 피에조 튜브의 원위 단부에 포지셔닝되고, 상기 제2 전기기계 트랜스듀서는 제2 피에조 튜브를 포함하고, 상기 제2 조인트는 상기 제2 피에조 튜브의 원위 단부에 포지셔닝되고, 그리고 상기 광섬유는 상기 제1 피에조 튜브와 상기 제2 피에조 튜브의 종축들을 따라 상기 제1 피에조 튜브와 상기 제2 피에조 튜브를 통과하는,
    시스템.
16. 제15 항에 있어서,
    지지 튜브를 더 포함하고,
    상기 제2 피에조 튜브는 상기 지지 튜브 내에 포지셔닝되고, 상기 지지 튜브의 원위 단부는 상기 제1 피에조 튜브의 근위 단부에 기계적으로 커플링되고, 그리고 상기 지지 튜브의 근위 단부는 상기 제2 피에조 튜브의 근위 단부에 기계적으로 커플링되는,
    시스템.
17. 제1 항에 있어서,
    상기 원위 섬유 단부는, 광학 소스에 의해 생성된 전자기 방사선을 상기 광섬유를 통해 상기 근위 섬유 단부에서 상기 원위 섬유 단부로 전송하기 위해 광학 소스에 커플링되는,
    시스템.
18. 방법으로서,
    광섬유, 전기기계 트랜스듀서 및 전압 소스를 포함하는 광섬유 스캐닝 시스템의 상기 전기기계 트랜스듀서에 복수의 전압들을 인가하는 단계 ― 상기 광섬유는 원위 섬유 단부 및 근위 섬유 단부를 가지고, 상기 전기기계 트랜스듀서는 상기 원위 섬유 단부와 상기 근위 섬유 단부 사이에서 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되고, 상기 전압 소스는 상기 복수의 전압들을 인가하기 위해 상기 전기기계 트랜스듀서와 전기 통신하고, 상기 복수의 전압을 인가하는 단계는 나선형 경로에 따라 상기 광섬유의 원위 섬유 단부의 배향을 변경하기 위한 것임 ― 를 포함하고,
    상기 복수의 전압들은 시간의 함수로서 증가하거나 또는 감소하는 진폭을 갖는 정현파 프로파일을 갖는 제1 전압 및 크기가 주기적으로 램핑하는 제2 전압을 포함하는,
    방법.
19. 제18 항에 있어서,
    상기 전기기계 트랜스듀서는, 상기 전기기계 트랜스듀서의 원위 단부에서 제1 조인트에 의해 그리고 상기 전기기계 트랜스듀서의 근위 단부에서 제2 조인트에 의해 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되는,
    방법.
20. 제18 항에 있어서,
    상기 전기기계 트랜스듀서는 제1 전기기계 트랜스듀서 및 제2 전기기계 트랜스듀서를 포함하고, 상기 제1 전기기계 트랜스듀서는 제1 조인트에 의해 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되고, 상기 제2 전기기계 트랜스듀서는 제2 조인트에 의해 상기 광섬유에 기계적으로 커플링되고, 상기 제1 조인트는 상기 제2 조인트와 상기 원위 섬유 단부 사이에 포지셔닝되고, 그리고 상기 제2 조인트는 상기 제1 조인트와 상기 근위 섬유 단부 사이에 포지셔닝되는,
    방법.

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