用于增加视场的光纤扫描器的变形模式致动制造技术

本文描述的是光纤扫描系统和扫描光纤的方法的实施例。所公开的系统和方法有利地通过引起光纤的一部分的变形来改善光纤扫描系统中的光纤的扫描范围、振荡幅度和/或最大指向角。

Deformation mode actuation of optical fiber scanner for increasing field of view

This paper describes an optical fiber scanning system and an embodiment of a method for scanning optical fibers. The disclosed system and method advantageously improve the scanning range, oscillation amplitude and / or maximum pointing angle of the optical fiber in the optical fiber scanning system by causing deformation of a part of the optical fiber.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增加视场的光纤扫描器的变形模式致动相关申请的交叉引用本申请要求2017年4月4日提交的美国临时申请No.62/481,497的权益和优先权，该临时申请通过引用被整体并入本文。
技术介绍
扫描设备通常对用于频率的扫描范围进行折衷。通常，随着频率增加，扫描范围减小，以及随着频率降低，可以增大扫描范围。然而，在一些应用中，希望增加频率和扫描范围。需要额外的扫描系统设计来改善和扩展扫描系统的扫描范围和实用性。
技术实现思路
本申请涉及光纤扫描器系统和相关方法。更具体地，但不限于，本申请涉及光纤振荡器，例如用于扫描光纤显示器，其中光纤通过机械致动器(例如压电致动器(压电部))的方式以旋转运动振荡。通过施加压缩力进一步诱导光纤变形，其中变形增加了光纤的最大偏转，这可以增加系统的视场。在实施例中，与仅旋转的系统相比，变形和旋转的组合可以提供视场的有用增加，而不会牺牲尺寸、形状因子或频率。在光学扫描系统中，频率对于分辨率和刷新率可能都是重要的，以及可以考虑两种不同的频率体制。例如，在扫描光纤显示器中，第一频率可以与刷新率相关，其中光纤的重复扫描可以指示输出视图可以如何频繁地改变。第二频率体制可能与单个扫描中的各个振荡有关，以及该频率可能通过指示光纤的非重叠运动之间的区别如何精细以及这些运动在光纤的单个扫描内如何快而影响分辨率。然而，对于给定投影仪设计，范围对于视场可能是重要的。例如，振荡光纤的最大幅度或范围可以提供光纤生成的输出图像如何宽的限制。随着振荡范围增大，可以提供更宽的视场。扫描设备由于其小的形状因子和有用的分辨率和视场而可用作显示设备。然而，为了获得具有高扫描范围的高频扫描设备，需要在该领域中进行创新。目前描述的光纤扫描系统允许改进的视场投影仪，同时维持小的形状因子。作为示例，通过将所公开的扫描系统合并到扫描光纤显示投影仪中，相对于常规的扫描光纤显示设备，可以增加投影仪的视场。不受限制地，本申请提供了设备和系统，例如光纤扫描设备或包括光纤的系统。在一个方面，一种光纤扫描系统包括：具有远光纤端和近光纤端的光纤；第一机电换能器，其机械地耦接到位于远光纤端与近光纤端之间的光纤，例如被配置为向光纤施加变形力的第一机电换能器；以及第二机电换能器，其机械地耦接到位于远光纤端与近光纤端之间的光纤，例如被配置为激励远光纤端的旋转的第二机电换能器。在实施例中，远光纤端是不受约束的，这可以允许远光纤端响应于机械致动而横向偏转。可选地，机械地耦接第一机电换能器和光纤的第一接合件具有沿与光纤的纵向轴平行的轴的第一轴向刚度。可选地，机械地耦接第二机电换能器和光纤的第二接合件具有沿与光纤的纵向轴平行的轴的第二轴向刚度。在实施例中，当第一接合件与第二接合件之间的距离减小了特定距离(例如，小于5μm的最小距离)、减小了1μm与5μm之间的距离或者减小了较大距离，例如介于1μm与50μm之间、介于5μm与10μm之间、介于10μm与20μm之间、介于20μm与30μm之间、介于40μm与50μm之间或大于50μm的较大距离时，第一轴向刚度和第二轴向刚度足以引起光纤的变形。用于第一机电换能器和第二机电换能器的各种配置对于本文所述的光纤扫描系统是有用的。例如，第一机电换能器可选地对应于具有远变形端和近变形端的变形压电部。光纤可以机械地耦接到远变形端、近变形端或远变形端和近变形端两者。在实施例中，变形压电部是压电管或压电堆叠。可选地，光纤穿过压电管或压电堆叠。