CN114660801A - 改进光纤扫描系统的技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及改进光纤扫描系统的技术。光纤扫描系统可以通过使光纤扫描系统的致动器的固有频率和光纤光学扫描元件的固有频率基本匹配而具有优化的性能。通过匹配固有频率，光纤扫描系统可以增大光纤光学扫描元件的末端相对于静止位置被驱动的最大距离。产生这样的效果是因为匹配光纤扫描仪的固有频率允许实现更大的幅度。应注意，可以选择扫描系统的固有频率以避免可能使系统不稳定的激发频率。以这种方式，整个系统可以充当调谐质量阻尼器或调谐谐振结构，从而在保持稳定的扫描系统的同时提高扫描性能。

Description

改进光纤扫描系统的技术

本申请是申请日为2018年3月13日、PCT国际申请号为PCT/US2018/022254、中国国家阶段申请号为201880017818.0、发明名称为“改进光纤扫描系统的技术”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请主张2017年3月15日提交的名称为“DYNAMIC ABSORBER MODE FIBERSCANNER(动态吸收模式光纤扫描仪)”的美国临时专利申请No.62/471,913的优先权，出于所有目的，该专利申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

背景技术

图像投影仪可以是投射图像(或运动图像)以供用户观看的光学设备。最近，创新使头戴式设备包括图像投影仪。这种图像投影仪可以将图像投射到穿戴着头戴式设备的用户的眼睛。然而，小到足以与头戴式设备一起使用的图像投影仪通常以窄视场投射图像。因此，本领域需要一种用于与头戴式设备一起使用的图像投影仪的改进设计。

发明内容

提供了用于光纤扫描系统的改进设计的方法、系统和计算机程序产品。例如，可以通过基本上匹配光纤扫描系统的致动器的固有频率和光纤光学扫描元件的固有频率来优化光纤扫描系统的性能。通过匹配固有频率，光纤扫描系统可以增大光纤光学扫描元件的末端(tip)相对于光纤光学扫描元件的静止位置被驱动的最大距离。产生这样的效果是因为匹配光纤扫描仪的固有频率允许实现更大的幅度。应注意，可以选择扫描系统的固有频率以避免可能使系统不稳定的激励频率。以这种方式，整个系统可以充当用于振荡器的调谐动态吸收器或模态能量传递优化器，从而在保持稳定的扫描系统的同时提高扫描性能。

根据本发明的实施例，提供了一种用于增大光纤扫描系统的视场的方法。所述方法包括通过选择(1)以第一致动器固有频率为特征的致动器和(2)以第一光纤固有频率为特征的光纤光学扫描元件，将光纤扫描系统配置为充当调谐动态吸收器，其中所述第一光纤固有频率在所述第一致动器固有频率的阈值内。或者，所述方法包括通过选择(1)以第二光纤固有频率为特征的光纤光学扫描元件和(2)以第二致动器固有频率为特征的致动器而将光纤扫描系统配置为充当调谐动态吸收器，其中所述第二致动器固有频率在所述第二致动器固有频率的阈值内。所述方法还包括以操作频率驱动所述光纤扫描系统。

根据另一实施例，提供了一种用于增大光纤扫描系统的视场的方法。所述方法包括通过提供(1)以致动器固有频率为特征的致动器和(2)以光纤固有频率为特征的光纤光学扫描元件而将所述光纤扫描系统配置为充当调谐动态吸收器，其中所述光纤固有频率在所述致动器固有频率的阈值内。第一位移增益与所述光纤固有频率处的所述光纤扫描系统的操作相关联。所述方法还包括确定操作频率范围。所述范围从小于所述光纤固有频率并且与所述第一位移增益相关联的第一操作频率延伸到大于所述光纤固有频率并且与所述第一位移增益相关联的第二操作频率。所述方法进一步包括以所述范围内的操作频率驱动所述致动器。

在一些示例中，光纤扫描系统可以包括致动器(例如，压电管)和光纤光学扫描元件。在这样的示例中，可以优化光纤扫描系统，使得(致动器的)致动器固有频率可以被确定为匹配(光纤光学扫描元件的)光纤固有频率。以这种方式，来自致动器的能量可以更有效地传递到光纤光学扫描元件，从而增大光纤光学扫描元件的总体偏转，这可以为光纤扫描系统提供更宽的视场。

