JP7274011B2 - ファイバ走査システムを改良するための技法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年３月１５日に出願され“ＤＹＮＡＭＩＣ ＡＢＳＯＲＢＥＲ ＭＯＤＥ ＦＩＢＥＲ ＳＣＡＮＮＥＲ”と題された米国仮特許出願第６２／４７１，９１３号に対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の開示は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書中に援用される。

画像プロジェクタは、ユーザが視聴するための画像（または動画像）を投影する、光学デバイスであり得る。近年の革新により、頭部搭載型デバイスが画像プロジェクタを含むことが可能にされている。そのような画像プロジェクタは、頭部搭載型デバイスを装着するユーザの眼に画像を投影することができる。しかしながら、頭部搭載型デバイスと併用されるように十分に小さい画像プロジェクタは、典型的には、狭い視野を伴う画像を投影する。したがって、画像プロジェクタを頭部搭載型デバイスと併用するための、改良された設計に関する技術の必要性がある。

提供されるものは、ファイバ走査システムの改良された設計のための方法、システム、およびコンピュータプログラム製品である。例えば、ファイバ走査システムの性能は、ファイバ走査システムのアクチュエータおよび光ファイバ走査要素の自然周波数を実質的に整合させることによって、最適化されることができる。自然周波数を整合させることによって、ファイバ走査システムは、光ファイバ走査要素の先端が駆動され得る、光ファイバ走査要素の静置位置に対する最大距離を増加させることができる。ファイバスキャナの自然周波数を整合させるステップが、より大きい振幅が達成されることを可能にするため、そのような効果が、生産され得る。走査システムの自然周波数が、本システムを不安定にし得る励起周波数を回避するように選択され得ることに留意されたい。このように、本システムは、全体として、発振器のための同調動吸振器またはモードエネルギー伝達オプティマイザとして挙動し、それによって、走査性能を改善させながら、安定した走査システムを維持し得る。

本発明のある実施形態によると、ファイバ走査システムの視野を増加させるための方法が、提供される。本方法は、（１）第１のアクチュエータ自然周波数によって特徴付けられる、アクチュエータと、（２）第１のアクチュエータ自然周波数の閾値内である第１のファイバ自然周波数によって特徴付けられる、光ファイバ走査要素とを選択することによって、同調動吸振器として挙動するように、ファイバ走査システムを構成するステップを含む。代替として、本方法は、（１）第２のファイバ自然周波数によって特徴付けられる、光ファイバ走査要素と、（２）第２のアクチュエータ自然周波数の閾値内である第２のアクチュエータ自然周波数によって特徴付けられる、アクチュエータとを選択することによって、同調動吸振器として挙動するように、ファイバ走査システムを構成するステップを含む。本方法はまた、ファイバ走査システムをある動作周波数で駆動するステップを含む。

別の実施形態によると、ファイバ走査システムの視野を増加させるための方法が、提供される。本方法は、（１）あるアクチュエータ自然周波数によって特徴付けられる、アクチュエータと、（２）アクチュエータ自然周波数の閾値内であるファイバ自然周波数によって特徴付けられる、光ファイバ走査要素とを提供することによって、同調動吸振器として挙動するように、ファイバ走査システムを構成するステップを含む。第１の変位ゲインは、ファイバ自然周波数におけるファイバ走査システムの動作と関連付けられる。本方法はまた、動作周波数の範囲を決定するステップを含む。範囲は、ファイバ自然周波数を下回り、かつ第１の変位ゲインと関連付けられる、第１の動作周波数から、ファイバ自然周波数を上回り、かつ第１の変位ゲインと関連付けられる、第２の動作周波数までに及ぶ。本方法はさらに、アクチュエータを範囲内の動作周波数で駆動するステップを含む。

いくつかの実施例では、ファイバ走査システムは、アクチュエータ（例えば、圧電管）と、光ファイバ走査要素とを含むことができる。そのような実施例では、ファイバ走査システムは、（アクチュエータの）アクチュエータ自然周波数が（光ファイバ走査要素の）ファイバ自然周波数を整合させるように決定され得るように、最適化されることができる。このように、アクチュエータからのエネルギーが、光ファイバ走査要素により効率的に伝達され、光ファイバ走査要素の全体的偏向を増加させることができ、これは、ファイバ走査システムのためのより幅広い視野を提供することができる。

本開示を用いて、従来の技法に優る多数の利点が、達成される。例えば、本開示の実施形態は、所与のエネルギー入力のための光ファイバ走査要素の先端の増加される偏向を提供し、走査ファイバシステムの視野を増加させる。

提供されるものは、ファイバ走査システムである。例えば、ファイバ走査システムは、あるアクチュエータ自然動作周波数によって特徴付けられる、アクチュエータ（例えば、圧電管）と、アクチュエータに結合される、光ファイバ走査要素とを含むことができる。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素は、アクチュエータ自然周波数を整合させるように決定される、あるファイバ自然周波数によって特徴付けられることができる。圧電管を伴う実施例では、圧電管は、中心軸を有する、円筒形幾何学形状を有することができ、光ファイバ走査要素は、中心軸に沿って圧電管を通過する。

いくつかの実施例では、アクチュエータの１つ以上の属性は、アクチュエータ自然動作周波数を生産するように構成されることができる。そのような実施例では、１つ以上の属性のうちのある属性は、ヤング率、断面二次モーメント、密度、断面積、長さ、またはあるモード定数であり得る。

いくつかの実施例では、アクチュエータ自然周波数およびファイバ自然周波数は、閾値（例えば、１０パーセント）内に整合されることができる。そのような実施例では、アクチュエータ自然動作周波数は、光ファイバ走査要素がアクチュエータと別個であるとき、アクチュエータを特徴付けることができる。

