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专利名称:微型二维扫描镜的制作方法
本案涉及一种微型二维扫描镜,包括:支架,其由金属条围成一个框体,具有两条侧臂;反射片,其被两条对称分布的弹性臂悬置在所述框体内,所述弹性臂的一端连接所述反射片,另一端连接所述支架的侧臂;压电片,其设置在所述支架的侧臂上,用于在电场作用下产生逆压电效应,从而驱动反射片旋转。本案解决了一维和二维扫描镜扫描频率低、结构复杂、加工难度大的问题;整体结构简单,在一种驱动源、单片压电片下实现反射镜的二维偏转扫描,易于微型化;成本低廉,采用金属基底和激光刻板工艺即可完成基底的加工,利于大规模批量生产。
【专利说明】
微型二维扫描镜
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种扫描镜,特别涉及一种微型二维扫描镜。
【背景技术】
[O002]扫描镜是诸如激光扫描显微镜、激光扫描显不器、激光打印机以及条形码阅读器等许多光学系统中的关键部件,通常需要具备一维或者二维的扫描能力,满足一定的扫描角度、扫描频率和扫描分辨率的要求。同时根据应用场合需要考虑驱动电压、体积重量、结构稳定性、工艺兼容性、生产成本和使用寿命等。
[0003]目前激光扫描技术多为检流计式振镜技术,很多商业化的扫描显微镜系统采用这种方案,其优势在于成本较低、扫描角度大,,整体扫描频率低于500Hz,偏扫速度较慢。声光衍射技术控制声光晶体的驱动声波频率使通过晶体的激光衍射角度改变而实现光路偏折扫描。但扫描角度与激光波长相关,且光束经过声光衍射其光斑形状及功率将发生变化,需要后续的检测补偿。
[0004]国内外实验室基于MEMS技术已研发出基于不同原理的各类扫描振镜,包括静电式、电磁式、热电式和压电式。其中,压电驱动式因响应快、带宽大、效率高、稳定性好等优点而具有较大的发展潜力。相比于传统的棱镜和检流计式扫描镜,微扫描镜的性能更加优越,拥有更大的扫描角度和更高的扫描频率,同时其体积更加小巧,使得其在诸如内窥镜和小型投影仪等中的应用成为可能。然而,硅基MEMS振镜制造复杂、价格昂贵、成品率低、寿命短,很难在商品中广泛使用。
【实用新型内容】
[0005]针对现有技术存在的不足,本案利用压电片式振子结合金属基板设计一维和二维高频光学扫描振镜。与MEMS振镜中通常使用的压电薄膜相比,片式振子可以提供较高的功率密度,同时制造工艺相对成熟,避免制造缺陷。金属基底制作工艺简单、周期短、许用应力大、能够提供较大的反射角度。与硅材料相比其抗冲击性
能好,与树脂材料相比其具有较高的硬度和机械品质因数。该金属基压电振镜可提供较大的扫描角度和扫描频率、稳定性好、成本低廉。
[0006]为实现上述目的,本案通过以下技术方案实现:
[0007]—种微型二维扫描镜,其包括:
[0008]支架,其由金属条围成一个框体,具有两条侧臂;
[0009]反射片,其被两条对称分布的弹性臂悬置在所述框体内,所述弹性臂的一端连接所述反射片,另一端连接所述支架的侧臂;
[0010]压电片,其设置在所述支架的侧臂上,用于在电场作用下产生逆压电效应,从而驱动反射片旋转。
[0011]优选的是,所述的微型二维扫描镜,其中,所述支架上设置有用于插入凹槽以实现固定的凸起部。
[0012]优选的是,所述的微型二维扫描镜,其中,所述压电片至少设置有两片,且分别位于所述支架的两条侧臂上。
[0013]优选的是,所述的微型二维扫描镜,其中,所述两片压电片位于所述支架所处平面的同侧。
[0014]优选的是,所述的微型二维扫描镜,其中,所述两片压电片位于所述支架所处平面的两侧。
[0015]优选的是,所述的微型二维扫描镜,其中,所述弹性臂是金属臂。
[0016]优选的是,所述的微型二维扫描镜,其中,所述反射片表面设有金属薄膜层。
[0017]本实用新型的有益效果是:本案解决了一维和二维扫描镜扫描频率低、结构复杂、加工难度大的问题;整体结构简单,在一种驱动源、单片压电片下实现反射镜的二维偏转扫描,易于微型化;成本低廉,采用金属基底和激光刻板工艺即可完成基底的加工,利于大规模批量生产。
【附图说明】
[0018]图1为实施例1中微型二维扫描镜的结构示意图。
[0019]图2为实施例1中微型二维扫描镜绕X轴偏转振动图。
[0020]图3为实施例1中微型二维扫描镜绕z轴偏转振动图。
[0021]图4为实施例2中微型二维扫描镜的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0023]实施例1