通过本公开，实现了优于传统技术的许多益处。例如，本公开的实施例针对给定的能量输入提供了增大的光纤光学扫描元件末端的偏转，从而增大了扫描光纤系统的视场。

提供了一种光纤扫描系统。例如，光纤扫描系统可以包括以致动器固有频率的操作为特征的致动器(例如，压电管)以及与所述致动器耦合的光纤光学扫描元件。在一些示例中，所述光纤光学扫描元件可以以光纤固有频率为特征，所述光纤固有频率被确定为与所述致动器固有频率匹配。在具有压电管的示例中，所述压电管可以具有圆柱形几何形状，所述圆柱形几何形状具有中心轴，其中所述光纤光学扫描元件沿着所述中心轴通过所述压电管。

在一些示例中，所述致动器的一个或多个属性可以被配置为产生所述致动器固有频率的操作。在这样的示例中，所述一个或多个属性中的属性可以是杨氏模量、截面二次矩(second moment of area)、密度、截面积、长度或模式常数(mode constant)。

在一些示例中，致动器固有频率和光纤固有频率可以在阈值(例如，10％)内匹配。在这样的示例中，当所述光纤光学扫描元件与所述致动器分离时，所述致动器固有频率的操作表征所述致动器。

还提供了一种用于增大光纤扫描系统的视场的方法。例如，所述方法可以包括提供以致动器固有频率的操作为特征的致动器。在一些示例中，所述光纤扫描系统可以包括致动器。所述方法可以进一步包括提供与所述致动器耦合的光纤光学扫描元件。在一些示例中，所述光纤光学扫描元件以光纤固有频率为特征，所述光纤固有频率被确定为与所述致动器固有频率匹配。在这样的示例中，所述光纤扫描系统可以进一步包括所述光纤光学扫描元件。所述方法可以进一步包括以操作频率驱动所述致动器。

在一些示例中，所述光纤扫描系统的位移增益可以以界定所述致动器固有频率的两个分开的频率峰为特征。在这样的示例中，所述操作频率可以接近所述频率峰中的第一峰(即，在所述第一峰的阈值内的频率处)，其中所述第一峰小于所述致动器固有频率。在其它示例中，所述操作频率可以接近所述频率峰中的第二峰(即，在所述第二峰的阈值内的频率处)，其中所述第二峰大于所述致动器固有频率。在其它示例中，所述操作频率可以接近所述致动器固有频率(即，在所述致动器固有频率的阈值内的频率处)。在一些示例中，所述致动器可以由正弦电压驱动。

附图说明

下面参考以下附图详细地描述示例性实施例。

图1示出了根据本公开的实施例的光纤扫描系统的示例；

图2示出了根据本公开的实施例的使用光纤扫描系统的图像投影仪的示例；

图3示出了根据本公开的实施例的通过移动光纤扫描系统形成的螺旋图案的示例；

图4A示出了根据本公开的实施例的用于光纤扫描系统的动态吸收设计的截面的示例；

图4B示出了根据本公开的实施例的用于光纤扫描系统的替代设计的截面的示例；

图4C示出了指示毂和板的光纤扫描系统的截面的示例；

图5A示出了根据本公开的实施例的光纤扫描系统的替代设计的波特(Bode)图的示例；

图5B示出了根据本公开的实施例的光纤扫描系统的动态吸收设计的波特图的示例；

图5C示出了根据本公开的实施例的用于比较光纤光学扫描元件的动态吸收设计和替代设计的波特图的示例；

图5D示出了根据本公开的实施例的用于比较致动器的动态吸收设计和替代设计的波特图的示例；以及

图6示出了用于增大光纤扫描系统的视场的过程的示例。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种实施例。附图和描述并非旨在限制。

下面的描述仅提供示例性实施例，并非旨在限制本公开的范围、适用性或配置。而是，下面对示例性实施例的描述将为本领域技术人员提供使得示例性实施例能够实施的说明。例如，尽管说明描述了压电管，但应该认识到，可以使用任何类型的致动器。还应理解，在不脱离所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

图像投影仪可以是投射图像(或运动图像)以供用户观看的光学设备。在一些示例中，图像投影仪可以将光形式的图像投射到用户的一只或多只眼睛中。在这样的示例中，图像投影仪可以采取一种或多种光纤扫描系统的形式，每个光纤扫描系统可以使用光纤光学扫描元件和致动器，以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如等)将光投射到用户的一只或多只眼睛中。除了投射光之外，光纤扫描系统还可以接收发射的光。特别地，可以使用投射光的同一光纤扫描系统来接收光。

