一种光纤扫描装置的制作方法

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种光纤扫描装置。

背景技术：

光纤扫描器可以根据设计者预先设计好的轨迹进行扫描，以输出图像，从而替代传统的lcd(liquidcrystaldisplay；液晶显示器)，lcos(liquidcrystalonsilicon；液晶附硅/硅基液晶)和oled(organiclight-emittingdiode；有机发光二极管)图像源等，集成到hmd(headmountdisplay；头戴式显示器)、微型投影仪和车载hud(headupdisplay；平视显示器)等设备中去，并且还可以用于医疗内窥镜，扫描隧道显微镜等设备中，其应用十分广泛。

现有技术，为了提高光纤扫描器扫描图像的分辨率，需要增大光纤的摆动幅度，即摆幅，而光纤的摆幅受到很多因素的影响，如：光纤长度、驱动信号的频率、压电驱动器的摆幅等等。

一般情况下，可以使光纤工作在其共振频率达到摆幅最大化的目的，同时，对于压电驱动器而言，可以使压电驱动器的共振频率与光纤的共振频率重合，以达到二次放大的目的，如果按照上述方式，光纤的摆幅还达不到要求，则只能通过增大压电驱动器的驱动电压的方式来提高压电驱动器的摆幅，进而提高光纤的摆幅。

但是，以压电驱动器为压电陶瓷材料为例，在一定电压范围内，压电陶瓷的摆幅会随着驱动电压的增大而增大，而超过压电陶瓷的击穿电压时，压电陶瓷将退极化，使得压电陶瓷的摆幅极大程度的降低，可见，通过增大驱动电压的大小来提高光纤的摆幅的方式，可以在一定程度上增大光纤的摆幅，但会受到材料击穿电电压的限制。因此，光纤扫描器仍然需要其他的方式来增大光纤的摆幅，从而提高光纤扫描器扫描图像的分辨率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光纤扫描装置，用于提高光纤扫描器中光纤的摆幅。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供一种光纤扫描装置，包括：

壳体；

压电驱动器；

光纤，固定在所述压电驱动器上，所述光纤包括能够振动的光纤悬臂；

一个或多个磁吸体，设置在所述压电驱动器上；

一个或多个电磁铁，设置在所述壳体上，在所述压电驱动器和所述电磁铁通电时，所述压电驱动器在所述电磁铁产生的磁场力和施加在所述压电驱动器上的驱动信号产生的压电驱动力的共同作用下运动，从而带动所述光纤悬臂振动。

可选的，所述压电驱动器为二维压电驱动器，包括x方向压电驱动器和与x方向垂直的y方向压电驱动器；

一个或多个所述磁吸体设置在所述x方向压电驱动器上；或

一个或多个所述磁吸体设置在所述y方向压电驱动器上；或

所述装置包括多个所述磁吸体，多个所述磁吸体分别设置在所述x方向压电驱动器和所述y方向压电驱动器上。

可选的，所述装置包括两个磁吸体，设置在所述x方向压电驱动器或所述y方向压电驱动器的自由端的上下表面上，其中，所述x方向压电驱动器的自由端与所述光纤悬臂相临接，所述y方向压电驱动器的自由端与所述x方向压电驱动器连接。

可选的，所述装置包括两个电磁铁，所述两个电磁铁在所述壳体上围绕所述两个磁吸体对称设置。

可选的，所述x方向压电驱动器和所述y方向压电驱动器均为压电陶瓷晶片。

可选的，所述磁吸体为片状结构，所述磁吸体粘贴在所述压电陶瓷晶片的表面上。

可选的，所述磁吸体为磁铁或铁片中的一种或多种。

可选的，在所述电磁铁通电时，在所述光纤扫描装置工作时，控制所述电磁铁产生的磁场的波形按照施加在所述压电驱动器上的驱动信号的波形变换。

本发明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：

本发明实施例的方案中，光纤扫描装置包括壳体，压电驱动器、固定在压电驱动器上的光纤，设置在压电驱动器上的一个或多个磁吸体，以及设置在壳体上的一个或多个电磁铁，在压电驱动器和电磁铁通电时，所述压电驱动器在电磁铁产生的磁场的磁场力和施加在所述压电驱动器上的驱动信号产生的压电驱动力的共同作用下运动，从而带动光纤悬臂振动，通过电磁铁产生的磁场力与压电驱动器的驱动信号所产生的压电驱动力叠加，能够增大压电驱动器的摆幅，进而增大光纤的摆幅。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的光纤扫描装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的xy型压电驱动器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的光纤扫描装置的结构示意图，光纤扫描装置包括壳体10；压电驱动器20；光纤30，固定在所述压电驱动器20上，所述光纤30包括能够振动的光纤悬臂；一个或多个磁吸体40，设置在所述压电驱动器20上；一个或多个电磁铁50，设置在所述壳体10上，在所述压电驱动器20和电磁铁50通电时，所述压电驱动器20在所述电磁铁50产生的磁场力和施加在所述压电驱动器20上的驱动信号产生的压电驱动力的共同作用下运动，从而带动所述光纤悬臂振动。