また、提供されるものは、ファイバ走査システムのための視野を増加させるための方法である。例えば、本方法は、あるアクチュエータ自然動作周波数によって特徴付けられる、アクチュエータを提供するステップを含むことができる。いくつかの実施例では、ファイバ走査システムは、アクチュエータを含むことができる。本方法はさらに、アクチュエータに結合される、光ファイバ走査要素を提供するステップを含むことができる。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素は、アクチュエータ自然周波数を整合させるように決定される、あるファイバ自然周波数によって特徴付けられることができる。そのような実施例では、ファイバ走査システムはさらに、光ファイバ走査要素を含むことができる。本方法はさらに、アクチュエータをある動作周波数で駆動するステップを含む。

いくつかの実施例では、ファイバ走査システムの変位ゲインは、アクチュエータ自然周波数を境界する２つの分裂周波数ピークによって特徴付けられることができる。そのような実施例では、動作周波数は、周波数ピークの第１のピークの近傍にある（すなわち、その閾値内の周波数である）ことができ、第１のピークは、アクチュエータ自然周波数を下回る。他の実施例では、動作周波数は、周波数ピークの第２のピークの近傍にある（すなわち、その閾値内の周波数である）ことができ、第２のピークは、アクチュエータ自然周波数より高い。他の実施例では、動作周波数は、アクチュエータ自然周波数の近傍にある（すなわち、その閾値内の周波数である）ことができる。いくつかの実施例では、アクチュエータは、正弦波電圧によって駆動されることができる。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
ファイバ走査システムの視野を増加させるための方法であって、前記方法は、
同調動吸振器として挙動するように前記ファイバ走査システムを構成することであって、前記ファイバ走査システムを構成することは、
（１）アクチュエータ自然周波数によって特徴付けられるアクチュエータと、（２）前記アクチュエータ自然周波数の閾値内であるファイバ自然周波数によって特徴付けられる光ファイバ走査要素とを提供することであって、第１の変位ゲインは、前記ファイバ自然周波数における前記ファイバ走査システムの動作と関連付けられる、ことと、
動作周波数の範囲を決定することであって、前記範囲は、前記ファイバ自然周波数を下回り、かつ前記第１の変位ゲインと関連付けられる第１の動作周波数から、前記ファイバ自然周波数を上回り、かつ前記第１の変位ゲインと関連付けられる第２の動作周波数までに及ぶ、ことと、
前記アクチュエータを前記範囲内の動作周波数で駆動することと
によって行われる、こと
を含む、方法。
（項目２）
前記動作周波数は、前記ファイバ自然周波数を下回る第１の共振周波数に対応し、
前記動作周波数における変位ゲインは、前記第１の変位ゲインを上回る、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記動作周波数は、前記ファイバ自然周波数を上回る第２の共振周波数に対応し、
前記動作周波数における変位ゲインは、前記第１の変位ゲインを上回る、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記ファイバ走査システムは、２つの分裂周波数ピークによって特徴付けられ、第１の周波数ピークは、前記ファイバ自然周波数を下回る周波数を有し、第２の周波数ピークは、前記ファイバ自然周波数を上回る周波数を有し、
前記動作周波数は、前記第１の周波数ピーク以上であり、かつ前記第２の周波数ピーク以下である、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記第１の変位ゲインは、前記ファイバ自然周波数と関連付けられる、項目１に記載の方法。
（項目６）
ファイバ走査システムであって、
アクチュエータ自然動作周波数によって特徴付けられるアクチュエータと、
前記アクチュエータに結合される光ファイバ走査要素であって、前記光ファイバ走査要素は、アクチュエータ自然周波数を前記アクチュエータ自然周波数の閾値内に整合させるように構成されるファイバ自然周波数によって特徴付けられる、光ファイバ走査要素とを備える、ファイバ走査システム。
（項目７）
前記アクチュエータは、圧電管を備える、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目８）
前記アクチュエータ自然周波数は、前記光ファイバ走査要素が前記アクチュエータと別個であるとき、前記アクチュエータを特徴付ける、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目９）
前記アクチュエータは、中心軸を有する円筒形幾何学形状を有し、前記光ファイバ走査要素は、前記中心軸に沿って前記アクチュエータを通過する、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１０）
前記光ファイバ走査要素は、マルチコアファイバを備える、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１１）
前記光ファイバ走査要素は、片持ち支持される、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１２）
前記光ファイバ走査要素は、前記アクチュエータの中心位置において前記アクチュエータに結合される、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１３）
前記中心位置における前記光ファイバ走査要素の外径は、前記中心位置における前記アクチュエータの内径より小さい、項目１２に記載のファイバ走査システム。
（項目１４）
前記光ファイバ走査要素を囲繞し、かつそれと接触する保定カラーをさらに備える、項目１３に記載のファイバ走査システム。
（項目１５）
前記光ファイバ走査要素は、前記アクチュエータに機械的に結合される、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１６）
前記光ファイバ走査要素と前記アクチュエータとの間に中間要素をさらに備える、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１７）
前記光ファイバ走査要素は、固定構成で前記アクチュエータに結合され、固定された端部における回転および変位を不可能にする、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１８）
前記光ファイバ走査要素は、前記アクチュエータに結合され、前記光ファイバ走査要素の回転を可能にする、項目６に記載のファイバ走査システム。
（項目１９）
前記光ファイバ走査要素は、前記アクチュエータに結合され、さらに、前記光ファイバ走査要素の変位を可能にする、項目１８に記載のファイバ走査システム。
（項目２０）
ファイバ走査システムのための視野を増加させるための方法であって、前記方法は、
アクチュエータ自然動作周波数によって特徴付けられるアクチュエータを提供することであって、前記ファイバ走査システムは、前記アクチュエータを含む、ことと、
前記アクチュエータに結合される光ファイバ走査要素を提供することであって、前記光ファイバ走査要素は、アクチュエータ自然周波数を前記アクチュエータ自然周波数の閾値内に整合させるように構成されるファイバ自然周波数によって特徴付けられ、前記ファイバ走査システムはさらに、前記光ファイバ走査要素を含む、ことと、
前記アクチュエータを動作周波数で駆動することと
を含む、方法。
（項目２１）
前記ファイバ走査システムの変位ゲインは、前記アクチュエータ自然周波数を境界する２つの分裂周波数ピークによって特徴付けられる、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記動作周波数は、前記２つの分裂周波数ピークの第１のピークの閾値内であり、前記第１のピークは、前記アクチュエータ自然周波数を下回る、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記動作周波数は、前記２つの分裂周波数ピークの第２のピークの閾値内であり、前記第２のピークは、前記アクチュエータ自然周波数を上回る、項目２１に記載の方法。
（項目２４）
前記動作周波数は、前記２つの分裂周波数ピークの間である、項目２１に記載の方法。
（項目２５）
前記アクチュエータは、正弦波電圧によって駆動される、項目２１に記載の方法。
（項目２６）
前記アクチュエータの１つ以上の属性は、前記アクチュエータを前記アクチュエータ自然周波数によって特徴付けさせるように構成され、前記１つ以上の属性のうちの属性は、ヤング率、断面二次モーメント、密度、断面積、長さ、またはモード定数である、項目２０に記載の方法。
（項目２７）
前記アクチュエータ自然周波数は、前記光ファイバ走査要素が前記アクチュエータと別個であるとき、前記アクチュエータを特徴付ける、項目２０に記載の方法。
（項目２８）
前記光ファイバ走査要素の先端は、光を投影し、画像を生成するように構成される、項目２０に記載の方法。
（項目２９）
前記アクチュエータを駆動することは、前記光ファイバ走査要素を走査させ、複数の入射角と、交点とを用いて、導波管によって眼まで中継される、一連のビームレットを作成する、項目２０に記載の方法。
（項目３０）
前記アクチュエータを駆動させることは、前記光ファイバ走査要素を渦巻状パターンで走査させる、項目２０に記載の方法。