图1示出了根据本公开的实施例的光纤扫描系统100的示例。光纤扫描系统100可以包括致动器110(例如压电管)和光纤光学扫描元件120(例如，单纤或多芯光纤光学扫描元件)。在一些示例中，致动器110可以耦合到光纤光学扫描元件120，使得光纤光学扫描元件120是悬臂式的。在这样的示例中，致动器110可用于扫描(或移动)光纤光学扫描元件120的末端，以将光投射到用户的一只或多只眼睛中。

图2示出了根据本公开的实施例的使用光纤扫描系统200的图像投影仪的示例。在一些示例中，光纤扫描系统200可以包括致动器210(其可以与图1中的致动器110相关联)和光纤光学扫描元件220(其可以与图1中的光纤光学扫描元件120相关联)。在这样的示例中，光纤光学扫描元件220可以由致动器210扫描以产生通过波导230传递到眼睛240的一组小射束(beamlet)，这些小射束具有多个入射角和交叉点。例如，准直光场图像可以被注入到波导230中，然后移至眼睛240。

图3示出了根据本公开的实施例的通过移动光纤扫描系统形成的螺旋图案的示例。具体而言，螺旋310示出了多芯光纤光学扫描元件330，螺旋320示出了单光纤光学扫描元件340。在一些示例中，固定的图案间距可以提供均匀的显示分辨率。在这样的示例中，间距可以是沿着来自多芯光纤光学扫描元件330的原点的公共矢量的连续螺旋通路(pass)之间的距离。

图4A示出了根据本公开的实施例的用于光纤扫描系统400的动态吸收设计的截面的示例。光纤扫描系统400可以包括致动器410(其可与图1中的致动器110相关联)。光纤扫描系统400还可以包括光纤光学扫描元件420(其可以与图1中的光纤光学扫描元件120相关联)。如下所述，光纤光学扫描元件420可用作光纤扫描显示系统的扫描光纤。

在图4A中，光纤扫描系统的致动器被实现为压电管，并且为了清楚起见，本文的讨论利用术语“压电管”，但是应当理解，本公开的实施例可以使用压电管之外的致动器。例如，可以使用音圈致动器、热致动器、静电驱动致动器、电磁致动器等。因此，压电管的描述应当被理解为包括更一般类别的致动器的描述，并且本公开不限于被实现为压电管的致动器。

在图4A所示的示例实施例中，致动器410以圆柱形几何形状为特征。另外，光纤光学扫描元件420沿着光纤光学扫描元件420的中心轴通过致动器410，并且在中心位置412处机械地耦合到致动器410。尽管光纤光学扫描元件420在中心位置412处(即在零半径的径向位置处)耦合到致动器410，但这不是本公开所必需的，根据本公开的实施例，也可以利用其它耦合位置。因此，应该认识到，光纤光学扫描元件420可以耦合到致动器410的其它位置。在一些示例中，光纤光学扫描元件420可以使用环氧树脂耦合到致动器410。

在一些示例中，光纤扫描系统400还可以包括位于光纤光学扫描元件420和致动器410之间的中间元件。在这样的示例中，中间元件可以是熔融石英套圈(ferrule)或微加工(例如，熔融石英或单晶硅)接头。

在一些示例中，光纤光学扫描元件420在中心位置412处的外径和致动器410在中心位置412处的内径可以是相同的。在其它示例中，直径可以是不同的(即，外径可以小于内径)。在这样的示例中，保持套环(retention collar)可用于围绕并接触光纤光学扫描元件420。

在一些示例中，光纤光学扫描元件420可以使用环氧树脂、填充的环氧树脂(例如，碳纳米管、纳米橡胶、石墨烯、或纳米二氧化硅添加剂等)、焊料玻璃、焊料、任何粘合剂等耦合到致动器410。

在一些示例中，致动器410可以基于致动器410的一个或多个属性(如下所述)而具有固有频率(有时被称为致动器固有频率或本征频率)。致动器固有频率可以被描述为在初始扰动之后，致动器410在没有外力的情况下振荡而自己振动的频率(如Rao SS著的《机械振动》(Mechanical Vibrations)，第53页，艾迪生韦斯利(Addison-Wesley)出版公司，纽约，1995年)中所述)。在一些示例中，致动器固有频率是与光纤光学扫描元件420分离的致动器410的特征。