变形压电部可以包括多个电极，用于通过施加一个或多个电压来控制变形压电部的长度。例如，减小位于远变形端和近变形端之间的变形压电部的长度将变形力施加到光纤。在另一个示例中，第二机电换能器对应于压电管，例如旋转压电管，其具有远管端和近管端。在实施例中，光纤穿过旋转压电管。远管端可通过旋转远端接合件机械地耦接到光纤。可选地，取决于光学扫描系统中使用的特定配置，光纤机械地耦接到远管端、近管端或远管端和近管端两者。可选地，远光纤端延伸超过远管端，并且远管端位于远光纤端和近管端之间。在实施例中，近光纤端延伸超过近管端，近管端位于近光纤端和远管端之间。可选地，光纤未固定到近管端。在实施例中，旋转压电管包括多个电极，用于通过施加一个或多个电压来控制压电管的远管端的横向偏转，例如以引起光纤的远端的旋转。在实施例中，旋转压电管具有足以适应(accommodate)光纤的变形的内径。旋转远端接合件可以具有沿旋转压电管的纵向轴的轴向刚度，例如足以引起光纤的变形的轴向刚度。旋转远端接合件可以具有在变形期间足以适应光纤的横向旋转的横向刚度。在一些实施例中，光纤扫描系统还包括机械耦接到旋转压电管和第一机电换能器的支撑管。可选地，第一机电换能器位于支撑管内。可选地，第一机电换能器对应于如上所述的变形压电管，例如具有远变形端和近变形端的变形压电管。在实施例中，远变形端位于近管端和近变形端之间。在一些实施例中，光纤和远变形端通过变形远端接合件机械地耦接，并且变形远端接合件沿纵向光纤轴的移动导致光纤在变形远端接合件和旋转远端接合件之间的变形。可选地，支撑管具有远端和近端，例如通过旋转近端接合件机械地耦接到近管端的远端和通过变形近端接合件机械耦接到近变形端的近端。在另一个示例中，第二机电换能器包括毂、围绕毂的框架以及机械地耦接到框架和毂的多个横向机电换能器。在一些实施例中，光纤穿过毂并且毂通过旋转接合件机械地耦接到光纤。第二机电换能器可选地包括从毂径向延伸并将毂耦接到框架的多个柔性部。横向机电换能器可以对应于包括电极的压电元件，所述电极用于控制毂的横向偏转以激励远光纤端的旋转。例如，向电极施加一个或多个电压会修改控制压电元件的长度。可选地，压电元件可以依次致动，以使旋转接合件以横向旋转运动来移动。在另一个示例中，可以组合第一和第二机电换能器。例如，第一机电换能器和第二机电换能器可以可选地包括压电管，例如具有远管端和近管端的压电管。可选地，光纤穿过压电管并且远光纤端延伸超过远管端。远管端和光纤可以在远端接合件处机械耦接。近管端和光纤可以在近端接合件处机械耦接。在一些实施例中，远端接合件和近端接合件具有沿压电管的纵向轴的轴向刚度，该轴向刚度例如当压电管的长度减小时足以引起光纤的变形。可选地，远端接合件具有横向刚度，该横向刚度在变形期间足以适应光纤的横向旋转。在实施例中，压电管具有足以适应位于远端接合件和近端接合件之间的光纤的变形的内径。在实施例中，远管端位于远光纤端和近管端之间，近光纤端延伸超过近管端，并且近管端位于近光纤端和远管端之间。在实施例中，压电管包括多个电极，用于控制例如通过施加一个或多个电压来压电管端的远管端的横向偏转并用于控制压电管的长度。可选地，电压可以彼此叠加以引起同时变形和旋转。例如，可以同时向多个电极中的每个电极施加变形电压，以使压电管的长度沿纵向管轴改变，并且独立地施加到多个电极的不同旋转电压导致远管端例如以螺旋形配置横向偏转。在特定实施例中，光纤扫描系统包括：机械耦接到光纤的第一机电换能器，例如被配置为向光纤施加变形力的第一机电换能器；机械耦接到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：/n光纤，其具有远光纤端和近光纤端；/n第一机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第一机电换能器被配置为向所述光纤施加变形力；以及/n第二机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第二机电换能器被配置为激励所述远光纤端的旋转。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170404 US 62/481,4971.一种系统，包括：
光纤，其具有远光纤端和近光纤端；
第一机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第一机电换能器被配置为向所述光纤施加变形力；以及
第二机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第二机电换能器被配置为激励所述远光纤端的旋转。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述远光纤端是不受约束的。