例証的実施形態が、以下の図を参照して下記に詳細に説明される。

図１は、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムのある実施例を図示する。

図２は、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムを使用する画像プロジェクタのある実施例を図示する。

図３は、本開示のある実施形態による、可動ファイバ走査システムによって形成される、渦巻状パターンのある実施例を図示する。

図４Ａは、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムのための動吸振器設計の断面のある実施例を図示する。

図４Ｂは、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムのための代替設計の断面のある実施例を図示する。

図４Ｃは、ハブおよびプレートを示す、ファイバ走査システムの断面のある実施例を図示する。

図５Ａは、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムのための代替設計に関する、ボード線図のある実施例を図示する。

図５Ｂは、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムのための動吸振器設計に関する、ボード線図のある実施例を図示する。

図５Ｃは、本開示のある実施形態による、光ファイバ走査要素のための動吸振器設計および代替設計の比較に関する、ボード線図のある実施例を図示する。

図５Ｄは、本開示のある実施形態による、アクチュエータのための動吸振器設計および代替設計の比較に関する、ボード線図のある実施例を図示する。

図６は、ファイバ走査システムのための視野を増加させるためのプロセスのある実施例を図示する。

以下の説明では、説明の目的のために、具体的な詳細が、本開示の実施形態の完全な理解を提供するために記載されている。しかしながら、種々の実施形態が、これらの具体的な詳細なく実践され得ることが明白となるであろう。図および説明は、制限的であるように意図されない。

続く説明は、例示的実施形態のみを提供し、本開示の範囲、可用性、または構成を限定するように意図されない。むしろ、例示的実施形態の続く説明は、例示的実施形態を実装するための実行可能な説明を当業者に提供するであろう。例えば、説明は、圧電管を説明する場合があるが、任意のタイプのアクチュエータもまた、使用され得ることを認識されたい。種々の変更が、添付の請求項で述べられているような本開示の精神および範囲から逸脱することなく、要素の機能および配列において成され得ることもまた、理解されたい。

画像プロジェクタは、ユーザが視聴するための画像（または動画像）を投影する、光学デバイスであり得る。いくつかの実施例では、画像プロジェクタは、光の形態の画像をユーザの１つ以上の眼の中に投影することができる。そのような実施例では、画像プロジェクタは、１つ以上のファイバ走査システムの形態であることができ、これはそれぞれ、光ファイバ走査要素およびアクチュエータを使用して、種々のパターン（例えば、ラスタ走査、渦巻状走査、リサージュなど）で、ユーザの１つ以上の眼の中に光を投影することができる。光を投影することに加え、ファイバ走査システムは、放出される光を受光することができる。特に、光を投影する同一のファイバ走査システムが、光を受光するために使用されてもよい。

図１は、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システム１００のある実施例を図示する。ファイバ走査システム１００は、アクチュエータ１１０（圧電管等）と、光ファイバ走査要素１２０（例えば、単一ファイバまたはマルチコア光ファイバ走査要素）とを含むことができる。いくつかの実施例では、アクチュエータ１１０は、光ファイバ走査要素１２０に結合され、光ファイバ走査要素１２０を片持ち支持させることができる。そのような実施例では、アクチュエータ１１０は、ユーザの１つ以上の眼に光を投影するために、光ファイバ走査要素１２０の先端を走査する（または移動させる）ために使用されてもよい。

図２は、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システム２００を使用する画像プロジェクタのある実施例を図示する。いくつかの実施例では、ファイバ走査システム２００は、（図１のアクチュエータ１１０と相関し得る）アクチュエータ２１０と、（図１の光ファイバ走査要素１２０と相関し得る）光ファイバ走査要素２２０とを含むことができる。そのような実施例では、光ファイバ走査要素２２０は、アクチュエータ２１０によって走査され、複数の入射角と、交点とを用いて、導波管２３０によって眼２４０まで中継される、一連のビームレットを作成することができる。例えば、コリメートされたライトフィールド画像が、導波管２３０の中に投入され、眼２４０まで平行移動されることができる。

図３は、本開示のある実施形態による、可動ファイバ走査システムによって形成される、渦巻状パターンのある実施例を図示する。特に、渦巻状部３１０は、マルチコア光ファイバ走査要素３３０を図示し、渦巻状部３２０は、単一光ファイバ走査要素３４０を図示する。いくつかの実施例では、一定パターンのピッチが、均一な表示分解能を提供することができる。そのような実施例では、ピッチは、マルチコア光ファイバ走査要素３３０の起点からの共通ベクトルに沿った連続する渦巻き状経路の間の距離であり得る。