在一些示例中，光纤光学扫描元件420也可以具有固有频率(有时被称为光纤固有频率)。光纤固有频率(有时被称为光纤谐振频率)可以是光纤光学扫描元件420(独立于致动器410或与致动器410分离)在没有任何驱动或阻尼力的情况下趋于振荡的频率。光纤固有频率可以与致动器固有频率相同或不同。在一些示例中，光纤固有频率可以远小于致动器固有频率(如图4B所示)。在一些示例中，当光纤光学扫描元件420的振荡频率与致动器固有频率匹配时，光纤光学扫描元件420可以吸收更多能量。

在一些示例中，可以优化光纤扫描系统400，使得当光纤光学扫描元件420与致动器410分离或独立于致动器410时，光纤固有频率可以在致动器固有频率的阈值(例如，10％)内。通过在阈值内匹配固有频率，来自致动器410的能量可以更有效地传递到光纤光学扫描元件420，从而使光纤光学扫描元件420的整体偏转更大，这可以导致更大(或更宽的)图像视场。如本文所述，致动器固有频率和光纤固有频率之间的相等或匹配能够实现从致动器410到光纤光学扫描元件420的有效能量传递。关于10％的阈值讨论了该相等或匹配，但是这不是本公开所必需的。在一些示例中，阈值小于10％(例如，5％、2％、1％等)。在其它示例中，阈值大于10％(例如，15％、20％等)。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替代。

如上所述，致动器固有频率可以基于致动器410的一个或多个属性。在一些示例中，可以调整一个或多个属性，使得致动器固有频率被确定为与光纤固有频率匹配(在光纤固有频率的阈值内)。在这样的示例中，致动器410的一个或多个属性可以包括但不限于：杨氏模量、截面二次矩、密度、截面积、长度或模式常数。致动器固有频率可以被表示为：

其中f_n可以是致动器410的固有频率，β可以是模式常数，L可以是致动器410的长度，i可以是表示模数(mode number)的整数，E可以是致动器410的杨氏模量，I可以是致动器410的截面二次矩，ρ可以是致动器410的密度，并且A可以是致动器410的截面积。在一些示例中，模式常数可以是边界条件和模式谐波(例如，第一模式、第二模式等)的函数。边界条件可以是光纤光学扫描元件如何在其端部附接。在一些示例中，附接可以是固定的，表明固定端没有旋转且没有位移。在其它示例中，附接可以是简单的，表明没有位移，但是允许旋转。在其它示例中，附接可以是自由支撑的，表明允许旋转且允许位移。

在一个说明性示例中，致动器固有频率和光纤固有频率均可以是约25,000赫兹(Hz)。在这样的示例中，致动器410的长度可以是3.903毫米(mm)，并且光纤光学扫描元件420的长度可以是1.970mm。致动器410和光纤光学扫描元件420的其它尺寸可以包括压电外径(OD)(例如，888微米(μm))、压电内径(ID)(例如，296μm)、光纤光学扫描元件420的直径(例如，125μm)、接合挠曲板厚度(例如，70μm)(板在图4C中示出)、接合挠曲毂厚度(例如，40μm)(毂在图4C中示出)和标称激励电压(例如，100μm)。然而，应该认识到，尺寸和属性可以根据具体应用和/或致动器而不同。

在一些示例中，当光纤光学扫描元件420被添加到致动器410上以形成光纤扫描系统时，光纤扫描系统的固有频率可以小于致动器固有频率或光纤固有频率。例如，由于光纤光学扫描元件420增加了质量，光纤扫描系统的固有频率可以相对于致动器固有频率降低。在一些示例中，当光纤光学扫描元件420与致动器410组合时，光纤扫描系统的固有频率可以是光纤光学扫描元件420和致动器410的模态质量比的函数。在一些示例中，动态吸收设计的模态质量比(modal mass ratio)可以是1:1，其中致动器410具有与光纤光学扫描元件420相等的模态质量。

在一些示例中，致动器410可以以特定频率或特定频率范围被驱动，其可以被称为操作频率。在这样的示例中，致动器410可以由正弦电压驱动。致动器410被驱动的操作频率可以使得致动器410减少其自身的运动。例如，致动器410可以以其固有频率被驱动。通过最小化致动器410的运动，能量可以由致动器410存储，然后可以通过反作用力被传递到光纤光学扫描元件420，以获得光纤光学扫描元件420的更大总体偏转。因此，在其中致动器以其固有频率被驱动以产生增加的光纤光学扫描元件偏转的本发明的实施例与传统系统形成鲜明对比，在传统系统中，操作频率(特别是调谐动态吸收器的操作频率)与谐振频率明显不同以减轻振动。与传统的系统操作相反，本发明的实施例不是减轻光纤光学扫描元件的振荡(即偏转)，而是增大偏转范围。