3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述变形力在幅度上周期性地增加，其中用于所述光纤的旋转的旋转幅度周期性地增加，并且其中所述变形力的增加和所述旋转幅度的增加是同步的。


4.根据权利要求1所述的系统，其中，机械地耦接所述第一机电换能器和所述光纤的第一接合件具有沿与所述光纤的纵向轴平行的轴的第一轴向刚度，其中机械地耦接所述第二机电换能器和所述光纤的第二接合件具有沿与所述光纤的所述纵向轴平行的所述轴的第二轴向刚度，以及其中当所述第一接合件与所述第二接合件之间的距离减小了0.1μm至5μm之间的距离时，所述第一轴向刚度和所述第二轴向刚度足以引起所述光纤的变形。


5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一机电换能器对应于具有远变形端和近变形端的变形压电部，以及其中所述光纤机械地耦接到所述远变形端、所述近变形端或者所述远变形端和所述近变形端两者。


6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述变形压电部是压电管或压电堆叠，以及其中所述光纤穿过所述压电管或所述压电堆叠。


7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述变形压电部包括用于通过施加一个或多个电压来控制所述变形压电部的长度的多个电极。


8.根据权利要求5所述的系统，其中，通过减小位于所述远变形端与所述近变形端之间的所述变形压电部的长度将所述变形力施加到所述光纤。


9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二机电换能器对应于具有远管端和近管端的旋转压电管，其中所述光纤穿过所述旋转压电管，以及其中所述远管端通过旋转远端接合件机械地耦接到所述光纤。


10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光纤机械地耦接到所述远管端、所述近管端或者所述远管端和所述近管端两者。


11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述旋转压电管包括用于通过施加一个或多个电压来控制所述远管端的横向偏转的多个电极。


12.根据权利要求9所述的系统，还包括支撑管，所述支撑管机械地耦接到所述旋转压电管和所述第一机电换能器，其中所述第一机电换能器位于所述支撑管内。


13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述远光纤端延伸超过所述远管端，以及其中所述远管端位于所述远光纤端与所述近管端之间。


14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述近光纤端延伸超过所述近管端，其中所述近管端位于所述近光纤端与所述远管端之间，以及其中所述光纤未固定到所述近管端。


15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述旋转压电管具有足以适应所述光纤的变形的内径。


16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述旋转远端接合件具有沿所述旋转压电管的纵向轴的轴向刚度，其中所述轴向刚度足以引起所述光纤的变形，以及其中所述旋转远端接合件具有在变形期间中足以适应所述光纤的横向旋转的横向刚度。


17.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一机电换能器对应于具有远变形端和近变形端的变形压电部，其中所述远变形端位于所述近管端与所述近变形端之间，其中所述光纤和远变形端通过变形远端接合件机械地耦接，以及其中所述变形远端接合件沿纵向光纤轴的移动导致位于所述变形远端接合件与所述旋转远端接...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·M·达尔林普尔，A·C·杜纳，A·D·卡洛马尼奥，X·张，M·R·约翰逊，W·K·小琼斯，C·D·梅尔维尔，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国;US