专利名称：光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法
技术领域：
本发明属于光学扫描技术领域，特别涉及到光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法。
背景技术：
基于微型扫描器件的光学仪器在工业探伤、微位移传感、医疗影像技术等领域具有重要应用前景。常用的光学扫描器件有光学扫描振镜、微型旋转电机、微光机电系统、声光偏转器、多面棱镜转动系统等。在现有扫描器件中，光学扫描振镜和多面棱镜转动系统体积较大，不能内置于内窥探头之中。微型旋转电机只能进行侧向成像。微光机电系统制造工艺复杂，造价昂贵。声光偏转器体积较大，且偏转角度小。基于光纤悬臂共振的光扫描器结构精简、扫描图像像素数目的大小不受扫描器直径约束、成像结果无蜂巢状网格、柔韧性好，因此获得广泛的关注。已有的光纤悬臂共振扫描结构主要采用四分电极压电陶瓷管进行驱动，它具有体积小、价格低廉、结构精简、无电磁辐射、无摩擦损耗等优点。采用四分电极压电陶瓷管的光纤悬臂共振型扫描器中，比较具有代表性的是2006 年Xingde Li等人用分割电极的压电陶瓷管实现的一种二维内窥式光纤扫描探头的方案 (Μ. T. Myaing, D. J. MacDonald, and X. D. Li, Opt. Lett. 31，1076，2006)，该方案申请了美国专利(Pub. No. :US2004/02M474)。该扫描器的驱动方法为在两个互相垂直的方向上使用由正弦波调制的正弦波信号进行驱动。两个方向上载波和调制波的振幅和频率均相同、而载波相差90度，这样就使得光纤进行螺旋扫描。驱动信号中，载波频率与光纤悬臂共振频率一致，从而激发光纤悬臂共振，利用共振使得扫描范围数百倍的放大。该探头具有扫描范围大、体积小等优点；但该扫描器在驱动控制和成像效果等方面具有不足。第一，扫描器驱动信号的产生需要采用调整信号源，这就提高了成本。第二，由于采用螺旋扫描，像素分布不均勻，中心密集，外周稀疏。因此在结果图像中，随着远离中心位置的距离的增加，图像质量越来越模糊。针对已有光纤悬臂共振型扫描器扫描方法的缺点，本发明提出了一种二维栅格式扫描方法。该扫描方法具有扫描速度快、轨迹均勻、动态稳定性高、所需的驱动信号容易获取等优势。
发明内容
本发明的目的在于克服已有光纤悬臂共振型扫描器的不足，基于光纤悬臂共振型扫描器的结构动力学特性，提供一种二维栅格式扫描方法。该扫描方法具有扫描速度快、轨迹均勻、动态稳定性高、所需的驱动信号容易获取等优势。本发明的技术特征在于一种光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，包括光纤悬臂，包裹在光纤悬臂外并实现与光纤悬臂联动的光纤悬臂共振型扫描器，和驱动光纤悬臂共振型扫描器振动的驱动信号，所述光纤悬臂共振型扫描器是能够接收驱动信号并驱动光纤悬臂在共振频率附近进行二维振动的扫描器件，构成二维振动的两个互相垂直的方向上的振动互相独立，其特征在于，按如下步骤进行1)通过基于Euler-Bernoulli Beam理论计算了悬臂的各阶共振频率，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；2)根据步骤1)计算得到的各阶振动模态和共振频率的仿真值，进行扫频实验测试并在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置，寻找确定实际值的方法为了找到扫描器共振频率，采用正弦信号对扫描器进行驱动并产生共振，将激光耦合到光纤中，用CCD 记录光纤末端轨迹。保持驱动信号振幅不变，进行扫频，扫描范围最大时的驱动信号频率确定为共振频率；3)根据具体应用中，对成像帧速率的要求，来选择帧扫描也即低阶扫描所采用的阶数，用于在一个方向上进行帧扫描；4)根据具体应用中，对每帧图像的像素的行数的要求，来选择行扫描也即高阶扫描所采用的阶数，用于在另一个方向上实现行扫描；5)采用两路正弦信号源驱动信号，对扫描器在两个方向上同时驱动，使光纤悬臂产生相应振动，从而进行二维栅格式扫描。基于Euler-Bernoulli Beam理论计算悬臂的各阶共振频率为
权利要求