图4B示出了根据本公开的实施例的用于光纤扫描系统的替代设计的截面的示例。该替代设计可以具有用于致动器440和光纤光学扫描元件450的不同固有频率。特别地，致动器固有频率可以是约50,000Hz，而光纤固有频率可以是约25,000Hz(致动器固有频率的一半)。在一些示例中，替代设计中的致动器的长度可以是2.767mm，并且光纤光学扫描元件450的长度可以是1.970mm。在一些示例中，替代设计的模态质量比可以是2:1，其中致动器440的模态质量可以是光纤光学扫描元件450的模态质量的两倍。

图5A示出了根据本公开的实施例的光纤扫描系统的替代设计的波特图的示例。图5A所示的波特图与上面关于图4B讨论的光纤扫描系统的替代设计(其中光纤光学扫描元件的固有频率是致动器的固有频率的一半)相关。图5A中的波特图可以描述光纤扫描系统的部件(例如，致动器440和/或光纤光学扫描元件450)的频率响应和相位角。在一些示例中，可以使用一个或多个线性模型生成波特图。然而，应该认识到，可以使用一个或多个非线性模型生成波特图。

具体而言，第一波特图可以绘制与电压施加到致动器的频率相关的致动器的位移增益(例如，压电管图520)和光纤光学扫描元件的位移增益(例如，光纤图510)。在一些示例中，位移增益可以与光纤光学扫描元件的末端和/或致动器的末端有关。在这样的示例中，可以使用以下等式计算位移增益：

其中δ是指光纤扫描系统的动态值，1是指光纤扫描系统的静态值的近似值。在这样的示例中，静态值可以归一化为1，这可以是光纤扫描系统的期望静态偏转。在一些示例中，静态值可以是当施加直流(DC)电压电势时致动器的位移。在这样的示例中，致动器的位置可以不随时间改变。在一些示例中，动态值可以是当施加交流(AC)电压电势时致动器的位移。

参考图5A的第一波特图，光纤图510可以指示光纤光学扫描元件的末端的位移增益可以增加，直到被施加到致动器的频率达到光纤光学扫描元件的固有频率(例如，25,000Hz)。在一些示例中，当频率接近光纤固有频率时，光纤光学扫描元件的位移增益可以以更大速率增加。在光纤图510达到光纤固有频率之后，光纤光学扫描元件的末端的位移增益可以减小(例如，渐近地)。

压电管图520可以指示致动器的末端的位移增益也增加，直到被施加到致动器的频率达到光纤固有频率。在一些示例中，致动器的频率可以按照对数尺度以相对线性的速率增加，直到光纤光学扫描元件的位移增益达到特定量。一旦光纤光学扫描元件的位移增益达到特定量，便可将更多能量从致动器传递到光纤光学扫描元件，使得致动器的位移增益以比光纤光学扫描元件的位移增益达到该特定量之前更大的速率增加。在一些示例中，从光纤光学扫描元件到致动器的能量传递是不利的，因为光纤光学扫描元件的反作用力向致动器的传递会减小光纤光学扫描元件可经历的位移增益。

一旦被施加到致动器的频率达到光纤固有频率，致动器的位移增益便可降到约-10，其可以等于20log₁₀输出/输入，使得输出/输入等于0.31，表明动态响应是静态响应的31％。在致动器的位移增益下降之后，致动器的位移增益可以增加到特定量(作为频率的函数的位移幅度的变化率可以取决于线性系统的阶次(order))，然后继续增加(以与上述特定量之前的速率相似的速率增加)，直到被施加到致动器的频率达到致动器固有频率(例如，50,000Hz)。在被施加到致动器的频率达到致动器固有频率之后，致动器的位移增益可以减小(例如，渐近地)。

第二波特图可以绘制与电压施加到致动器的频率相关的致动器的相位角(例如，压电管540)和光纤光学扫描元件的相位角(光纤图530)。相位角可以指示致动器和光纤光学扫描元件对频率输入的响应之间的关系。在一些示例中，相位角可以指示时间延迟，通常是命令信号和物理响应之间的延迟。在这样的示例中，相位角可以指示光纤扫描系统的可控性。