図４Ａは、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システム４００のための動吸振器設計の断面のある実施例を図示する。ファイバ走査システム４００は、（図１のアクチュエータ１１０と相関し得る）アクチュエータ４１０を含むことができる。ファイバ走査システム４００はまた、（図１の光ファイバ走査要素１２０と相関し得る）光ファイバ走査要素４２０を含むことができる。下記に説明されるように、光ファイバ走査要素４２０は、ファイバ走査表示システムの走査ファイバとして利用されることができる。

図４Ａでは、ファイバ走査システムのアクチュエータが、圧電管として実装され、明確化のため、本明細書における議論は、用語「圧電管」を利用するが、本開示の実施形態は、圧電管以外のアクチュエータも利用し得ることを理解されたい。例えば、ボイスコイルアクチュエータ、熱アクチュエータ、静電駆動型アクチュエータ、電磁アクチュエータなどもまた、使用されることができる。故に、圧電管の説明は、アクチュエータのより一般的なクラスの説明を含むことが理解されるべきであり、本開示は、圧電管として実装されるアクチュエータに限定されないことが理解されるべきである。

図４Ａに図示される例示的実施形態では、アクチュエータ４１０は、円筒形幾何学形状によって特徴付けられる。加えて、光ファイバ走査要素４２０は、光ファイバ走査要素４２０の中心軸に沿ってアクチュエータ４１０を通過し、中心位置４１２において、アクチュエータ４１０に機械的に結合される。光ファイバ走査要素４２０は、中心位置４１２、すなわち、ゼロ半径の半径方向位置においてアクチュエータ４１０に結合されるが、これは、本開示によって要求されず、他の結合位置もまた、本開示の実施形態に従って利用されることができる。したがって、光ファイバ走査要素４２０は、アクチュエータ４１０の他の場所にも結合され得ることを認識されたい。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素４２０は、エポキシを使用して、アクチュエータ４１０に結合されることができる。

いくつかの実施例では、ファイバ走査システム４００はさらに、光ファイバ走査要素４２０とアクチュエータ４１０との間に中間要素を含むことができる。そのような実施例では、中間要素は、溶融シリカフェルールまたは微細加工された（例えば、溶融シリカまたは単結晶シリコン）継手であってもよい。

いくつかの実施例では、中心位置４１２における光ファイバ走査要素４２０の外径および中心位置４１２におけるアクチュエータ４１０の内径は、同一であることができる。他の実施例では、直径は、異なり得る（すなわち、外径は、内径より小さくあり得る）。そのような実施例では、保定カラーが、光ファイバ走査要素４２０を囲繞し、かつそれと接触するように使用されることができる。

いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素４２０は、エポキシ、充填剤入りエポキシ（例えば、カーボンナノチューブ、ナノゴム、グラフェン、ナノシリカ添加剤など）、はんだガラス、はんだ、任意の接着剤などを使用して、アクチュエータ４１０に結合されることができる。

いくつかの実施例では、アクチュエータ４１０は、（下記に説明されるような）アクチュエータ４１０の１つ以上の属性に基づいて、ある自然周波数（時として、アクチュエータ自然周波数または固有周波数と称される）を有することができる。アクチュエータ自然周波数は、（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ， Ｔｈｉｒｄ Ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｐｇ． ５３， Ｒａｏ Ｓ．Ｓ．，Ａｄｄｉｓｏｎ－Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９５において説明されるように）アクチュエータ４１０が、初期擾乱後、それ自体で振動するように残される外力のない状態で発振する、ある周波数として説明されることができる。いくつかの実施例では、アクチュエータ自然周波数は、光ファイバ走査要素４２０と別個である、アクチュエータ４１０の特性である。

いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素４２０はまた、自然周波数（時として、ファイバ自然周波数と称される）を有することができる。ファイバ自然周波数（時として、ファイバ共鳴周波数と称される）は、（アクチュエータ４１０から独立したまたはそれと別個である）光ファイバ走査要素４２０が任意の駆動または減衰力のない状態で発振する傾向にある、ある周波数であり得る。ファイバ自然周波数は、アクチュエータ自然周波数と同一であるまたはそれと異なり得る。いくつかの実施例では、ファイバ自然周波数は、（図４Ｂに示されるような）アクチュエータの自然周波数をはるかに下回り得る。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素４２０は、その発振周波数がアクチュエータ自然周波数に整合するとき、より多くのエネルギーを吸収することができる。

いくつかの実施例では、ファイバ走査システム４００は、光ファイバ走査要素４２０がアクチュエータ４１０と別個であるまたはそれから独立しているとき、ファイバ自然周波数がアクチュエータ自然周波数の閾値（例えば、１０％）内であり得るように最適化されることができる。自然周波数を閾値内に整合させることによって、アクチュエータ４１０からのエネルギーが、光ファイバ走査要素４２０により効率的に伝達され、光ファイバ走査要素４２０のより大きい全体的偏向を得ることができ、これは、画像のためのより大きい（またはより幅広い）視野をもたらすことができる。アクチュエータ自然周波数とファイバ自然周波数との間の同等性またはそれらを整合させることは、本明細書に説明されるように、アクチュエータ４１０から光ファイバ走査要素４２０への効率的なエネルギー伝達を可能にすることができる。同等性または整合させることは、１０％の閾値に関連して議論されるが、これは、本開示によって要求されていない。いくつかの実施例では、閾値は、１０％を下回る（例えば、５％、２％、１％などである）。他の実施例では、閾値は、１０％を上回る（例えば、１５％、２０％などである）。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。