[0024]如图1所不,本案列出一实施例的微型二维扫描镜,其包括:
[0025]支架I,其由金属条围成一个框体,具有两条侧臂6;
[0026]反射片2,其被两条对称分布的弹性臂3悬置在框体内,弹性臂
3的一端连接反射片2,另一端连接支架I的侧臂6;
[0027]压电片4,其设置在支架I的侧臂6上,用于在电场作用下产生逆压电效应,从而驱动反射片2旋转。压电片4通电后,产生逆压电效应,带动支架I产生弯曲振动,从而激发弹性臂3的扭转或弯曲,驱使反射片2偏转一定角度。当压电片4的振动频率与反射片2的谐振频率相一致时,扭转角度达到最大,从而实现激光的大角度偏转扫描。
[0028]在该实施例中,支架I上还可优选设置有用于插入凹槽以实现固定的凸起部5。这里的凹槽一般位于诸如激光扫描显微镜、激光扫描显示器、激光打印机以及条形码阅读器等中需要安装固定扫描镜的底座上。
[0029]当压电片4的数量为一个时,可有三种工作模式:工作模式1:如图2所示,施加驱动信号后,压电片4带动支架I的两条侧臂6产生同相弯曲振动,选择适当的激励频率,可使弹性臂3产生扭转谐振,从而驱动反射片2产生绕X轴的大角度旋转运动,继而实现激光沿z轴的偏转扫描。此时的工作频率为图2中相应振型的谐振频率。工作模式2:如图3所示,受驱动电压作用,压电片4带动支架I产生弯曲振动,由于扫描镜结构的非对称性,通过选择适当的激励频率,可激发支架I的两条侧臂6产生相反弯曲谐振,从而带动弹性臂3和反射片2产生绕z轴的旋转运动,继而实现激光沿X
轴的偏转扫描。此时的工作频率为图3中相应振型的谐振频率。工作模式3:当同时施加两个方向上谐振频率合成驱动电压,或者适当设计扫描镜的尺寸使得两种工作模式下的谐振频率接近时,反射片2将同时产生绕X和z轴的旋转运动,实现二维扫描。需要指出的是,当采用一个压电片时,必须制造出扫描镜关于z轴的非对称性结构,才能激发出工作模式2中需要的模态振型。
[0030]实施例2
[0031]如图4所示,在实施例1的基础上,压电片4至少设置有两片,且分别位于支架I的两条侧臂6上;也可设置有四片,即如图4中的压电片4a、压电片4b、压电片4c和压电片4d。
[0032]在该实施例中,当压电片4数量为两片时,两片压电片4可以位于支架I所处平面的同侧(如压电片4a和压电片4d,或压电片4b和压电片4c)或位于支架I所处平面的两侧(如压电片4a和压电片4c,或压电片4b和压电片4d)。当压电片4数量为两片时,有三种工作模式:工作模式1:施加驱动信号后,迫使压电片带动支架I的两条侧臂6产生同相弯曲振动,通过选择适当的激励频率,可使弹性臂3产生扭转谐振,从而驱动反射片2产生绕X轴的大角度旋转运动。工作模式2:施加驱动信号后,迫使压电片带动支架I的两条侧臂6产生反相弯曲振动,通过选择适当的激励频率,也可激发出支架
两臂的相反弯曲谐振,从而带动弹性臂3和反射片2产生绕z轴的旋转运动。工作模式3:同时施加两个方向上谐振频率合成驱动电压时,反射片2将同时产生绕X和z轴的旋转运动,实现二维扫描。
[0033]当压电片4数量为四片时,工作原理与使用两个压电片的扫描镜相同。区别的是,同一个侧臂6上相对放置的两个压电片在施加驱动电压后始终产生反向应变,迫使支架I的两条侧臂6产生弯曲。可通过适当规划压电片的极化方向来减少驱动电极线的数目。
[0034]本案所用驱动电源的驱动波形可为交流正弦波形或者方波,驱动波的频率为使用模态的谐振频率,也可以在其谐振频率附近一定范围内调整。
[0035]在实施例1和2中,弹性臂3优选是金属臂。
[0036]在实施例1和2中,反射片2表面优选设有金属薄膜层,以增大反射系数。
[0037]尽管本实用新型的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【主权项】
,其特征在于,包括:支架,其由金属条围成一个框体,具有两条侧臂;反射片,其被两条对称分布的弹性臂悬置在所述框体内,所述弹性臂的一端连接所述反射片,另一端连接所述支架的侧臂;压电片,其设置在所述支架的侧臂上,用于在电场作用下产生逆压电效应,从而驱动反射片旋转。,其特征在于,所述支架上设置有用于插入凹槽以实现固定的凸起部。,其特征在于,所述压电片至少设置有两片,且分别位于所述支架的两条侧臂上。,其特征在于,所述两片压电片位于所述支架所处平面的同侧。,其特征在于,所述两片压电片位于所述支架所处平面的两侧。,其特征在于,所述弹性臂是金属臂。,其特征在于,所述反射片表面设有金属薄膜层。