图5B示出了根据本公开的实施例的光纤扫描系统(如上面的图4A所示，其中光纤固有频率可以与致动器固有频率近似地匹配)的动态吸收设计的波特图的示例。类似于上面针对图5A所述，波特图可以描述光纤扫描系统的部件(例如，致动器410和/或光纤光学扫描元件420)的频率响应和相位角。

参考图5B的第一波特图，光纤图550可以指示光纤光学扫描元件的末端的位移增益以光纤图550中的两个峰为特征。这两个峰可以表示通过将光纤光学扫描元件和致动器组合在一起形成具有频率相同的光纤光学扫描元件和致动器的单个机械系统而引起的模式分裂。特别地，致动器的第一谐振模式可以与在比致动器固有频率低的频率处形成的第一峰(有时被称为第一谐振频率552)相关联。另外，光纤光学扫描元件的第二谐振模式可以与在比光纤固有频率高的频率处形成的第二峰(有时被称为第二谐振频率554)相关联。

在一些示例中，光纤光学扫描元件的末端的位移增益可以在第一峰和第二峰之间减小，如图5B所示。位移增益的减小可导致光纤光学扫描元件的末端在光纤固有频率处的位移增益小于任一峰；然而，尽管从峰值减小，但是位移增益仍然可能高于在光纤固有频率处替代设计的光纤光学扫描元件的末端的位移增益(如图5A所示)。在一些示例中，光纤图550中的峰之间的距离可以是模态质量比的函数。例如，如果致动器具有较大的模态质量，则第一峰和第二峰之间的间隔较小。另外，每个峰的形状可以基于光纤扫描系统的衰减(dampening)。例如，其中一个峰可以高于另一峰。

在一些示例中，光纤光学扫描元件的位移增益可以在第一谐振频率552、光纤固有频率和/或第二谐振频率554处最大化。在这样的示例中，光纤扫描系统可以在最大化位移增益的点处或该点附近被操作。在其它示例中，光纤扫描系统可以在上述点之一处被操作，即进行操作的点不是最大值。在这样的示例中，可以基于该点周围的变化率而选择光纤扫描系统的操作点。例如，第一谐振频率552和/或第二谐振频率554在位移增益方面可能是不稳定的(例如，基于响应于频率的微小变化的位移增益的变化量)，而固有频率556可能更稳定。在这样的示例中，可以选择固有频率556而非第一谐振频率552或第二谐振频率554作为光纤扫描系统的操作点。

在一些实施例中，选择光纤扫描系统的操作点，使得位移增益大于或等于预定的位移增益。换句话说，在操作期间，光纤扫描系统可以通过以一频率范围内的操作频率驱动致动器来实现一位移增益范围。

参考图5B，25kHz固有频率处的位移增益略大于40dB，这可以被称为固有位移增益。通过以f₁到f₂范围内的频率(即，操作频率)驱动光纤扫描系统，可以实现大于或等于固有位移增益的位移增益，其中f₁与小于第一谐振频率552(在该第一谐振频率552下，位移增益等于固有位移增益)的最小频率相关联，f₂与大于第二谐振频率554(在该第二谐振频率554下，位移增益等于固有位移增益)的最大频率相关联。因此，通过以该范围内的操作频率驱动光纤扫描系统，实现了大于或等于固有位移增益的位移增益。在一些实施例中，基于致动器的固有频率选择特定的操作频率，而在其它实施例中，基于光纤光学扫描元件的固有频率选择特定的操作频率。

操作频率可以被选择为使得操作频率在第一谐振频率552的阈值内或在第二谐振频率的阈值内。阈值可以被设定为使得操作频率与大于或等于固有位移增益的位移增益相关联。因此，如图5B所示，第一谐振频率附近的阈值可以从频率f₁延伸到25kHZ，第二谐振频率附近的阈值可以从25kHz延伸到频率f₂。

类似于光纤图550，压电管图560也可以包括两个谐振频率。在一些示例中，压电管图560的两个谐振频率可以位于与光纤图550的两个谐振频率相似的频率处。然而，致动器末端的位移增益可以减小到约为零。在一些示例中，致动器的组合动能和势能可以以致动器固有频率传递到光纤光学扫描元件，这可以使致动器的位移增益减小到约为零。