上記に言及されるように、アクチュエータ自然周波数は、アクチュエータ４１０の１つ以上の属性に基づくことができる。いくつかの実施例では、１つ以上の属性は、アクチュエータ自然周波数がファイバ自然周波数に整合する（その閾値内である）ように決定されるように、調節されることができる。そのような実施例では、アクチュエータ４１０の１つ以上の属性は、限定ではないが、ヤング率、断面二次モーメント、密度、断面積、長さ、またはあるモード定数を含むことができる。アクチュエータ自然周波数は、

（式中、ｆ_ｎは、アクチュエータ４１０の自然周波数であり得、βは、モード定数であり得、Ｌは、アクチュエータ４１０の長さであり得、ｉは、モード数を表す整数であり得、Ｅは、アクチュエータ４１０のヤング率であり得、Ｉは、アクチュエータ４１０の断面二次モーメントであり得、ρは、アクチュエータ４１０の密度であり得、Ａは、アクチュエータ４１０の断面積であり得る）として表現されることができる。いくつかの実施例では、モード定数は、境界条件の関数およびモード調和指数（例えば、第１のモード、第２のモード等）であることができる。境界条件は、光ファイバ走査要素がその端部に取り付けられる方法であり得る。いくつかの実施例では、取付は、固定された端部における回転および変位がないことを示す、固定式であることができる。他の実施例では、取付は、回転が可能にされる変位がないことを示す、単純なものであることができる。他の実施例では、取付は、回転および変位が両方可能にされることを示す、支持のないものであることができる。

１つの例証的実施例では、アクチュエータ自然周波数およびファイバ自然周波数はそれぞれ、約２５，０００ヘルツ（Ｈｚ）であることができる。そのような実施例では、アクチュエータ４１０の長さは、３．９０３ミリメートル（ｍｍ）であることができ、光ファイバ走査要素４２０の長さは、１．９７０ｍｍであることができる。アクチュエータ４１０および光ファイバ走査要素４２０の他の寸法は、圧電管外径（ＯＤ）（例えば、８８８マイクロメートル（μｍ））、圧電管内径（ＩＤ）（例えば、２９６μｍ）、光ファイバ走査要素４２０の直径（例えば、１２５μｍ）、継手撓曲プレート厚（例えば、７０μｍ）（プレートは、図４Ｃに図示される）、継手撓曲ハブ厚（例えば、４０μｍ）（ハブは、図４Ｃに図示される）、および公称励起電圧（例えば、１００μｍ）を含み得る。しかしながら、寸法および属性は、特定の用途および／またはアクチュエータに応じて異なり得ることを認識されたい。

いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素４２０が、アクチュエータ４１０に追加され、ファイバ走査システムを形成するとき、ファイバ走査システムの自然周波数は、アクチュエータ自然周波数またはファイバ自然周波数のいずれか一方を下回り得る。例えば、ファイバ走査システムの自然周波数は、光ファイバ走査要素４２０の追加された質量のため、アクチュエータ自然周波数に対して減少し得る。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素４２０がアクチュエータ４１０と組み合わせられると、ファイバ走査システムの自然周波数は、光ファイバ走査要素４２０およびアクチュエータ４１０のモード質量比の関数になり得る。いくつかの実施例では、動吸振器設計に関するモード質量比は、１：１であり得、アクチュエータ４１０は、光ファイバ走査要素４２０に等しいモード質量を有する。

いくつかの実施例では、アクチュエータ４１０は、特定の周波数または特定の周波数範囲で駆動されることができ、これは、動作周波数と称され得る。そのような実施例では、アクチュエータ４１０は、正弦波電圧によって駆動されることができる。アクチュエータ４１０が駆動される動作周波数は、アクチュエータ４１０がそれ自体の移動を低減させるようなものであり得る。例えば、アクチュエータ４１０は、その自然周波数で駆動されることができる。アクチュエータ４１０の移動を最小限にすることによって、エネルギーが、アクチュエータ４１０によって貯蔵されることができ、これは、次いで、反力を通して光ファイバ走査要素４２０に伝達され、光ファイバ走査要素４２０のより大きい全体的偏向を得ることができる。故に、アクチュエータがその自然周波数で駆動され、光ファイバ走査要素の増加される偏向を生産する、本発明の実施形態は、特に、同調動吸振器の動作周波数が振動を低減させるために共振周波数から有意に異なる、従来のシステムと著しく対照的である。光ファイバ走査要素の発振（すなわち、偏向）を低減するのではなく、本発明の実施形態は、従来のシステム動作とは対照的に、偏向範囲を増加させる。

図４Ｂは、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムのための代替設計の断面のある実施例を図示する。代替設計は、アクチュエータ４４０および光ファイバ走査要素４５０のための異なる自然周波数を有することができる。特に、アクチュエータ自然周波数は、約５０，０００Ｈｚであることができる一方、ファイバ自然周波数は、約２５，０００Ｈｚ（これは、アクチュエータ自然周波数の半分である）であることができる。いくつかの実施例では、代替設計におけるアクチュエータの長さは、２．７６７ｍｍであることができ、光ファイバ走査要素４５０の長さは、１．９７０ｍｍであることができる。いくつかの実施例では、代替設計のためのモード質量比は、２：１であることができ、アクチュエータ４４０は、光ファイバ走査要素４５０の２倍のモード質量を有することができる。

図５Ａは、本開示のある実施形態による、ファイバ走査システムのための代替設計に関する、ボード線図のある実施例を図示する。図５Ａに図示されるボード線図は、光ファイバ走査要素の自然周波数がアクチュエータの自然周波数の半分である上記の図４Ｂに関連して議論される、ファイバ走査システムの代替設計と相関する。図５Ａのボード線図は、ファイバ走査システムの構成要素（例えば、アクチュエータ４４０および／または光ファイバ走査要素４５０）のための周波数応答および位相角を説明することができる。いくつかの実施例では、ボード線図は、１つ以上の線形モデルを使用して生成されることができる。しかしながら、ボード線図は、１つ以上の非線形モデルを使用して生成され得ることもまた、認識されたい。