1.一种光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，包括光纤悬臂，包裹在光纤悬臂外并实现与光纤悬臂联动的光纤悬臂共振型扫描器，和驱动光纤悬臂共振型扫描器振动的驱动信号，所述光纤悬臂共振型扫描器是能够接收驱动信号并驱动光纤悬臂在共振频率附近进行二维振动的扫描器件，构成二维振动的两个互相垂直的方向上的振动互相独立， 其特征在于，按如下步骤进行1)通过基于Euler-BernoulliBeam理论计算了悬臂的各阶共振频率，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；2)根据步骤1)计算得到的各阶振动模态和共振频率的仿真值，进行扫频实验测试并在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置，寻找确定实际值的方法为了找到扫描器共振频率，采用正弦信号对扫描器进行驱动并产生共振，将激光耦合到光纤中，用CCD记录光纤末端轨迹。保持驱动信号振幅不变，进行扫频，扫描范围最大时的驱动信号频率确定为共振频率；3)根据具体应用中，对成像帧速率的要求，来选择帧扫描也即低阶扫描所采用的阶数， 用于在一个方向上进行帧扫描；4)根据具体应用中，对每帧图像的像素的行数的要求，来选择行扫描也即高阶扫描所采用的阶数，用于在另一个方向上实现行扫描；5)采用两路正弦信号源驱动信号，对扫描器在两个方向上同时驱动，使光纤悬臂产生相应振动，从而进行二维栅格式扫描。
2.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于所述光纤悬臂的总体运动由两个互相垂直方向上运动的矢量和构成；光纤悬臂在两个互相垂直的方向上分别进行不同阶模态的共振；低阶模态共振频率慢，进行帧扫描，高阶模态共振频率快，进行行扫描，光纤悬臂同时在两个互相垂直的方向上实现帧扫描和行扫描， 实现二维栅格式扫描。
3.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于采用有限元方法进行数值模拟计算，得到光纤悬臂共振型扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；通过扫频实验测试，进一步确定扫描幅度出现的各个峰值位置所处频率为各阶共振模态的共振频率；根据所需的成像帧频率选择低阶模态；再根据帧频率和每帧图像中所需的像素行数选择高阶模态。
4.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于采用正弦信号驱动光纤悬臂在两个方向谐振；慢扫描频率在选中的低阶模态的共振频率附近取值，快扫描频率在选中的高阶模态的共振频率附近取值，两者的取值保证快扫描频率为慢扫描频率的整数倍，这个倍数决定了每帧图像所包含像素的行数；慢扫描的每半个正弦周期实现一帧的扫描；快扫描的每半个正弦周期实现一行的扫描；采用同步脉冲触发，使得两个方向上的驱动信号同步开始，以保证两个方向的振动能够匹配。
5.根据权利要求1所述的光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，其特征在于基于Euler-BernoulIi Beam理论计算悬臂的各阶共振频率为其中r为悬臂直径，L为悬臂长度，Y为杨氏模量，P为密度。μ为简正值，可根据 cosh Ugcos μ = -1采用普通数值方法计算。μ有无穷多个数值解，第η阶简正值μ η对应η阶共振频率fn。
全文摘要
本发明涉及一种光纤悬臂共振型扫描器的二维栅格式扫描方法，包括光纤悬臂，光纤悬臂共振型扫描器和驱动信号，按如下步骤进行1)通过数值模拟计算，得到扫描器的各阶振动模态和共振频率的仿真值；2)根据各阶振动模态和共振频率的仿真值，进行扫频实验测试并在仿真预测值附近寻找确定实际值的确切位置；3)根据应用场合，选择合适的低阶振动模态，用于在一个方向上进行帧扫描；4)根据对图像像素数目大小的要求，选择合适的高阶振动模态，用于在另一个方向上实现行扫描；5)采用两路正弦信号源，对扫描器在两个方向上同时驱动，从而进行二维栅格式扫描,本发明具有扫描速度快、轨迹均匀、动态稳定性高、所需的驱动信号容易获取等优势。
文档编号G01N21/88GK102525384SQ20111043726
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者李智 申请人:华中科技大学