第二波特图可以绘制与电压施加到压电管的频率相关的致动器的相位角(例如，压电管图520)和光纤光学扫描元件的相位角(例如，光纤图510)。在一些示例中，第二波特图可以示出在每个峰处可能发生的相移(例如，180度的相移)。

图5C示出了根据本公开的实施例的用于比较光纤光学扫描元件(如上所述)的动态吸收设计和替代设计的波特图的示例。可以看出，动态吸收器设计的光纤光学扫描元件的峰提供了最高的位移增益。虽然峰之间的点处的动态吸收器设计的位移增益低于替代设计，但情况并非总是如此。此外，即使动态吸收器设计在该点处具有较低的位移增益，但是动态吸收器设计可以更稳定。理想的操作点可以通过实验研究确定。

图5D示出了根据本公开的实施例的用于比较致动器(如上所述)的动态吸收设计和替代设计的波特图的示例。在一些示例中，该示例可以示出在动态吸收设计中由光纤光学扫描元件从致动器中吸收能量。在这样的示例中，致动器的响应可能低于动态吸收设计的静态响应。

图6示出了用于增大光纤扫描系统的视场的过程600的示例。

过程600可以包括提供以致动器固有频率的操作为特征的致动器(610)。在一些示例中，光纤扫描系统可以包括致动器。

过程600可以进一步包括提供与致动器耦合的光纤光学扫描元件(620)。在一些示例中，光纤光学扫描元件可以以光纤固有频率为特征，该光纤固有频率被确定为与致动器固有频率匹配。在这样的示例中，光纤扫描系统可以进一步包括光纤光学扫描元件。

过程600可以进一步包括以操作频率驱动致动器(630)。在一些示例中，光纤扫描系统的位移增益可以以界定致动器固有频率的两个分开的频率峰为特征。在这样的示例中，操作频率可以接近分开的频率峰中的第一峰(即，在第一峰的阈值内的频率处)，其中第一频率峰小于致动器固有频率。在其它示例中，操作频率可以接近第二峰(即，在第二峰的阈值内的频率处)，其中第二频率峰大于致动器固有频率。在其它示例中，操作频率可以是第一频率峰和第二频率峰之间的范围内的频率，例如，在致动器固有频率处。在一些示例中，致动器可以由正弦电压驱动。

已经描述了多个示例。然而，应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (37)

1.一种光纤扫描系统，包括：

致动器，其被配置为具有致动器固有频率；以及

光纤光学扫描元件，其耦合到所述致动器，所述光纤光学扫描元件被配置为具有位于所述致动器固有频率的阈值内的光纤固有频率，使得作为操作频率的函数的所述光纤光学扫描元件的位移增益展现出：

位于小于所述光纤固有频率的第一谐振频率处的第一峰值；以及

位于大于所述光纤固有频率的第二谐振频率处的第二峰值。

2.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述第一峰值和所述第二峰值大于所述光纤光学扫描元件在所述光纤固有频率下的位移增益。

3.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中当以基本等于所述致动器固有频率的操作频率驱动所述致动器时，所述致动器的位移增益被最小化。

4.根据权利要求3所述的光纤扫描系统，其中当以基本等于所述致动器固有频率的操作频率驱动所述致动器时，所述致动器的运动被最小化并且所述光纤光学扫描元件的运动被最大化。

5.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述光纤固有频率和所述致动器固有频率之间的差小于或等于所述致动器固有频率的约10％或约20％。

6.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述致动器包括压电管。

7.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述致动器具有圆柱形几何形状，所述圆柱形几何形状具有中心轴，并且其中所述光纤光学扫描元件沿着所述中心轴通过所述致动器。

8.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述光纤光学扫描元件包括多芯光纤。

9.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，其中所述光纤光学扫描元件在所述致动器的中心位置处被耦合到所述致动器。