特に、第１のボード線図は、ある電圧によってアクチュエータに印加される周波数に関連して、アクチュエータ（例えば、圧電管プロット５２０）および光ファイバ走査要素（例えば、ファイバプロット５１０）のための変位ゲインをグラフ化し得る。いくつかの実施例では、変位ゲインは、光ファイバ走査要素の先端および／またはアクチュエータの先端と関連し得る。そのような実施例では、変位ゲインは、以下の方程式、すなわち、

（式中、δは、ファイバ走査システムの動的値を指し、１は、ファイバ走査システムの静的値の近似値を指す）を使用して算出されることができる。そのような実施例では、静的値は、ファイバ走査システムのための予期される静的偏向であり得る、１に正規化されることができる。いくつかの実施例では、静的値は、直流（ＤＣ）電位が印加されるときのアクチュエータの変位量であり得る。そのような実施例では、アクチュエータの位置は、時間に伴って変化し得ない。いくつかの実施例では、動的値は、交流（ＡＣ）電位が印加されるときのアクチュエータの変位量であり得る。

図５Ａの第１のボード線図を参照すると、ファイバプロット５１０は、光ファイバ走査要素の先端の変位ゲインが、アクチュエータに印加されている周波数が光ファイバ走査要素の自然周波数（例えば、２５，０００Ｈｚ）に到達するまで増加し得ることを示し得る。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素の変位ゲインは、周波数がファイバ自然周波数に接近するにつれて、より大きい率で増加することができる。ファイバプロット５１０がファイバ自然周波数に到達した後、光ファイバ走査要素の先端の変位ゲインは、（例えば、漸近的に）減少し得る。

圧電管プロット５２０は、アクチュエータの先端の変位ゲインもまた、アクチュエータに印加されている周波数がファイバ自然周波数に到達するまで増加することを示し得る。いくつかの実施例では、アクチュエータの周波数は、光ファイバ走査要素の変位ゲインが特定の量に到達するまで、対数目盛上で比較的に線形の率で増加することができる。いったん光ファイバ走査要素の変位ゲインが特定の量に到達すると、より多くのエネルギーが、アクチュエータから光ファイバ走査要素に伝達され、アクチュエータの変位ゲインを光ファイバ走査要素の変位ゲインが特定の量に到達する前より多い率で増加させることができる。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素からアクチュエータへのエネルギー伝達は、光ファイバ走査要素の反力のアクチュエータへの伝達が、光ファイバ走査要素が被り得る変位ゲインを減少させるため、有利ではない。

いったんアクチュエータに印加されている周波数がファイバ自然周波数に到達すると、アクチュエータの変位ゲインは、約－１０に低下し得、これは、

に等しく、０．３１に等しい出力／入力をもたらし、動的応答が静的応答の３１％であることを示し得る。アクチュエータの変位ゲインが低下した後、アクチュエータの変位ゲインは、特定の量に増加し（周波数の関数としての変位の振幅の変化率は、線形システムの次数によって決定され得る）、次いで、アクチュエータに印加されている周波数がアクチュエータ自然周波数（例えば、５０，０００Ｈｚ）に到達するまで、（上記に説明される特定の量の前の率に類似する率で）増加し続けることができる。アクチュエータに印加されている周波数がアクチュエータの自然周波数に到達した後、アクチュエータの変位ゲインは、（例えば、漸近的に）減少することができる。

第２のボード線図は、ある電圧によってアクチュエータに印加される周波数に関連して、アクチュエータ（例えば、圧電管５４０）および光ファイバ走査要素（ファイバプロット５３０）のための位相角をグラフ化し得る。位相角は、周波数入力に対するアクチュエータおよび光ファイバ走査要素の応答の間の関係を示し得る。いくつかの実施例では、位相角は、典型的には、コマンド信号と物理的応答との間の時間遅延を示し得る。そのような実施例では、位相角は、ファイバ走査システムの可制御性を示し得る。

図５Ｂは、本開示のある実施形態による、（ファイバ自然周波数がアクチュエータ自然周波数にほぼ整合され得る、上記の図４Ａに図示されるような）ファイバ走査システムのための動吸振器設計に関する、ボード線図のある実施例を図示する。図５Ａに関して上記に説明されるようなものと同様に、ボード線図は、ファイバ走査システムの構成要素（例えば、アクチュエータ４１０および／または光ファイバ走査要素４２０）のための周波数応答および位相角を説明することができる。

図５Ｂの第１のボード線図を参照すると、ファイバプロット５５０は、光ファイバ走査要素の先端の変位ゲインが、ファイバプロット５５０内の２つのピークによって特徴付けられ得ることを示し得る。２つのピークは、同一の周波数を有する光ファイバ走査要素およびアクチュエータの両方を伴う単一の機械的システムの中に光ファイバ走査要素およびアクチュエータをともに組み合わせることによってもたらされる、モード分裂を表し得る。特に、アクチュエータの第１の共振モードは、アクチュエータ自然周波数より低い周波数において形成される、第１のピーク（時として、第１の共振周波数５５２と称される）と関連付けられることができる。加えて、光ファイバ走査要素の第２の共振モードは、ファイバ自然周波数より高い周波数において形成される、第２のピーク（時として、第２の共振周波数５５４と称される）と関連付けられることができる。

いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素の先端の変位ゲインは、図５Ｂに図示されるように、第１のピークと第２のピークとの間で減少し得る。変位ゲインの減少は、ファイバ自然周波数における光ファイバ走査要素の先端の変位ゲインを、ピークのうちのいずれか一方を下回らせ得るが、しかしながら、変位ゲインは、ピーク値から減少されるが、依然として、（図５Ａに図示されるように）ファイバ自然周波数における代替設計の光ファイバ走査要素の先端の変位ゲインより高くあり得る。いくつかの実施例では、ファイバプロット５５０におけるピークの間の距離は、モード質量比の関数であることができる。例えば、アクチュエータがより大きいモード質量を有する場合、第１のピークと第２のピークとの間に、より少ない分離が、存在し得る。加えて、ピークのそれぞれの形状は、ファイバ走査システムの減衰に基づくことができる。例えば、ピークのうちの１つは、他のピークより高くあることができる。

いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素の変位ゲインは、第１の共振周波数５５２、ファイバ自然周波数、および／または第２の共振周波数５５４のいずれかにおいて最大限にされることができる。そのような実施例では、ファイバ走査システムは、変位ゲインを最大限にしている点またはその近傍において動作されることができる。他の実施例では、ファイバ走査システムは、動作されている点が最大ではなくても、上記に説明される点のうちの１つにおいて動作されることができる。そのような実施例では、ファイバ走査システムの動作点は、点の周囲の変化率に基づいて選択されることができる。例えば、第１の共振周波数５５２および／または第２の共振周波数５５４は、変位ゲイン（例えば、周波数に対するわずかな変化に応答する変位ゲインに関する変化量に基づく）の観点から不安定であり得る一方、自然周波数５５６は、より安定した状態であり得る。そのような実施例では、自然周波数５５６は、第１の共振周波数５５２または第２の共振周波数５５４ではなく、ファイバ走査システムのための動作点として選択されることができる。

いくつかの実施形態では、ファイバ走査システムの動作点は、変位ゲインが所定の変位ゲイン以上であるように選択される。言い換えると、動作の間、ファイバ走査システムは、周波数のある範囲内の動作周波数においてアクチュエータを駆動させることによって、変位ゲインのある範囲を達成することができる。

図５Ｂを参照すると、２５ｋＨｚの自然周波数における変位ゲインは、４０ｄＢをわずかに上回り、これは、自然変位ゲインと称され得る。自然変位ゲイン以上である変位ゲインが、ファイバ走査システムを、変位ゲインが自然変位ゲインに等しい第１の共振周波数５５２を下回る最小周波数と関連付けられる、ｆ_１から、変位ゲインが自然変位ゲインに等しい第２の共振周波数５５４を上回る最大周波数と関連付けられる、ｆ_２までの範囲に及ぶ周波数（すなわち、動作周波数）において駆動することによって、達成されることができる。故に、ファイバ走査システムを本範囲内の動作周波数において駆動することによって、自然変位ゲイン以上である変位ゲインが、達成される。いくつかの実施形態では、特定の動作周波数が、アクチュエータの自然周波数に基づいて選択されるのに対し、他の実施形態では、特定の動作周波数は、光ファイバ走査要素の自然周波数に基づいて選択される。

動作周波数は、動作周波数が第１の共振周波数５５２の閾値内にあるまたは第２の共振周波数の閾値内にあるように選択されることができる。閾値は、動作周波数が自然変位ゲイン以上である変位ゲインと関連付けられるように設定されることができる。故に、図５Ｂに図示されるように、第１の共振周波数の周囲の閾値は、周波数ｆ_１から２５ｋＨＺまでに及び得、第２の共振周波数の周囲の閾値は、２５ｋＨｚから周波数ｆ_２までに及び得る。

ファイバプロット５５０と同様に、圧電管プロット５６０もまた、２つの共振周波数を含むことができる。いくつかの実施例では、圧電管プロット５６０の２つの共振周波数は、ファイバプロット５５０の２つの共振周波数に類似する周波数に位置することができる。しかしながら、アクチュエータの先端の変位ゲインは、約ゼロまで低減され得る。いくつかの実施例では、アクチュエータの組み合わせられる運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーが、アクチュエータ自然周波数において光ファイバ走査要素に伝達されることができ、これは、アクチュエータの変位ゲインを約ゼロまで低減させることができる。

第２のボード線図は、ある電圧によって圧電管に印加される周波数に関連して、アクチュエータ（例えば、圧電管プロット５２０）および光ファイバ走査要素（例えば、ファイバプロット５１０）のための位相角をグラフ化し得る。いくつかの実施例では、第２のボード線図は、位相偏移（例えば、１８０度の位相偏移）が各ピークにおいて生じ得ることを図示し得る。

図５Ｃは、本開示のある実施形態による、（上記に説明されるような）光ファイバ走査要素のための動吸振器設計および代替設計の比較に関する、ボード線図のある実施例を図示する。そこから分かり得るように、動吸振器設計のための光ファイバ走査要素のピークは、最も高い変位ゲインを提供する。また、ピーク間の点における動吸振器設計のための変位ゲインは、代替設計より低いが、これは、常時該当しない場合がある。加えて、動吸振器設計がその点においてより低い変位ゲインを有している場合でも、動吸振器設計は、より安定した状態であり得る。理想的な動作点は、実験研究から決定されてもよい。

図５Ｄは、本開示のある実施形態による、（上記に説明されるような）アクチュエータのための動吸振器設計および代替設計の比較に関する、ボード線図のある実施例を図示する。いくつかの実施例では、実施例は、エネルギーが、動吸振器設計内の光ファイバ走査要素によってアクチュエータから吸収されていることを図示し得る。そのような実施例では、アクチュエータの応答は、動吸振器設計のための静的応答を下回り得る。

図６は、ファイバ走査システムのための視野を増加させるためのプロセス６００のある実施例を図示する。

プロセス６００は、あるアクチュエータ自然動作周波数によって特徴付けられる、アクチュエータを提供するステップを含むことができる（６１０）。いくつかの実施例では、ファイバ走査システムは、アクチュエータを含むことができる。

プロセス６００はさらに、アクチュエータに結合される、光ファイバ走査要素を提供するステップを含むことができる（６２０）。いくつかの実施例では、光ファイバ走査要素は、アクチュエータ自然周波数に整合するように決定される、ファイバ自然周波数によって特徴付けられることができる。そのような実施例では、ファイバ走査システムはさらに、光ファイバ走査要素を含むことができる。