可见，本发明实施例中，通过压电驱动器20和电磁铁50通电时，产生的磁场的磁场力与压电驱动器20的驱动信号所产生的压电驱动力叠加，能够增大压电驱动器20的摆幅，从而增大光纤30的摆幅。在光纤30的摆幅增大后，可以提高扫描成像装置成像的图像分辨率，以及增大图像的规格(即图像的宽度和高度)。

本发明实施例中，压电驱动器20可以为一维压电驱动器或者二维压电驱动器，二维压电驱动器可以为xy型压电驱动器、圆管型压电驱动器或由四片矩形状的压电陶瓷组成的四方形光纤扫描器等等，本发明实施例中，以二维压电驱动器可以为xy型压电驱动器为例进行说明。具体的，如图2所示，二维压电驱动器包括x方向压电驱动器201和与x方向垂直的y方向压电驱动器202，在通电时，x方向压电驱动器201沿x方向摆动，y方向压电驱动器202沿y方向摆动，其中，x方向是指与x方向压电驱动器201的上下表面垂直的方向，y方向是指与y方向压电驱动器202的左右侧面垂直的方向。

本发明实施例中，x方向压电驱动器201和y方向压电驱动器202可以镶嵌固结在一起，在另一实施例中，x方向压电驱动器201和y方向压电驱动器202还可以是一体成型的压电陶瓷，然后通过两部分分别极化使得x方向压电驱动器201在通电时沿x方向振动，y方向压电驱动器202在通电时沿y方向振动，在其他实施例中，x方向压电驱动器201和y方向扫描驱动器202还可以通过其他方式固定连接，本发明对此不做限制。

本发明实施例中，磁吸体40的个数可以为一个或多个，在磁吸体40的个数为一个时，可以将一个磁吸体40设置在x方向压电驱动器201或y方向压电驱动器202上，具体的，如果需要增大光纤30在x方向的摆幅，则可以将磁吸体40设置在x方向压电驱动器201上，如果需要增大光纤30在y方向的摆幅，则可以将磁吸体40设置在y方向压电驱动器202上。在磁吸体40的个数为多个时，优选的，可以为2-4个，例如：在磁吸体40的个数2个时，如图1所示，可以将两个磁吸体40分别设置在x方向压电驱动器201的上下表面上，或者分别设置在y方向压电驱动器202的左右表面上，或者还可以将其中一个磁吸体40设置在x方向压电驱动器201上，另外一个磁吸体40设置在y方向压电驱动器202上。优选的，磁吸体40的个数可以为4个，其中两个设置在x方向压电驱动器201的上下表面上，另外两个设置在y方向压电驱动器202的左右表面上，从而同时增大光纤30在x方向和y方向的摆幅。

本发明实施例中，磁吸体40可以设置x方向压电驱动器201或y方向压电驱动器202的任意位置上，优选的，如图1所示，磁吸体40可以设置在x方向压电驱动器201或y方向压电驱动器202的自由端上，其中，x方向压电驱动器201的自由端与所述光纤悬臂301相临接，即靠近光纤悬臂301，y方向压电驱动器202的自由端与所述x方向压电驱动器201连接。

本发明实施例中，磁吸体40可以为磁铁，也可以为能被磁铁吸附的材料，例如：含有铁、镍或钴这些成分的物质，进一步，为了便于将磁吸体40粘贴在扫描驱动器20的表面上，并减轻重量，磁吸体40可以为片状结构，则本发明实施例中，磁吸体40可以为磁铁片或铁片中的一种或多种，举例来讲：假设磁吸体40的个数为两个时，则两个磁吸体40可以均为磁铁片，或者均为铁片，又或者分别为磁铁片和铁片。

本发明实施例中，根据磁吸体40在压电驱动器20上的设置位置，将电磁铁50设置在壳体10的对应位置上，在所述光纤扫描装置工作时，控制电磁铁50所产生的磁场的波形按照施加在压电驱动器20的驱动信号波形变换，使得压电驱动器20在驱动信号的激励产生的压电驱动力与磁场的磁场力叠加，从而增大压电驱动器20的摆幅，具体的原理如下：

本发明实施例中，压电驱动器20可以看到压电悬臂梁，压电悬臂梁在周期性驱动电压激励下，其端面的运动可以简化为一个受时变作用力的弹簧振子，弹簧振子是一个不考虑摩擦阻力，不考虑弹簧的质量，不考虑弹簧的大小和形状的理想化的物理模型，则压电驱动器20的动力学方程可以表示为：