10.根据权利要求9所述的光纤扫描系统，其中在所述中心位置处所述光纤光学扫描元件的外径小于所述致动器的内径。

11.根据权利要求10所述的光纤扫描系统，还包括围绕所述光纤光学扫描元件并与所述光纤光学扫描元件接触的保持套环。

12.根据权利要求1所述的光纤扫描系统，还包括耦合所述光纤光学扫描元件和所述致动器的中间元件。

13.一种操作光纤扫描系统的方法，所述方法包括：

通过以下方式配置包括致动器和耦合到所述致动器的光纤光学扫描元件的所述光纤扫描系统：

配置所述致动器，使得所述致动器具有致动器固有频率；以及

配置所述光纤光学扫描元件，使得所述光纤光学扫描元件具有位于所述致动器固有频率的阈值内的光纤固有频率；

确定从第一频率延伸到第二频率的操作频率范围，所述第一频率小于所述光纤固有频率，并且所述第二频率大于所述光纤固有频率；以及

以位于所述操作频率范围内的操作频率驱动所述致动器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中确定所述操作频率范围包括确定所述第一频率和所述第二频率，使得所述光纤光学扫描元件的位移增益大于所述操作频率范围内的预定值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定值大于或等于所述光纤光学扫描元件在所述光纤固有频率处的位移增益。

16.根据权利要求13所述的方法，其中作为操作频率的函数的所述光纤光学扫描元件的位移增益展现出位于第一谐振频率处的第一峰值和位于第二谐振频率处的第二峰值，所述第一谐振频率和所述第二谐振频率位于所述操作频率范围内。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一峰值和所述第二峰值大于所述光纤光学扫描元件在所述光纤固有频率处的位移增益。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述操作频率位于所述第一谐振频率和所述第二谐振频率之间。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述操作频率位于所述第一谐振频率或所述第二谐振频率处。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述操作频率位于所述光纤固有频率处。

21.一种用于增大光纤扫描系统的视场的方法，所述方法包括：

配置所述光纤扫描系统，所述光纤扫描系统包括致动器和耦合到所述致动器的光纤光学扫描元件，其中所述光纤光学扫描元件被配置为具有光纤固有频率，所述致动器被配置为具有致动器固有频率，使得所述光纤扫描系统充当调谐动态吸收器；

确定操作频率范围，其中所述范围从小于所述光纤固有频率的第一操作频率延伸到大于所述光纤固有频率的第二操作频率；以及

以所述范围内的操作频率驱动所述致动器。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述光纤固有频率与所述致动器固有频率基本匹配。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述光纤固有频率和所述致动器固有频率之间的差小于或等于所述致动器固有频率的约10％或约20％。

24.根据权利要求21所述的方法，其中当基本以所述致动器固有频率驱动所述致动器时，所述致动器的位移增益被最小化。

25.根据权利要求24所述的方法，其中当基本以所述致动器固有频率驱动所述致动器时，所述致动器的运动被最小化并且所述光纤光学扫描元件的运动被最大化。

26.根据权利要求21所述的方法，其中第一位移增益与以所述光纤固有频率操作所述光纤扫描系统相关联。

27.根据权利要求26所述的方法，其中确定所述操作频率范围包括确定所述第一操作频率和所述第二操作频率，使得所述光纤光学扫描元件的位移增益大于或等于所述第一位移增益。

28.根据权利要求26所述的方法，其中：

所述操作频率对应于低于所述光纤固有频率的谐振频率；以及

所述操作频率下的位移增益大于所述第一位移增益。

29.根据权利要求26所述的方法，其中：

所述操作频率对应于大于所述光纤固有频率的谐振频率；以及

所述操作频率下的位移增益大于所述第一位移增益。

30.根据权利要求21所述的方法，其中所述光纤扫描系统以作为操作频率的函数的所述光纤光学扫描元件的位移增益为特征，所述位移增益展现出：

位于小于所述光纤固有频率的第一谐振频率处的第一峰值；以及

位于大于所述光纤固有频率的第二谐振频率处的第二峰值。

31.根据权利要求21所述的方法，其中当基本以所述致动器固有频率驱动所述致动器时，所述致动器的位移增益被减小到约为零。

32.根据权利要求21所述的方法，其中所述致动器包括压电管。

33.根据权利要求31所述的方法，其中所述致动器具有圆柱形几何形状，所述圆柱形几何形状具有中心轴，并且其中所述光纤光学扫描元件沿着所述中心轴通过所述致动器。

34.根据权利要求31所述的方法，其中所述光纤光学扫描元件包括多芯光纤。

35.根据权利要求21所述的方法，其中所述光纤光学扫描元件在所述致动器的中心位置处被耦合到所述致动器。

36.根据权利要求35所述的方法，其中在所述中心位置处所述光纤光学扫描元件的外径小于所述致动器的内径。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述光纤扫描系统包括围绕所述光纤光学扫描元件并与所述光纤光学扫描元件接触的保持套环。

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