プロセス６００はさらに、ある動作周波数においてアクチュエータを駆動するステップを含むことができる（６３０）。いくつかの実施例では、ファイバ走査システムの変位ゲインは、アクチュエータ自然周波数を境界する、２つの分裂周波数ピークによって特徴付けられることができる。そのような実施例では、動作周波数は、分裂周波数ピークの第１のピークの近傍にある（すなわち、第１のピークの閾値内の周波数である）ことができ、第１の周波数ピークは、アクチュエータ自然周波数を下回る。他の実施例では、動作周波数は、第２のピークの近傍にある（すなわち、その閾値内の周波数である）ことができ、第２の周波数ピークは、アクチュエータ自然周波数を上回る。他の実施例では、動作周波数は、例えば、アクチュエータ自然周波数における、第１の周波数ピークと第２の周波数ピークとの間の範囲内の周波数であることができる。いくつかの実施例では、アクチュエータは、正弦波電圧によって駆動されることができる。

いくつかの実施例が、説明されている。但し、種々の修正が、本開示の範囲から逸脱することなく成され得ることを理解されたい。

Claims (20)

1. ファイバ走査システムであって、
   アクチュエータ自然周波数を有するように構成されているアクチュエータと、
   前記アクチュエータに結合されている光ファイバ走査要素であって、前記光ファイバ走査要素は、前記アクチュエータ自然周波数から前記アクチュエータ自然周波数の±２０％の範囲内であるファイバ自然周波数を有するように構成されており、前記ファイバ自然周波数は、前記光ファイバ走査要素が駆動力または減衰力がない状態で発振する傾向にある周波数であり、前記周波数は、前記アクチュエータから独立である、または、前記アクチュエータとは別個であり、前記光ファイバ走査要素の変位ゲインは、動作周波数の関数として、前記ファイバ自然周波数より小さい第１の共振周波数における第１の最高値と、前記ファイバ自然周波数より大きい第２の共振周波数における第２の最高値とを示す、光ファイバ走査要素と
   を備える、ファイバ走査システム。
2. 前記第１の最高値および前記第２の最高値は、前記ファイバ自然周波数における前記光ファイバ走査要素の変位ゲインよりも大きい、請求項１に記載のファイバ走査システム。
3. 前記アクチュエータが前記アクチュエータ自然周波数に実質的に等しい動作周波数で駆動されるとき、前記アクチュエータの変位ゲインはゼロである、請求項１に記載のファイバ走査システム。
4. 前記アクチュエータが前記アクチュエータ自然周波数に等しい動作周波数で駆動されるとき、前記アクチュエータの移動はゼロであり、かつ、前記光ファイバ走査要素は最大の変位ゲインを有する、請求項３に記載のファイバ走査システム。
5. 前記ファイバ自然周波数は、前記アクチュエータ自然周波数から前記アクチュエータ自然周波数の±２０％より小さいか±２０％に等しい範囲内である、請求項１に記載のファイバ走査システム。
6. 前記アクチュエータは、圧電管を備える、請求項１に記載のファイバ走査システム。
7. 前記アクチュエータは、中心軸を有する円筒形幾何学形状を有し、前記光ファイバ走査要素は、前記中心軸に沿って前記アクチュエータを通過する、請求項１に記載のファイバ走査システム。
8. 前記光ファイバ走査要素は、マルチコア光ファイバを備える、請求項１に記載のファイバ走査システム。
9. 前記光ファイバ走査要素は、前記アクチュエータの中心位置において前記アクチュエータに結合されている、請求項１に記載のファイバ走査システム。
10. 前記光ファイバ走査要素の外径は、前記中心位置における前記アクチュエータの内径より小さい、請求項９に記載のファイバ走査システム。
11. 前記光ファイバ走査要素を囲繞し、かつ、前記光ファイバ走査要素に接触する保定カラーをさらに備える、請求項１０に記載のファイバ走査システム。
12. 前記光ファイバ走査要素と前記アクチュエータとを結合する中間要素をさらに備える、請求項１に記載のファイバ走査システム。
13. ファイバ走査システムを動作させる方法であって、前記方法は、
    アクチュエータと、前記アクチュエータに結合されている光ファイバ走査要素とを含む前記ファイバ走査システムを構成することであって、前記ファイバ走査システムを構成することは、
    前記アクチュエータがアクチュエータ自然周波数を有するように前記アクチュエータを構成することと、
    前記光ファイバ走査要素が前記アクチュエータ自然周波数から前記アクチュエータ自然周波数の±２０％の範囲内であるファイバ自然周波数を有するように前記光ファイバ走査要素を構成することであって、前記ファイバ自然周波数は、前記光ファイバ走査要素が駆動力または減衰力がない状態で発振する傾向にある周波数であり、前記周波数は、前記アクチュエータから独立である、または、前記アクチュエータとは別個である、ことと
    によって行われる、ことと、
    第１の周波数から第２の周波数までに及ぶ動作周波数の範囲を決定することであって、前記第１の周波数は、前記ファイバ自然周波数よりも小さく、前記第２の周波数は、前記ファイバ自然周波数よりも大きい、ことと、
    前記アクチュエータを前記動作周波数の範囲内の動作周波数で駆動することと
    を含む、方法。
14. 前記動作周波数の範囲を決定することは、前記光ファイバ走査要素の変位ゲインが前記動作周波数の範囲内の所定の値よりも大きくなるように、前記第１の周波数および前記第２の周波数を決定することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記所定の値は、前記ファイバ自然周波数において前記光ファイバ走査要素の変位ゲイン以上である、請求項１４に記載の方法。
16. 動作周波数の関数としての前記光ファイバ走査要素の変位ゲインは、第１の共振周波数における第１のピーク値および第２の共振周波数における第２のピーク値を示し、前記第１の共振周波数および前記第２の共振周波数は、前記動作周波数の範囲内にある、請求項１３に記載の方法。
17. 前記第１のピーク値および前記第２のピーク値は、前記ファイバ自然周波数における前記光ファイバ走査要素の変位ゲインよりも大きい、請求項１６に記載の方法。
18. 前記動作周波数は、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との間である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記動作周波数は、前記第１の共振周波数または前記第２の共振周波数におけるものである、請求項１６に記載の方法。
20. 前記動作周波数は、前記ファイバ自然周波数におけるものである、請求項１６に記載の方法。

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