其中，m为压电驱动器20的等效质量，x为压电驱动器20的自由端的端面的位移，c为等效的阻尼系数，w为压电驱动器20的固有角频率，u为驱动电压，f为压电驱动器20的受到的等效的力，与驱动电压u成正比，k为与等效力f与驱动电压u的关系系数，w′为驱动信号的角频率，x是指压电驱动器20的振幅的稳态解，由于x与k*u(力的幅度)成正比，因此，增大驱动电压能够增大压电驱动器20的振动幅度(即摆幅)，若驱动电压接近击穿电压而摆幅仍然达不到要求时，则可以通过增大等效力f的大小，来增大压电驱动器20的摆幅。

因此，在压电驱动器20工作时，通过电磁铁50和设置在压电驱动器20上的磁吸体40对压电驱动器20施加外力，即磁场力，如公式(1)所示，相当于压电驱动器20受到的等效力f由于磁场力的存在而增大，使得压电驱动器20的实际摆幅随之增大，至于光纤30，由于压电驱动器20的端面的摆幅增大，光纤30的摆幅也随之增大。

其中，磁场的波形按照驱动信号的波形变换是指磁场的波形与驱动信号的波形相同或者近似相同，波形相同是指磁场的频率与压电驱动器20的驱动信号的频率相同，相位差为零或者极小，对信号的振幅没有限制。在实际应用中，电压激励与压电驱动器20的响应之间的延迟可以相位的形式进行预先补偿，以使通过电磁铁50产生的磁场力和压电驱动器20产生的压电驱动力叠加后，压电驱动器20的振幅能够达到最大值。

接下来，对电磁铁50的设置方式进行说明。

本发明实施例中，电磁铁50的个数可以为一个或多个，具体的，电磁铁50的个数和设置位置可以根据压电驱动器20上磁吸体40设置情况进行设置，根据一种可能的实施方式，假设x方向压电驱动器201的自由端上设置有磁吸体40，则在壳体10上与x方向压电驱动器201的自由端对应的位置上设置用于驱动该磁吸体40的电磁铁，电磁铁50的个数可以为1个，如图1所示，电磁铁50可以设置在壳体10的顶部的对应位置上，或者设置在壳体10的底部的对应位置上，在另一种可能的实施例中，电磁铁50的个数还可以为两个，分别在壳体10的顶部和底部围绕磁吸体40对称设置，在其他可能的实施例中，电磁铁50的个数还可以3个或者4个，在壳体10上环绕磁吸体40进行设置，从而对磁吸体40进行驱动，本领域技术人员可以根据实际需要选择电磁铁的设置方式，本发明对此不做限制。

本发明实施例中，如前所述，在x方向压电驱动器201和y方向压电驱动器202上均可以设置磁吸体40，则可以对应x方向和y方向压电驱动器上磁吸体40分别设置电磁铁50，从而通过电磁铁50产生的磁场力增大压电驱动器20在x方向和y方向的摆幅。

本发明实施例中，壳体10的作用为封装光纤扫描装置，壳体10的形状可以圆柱型，如图1所示(为表示内部结构，图1中省略了部分壳体)，壳体10还可以为棱柱型，如：四棱柱或六棱柱等等，本发明对此不做限制。

本发明实施例中，如图1所示，光纤扫描装置还包括用于夹持压电驱动器20的夹持结构60，y方向扫描驱动器202的固定端固定在夹持结构60上，从而对整个压电驱动器20进行固定。

本发明实施例中，构成压电驱动器20的压电材料可以为无机压电材料(包括压电晶体和压电陶瓷)、有机压电材料或复合压电材料等，本发明实施例对此不作限制。本发明实施例中，x方向压电驱动器201和y方向压电驱动器202可以为压电陶瓷，压电陶瓷可以为晶片结构，晶片结构包括但不限于单晶片结构、双晶片结构、堆叠型单晶片结构或堆叠型双晶片结构。

本发明实施例中，光纤30可以为单模光纤、多模光纤；另一方面，光纤30可以为双包层光纤；以及，光纤30可以为单芯光纤或多芯光纤；另外，光纤30还可以为光子晶体光纤，光子晶体光纤有很多奇特的性质，如：可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输、包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质等等；在具体实施过程中，光纤30还可以为其他特种光纤，本发明对此不做限制。

本发明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：

本发明实施例的方案中，光纤扫描装置包括壳体，压电驱动器、固定在压电驱动器上的光纤，设置在压电驱动器上的一个或多个磁吸体，以及设置在壳体上的一个或多个电磁铁，在压电驱动器和电磁铁通电时，所述压电驱动器在电磁铁产生的磁场的磁场力和施加在所述压电驱动器上的驱动信号产生的压电驱动力的共同作用下运动，从而带动光纤悬臂振动，通过电磁铁产生的磁场力与压电驱动器的驱动信号所产生的压电驱动力叠加，能够增大压电驱动器的摆幅，进而增大光纤的摆幅。

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。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明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。