[發(fā)明專利]可動(dòng)鏡光學(xué)掃描器及相關(guān)方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580049577.0
• 申請日: 2005-03-04
• 公開（公告）號(hào): CN101203791A
• 公開（公告）日: 2008-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: W·R·本納;A·鮑奇
• 申請（專利權(quán)）人: PANGOLIN激光系統(tǒng)公司
• 主分類號(hào): G02B26/08
• 分類號(hào): G02B26/08
• 代理公司: 北京金信立方知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 黃威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)掃描器領(lǐng)域，尤其涉及一種具有鏡的掃描器，所述鏡通過包括定位在由磁體產(chǎn)生的磁通量中的線圈來產(chǎn)生其自己的可動(dòng)。

背景技術(shù)

從大約30年前建立起基于電流計(jì)的光學(xué)掃描領(lǐng)域開始，該類型的掃描基本上以相同的方式來完成。鏡安裝到有限轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)的軸上，該有限轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)在本技術(shù)中通常被稱為電流計(jì)或“galvo”。當(dāng)該馬達(dá)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其繼而使鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。光束被鏡反射，隨著鏡被馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，光束進(jìn)行掃描。通常使用兩個(gè)馬達(dá)和兩個(gè)鏡，它們以完成X-Y掃描的方式排列。這在本領(lǐng)域中是公知的并且可以在包括Tanaka等的美國專利5,130,838和Montagu的美國專利5,084,904的眾多專利中找到。

在光學(xué)掃描中獲得廣泛使用的第一有限轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)(電流計(jì))由General?Scanning(Brosens美國專利號(hào)4,135,119)和MFE公司(Burke，Jr.美國專利號(hào)Re.31,062)制造。這些是“可動(dòng)鐵”的變體-這是基于轉(zhuǎn)子是由固態(tài)或疊片鐵制成的事實(shí)命名的。在由更現(xiàn)代的掃描器類型替換之前，可動(dòng)鐵電流計(jì)掃描器提供了非?？捎^的性能并且使用了大約20年。可動(dòng)掃描器的缺點(diǎn)是它們有限的扭矩與慣性比以及由線圈完全被鐵磁路包圍的事實(shí)造成的相對(duì)高的電感。

從大約1986年以來，馬薩諸塞州劍橋市的Cambridge?Technology公司已經(jīng)生產(chǎn)了根據(jù)轉(zhuǎn)子是可動(dòng)線圈而不是鐵這一事實(shí)命名的可動(dòng)線圈電流計(jì)掃描器。可動(dòng)線圈電流計(jì)掃描器具有很多優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之一是它們具有非常低的電感，通常比可動(dòng)鐵對(duì)應(yīng)物低一個(gè)數(shù)量級(jí)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是扭矩與慣性比遠(yuǎn)大于它們的可動(dòng)鐵對(duì)應(yīng)物。然而，可動(dòng)線圈掃描器的幾個(gè)缺點(diǎn)妨礙了它們的廣泛使用。一個(gè)缺點(diǎn)是為了產(chǎn)生掃描可動(dòng)而流過線圈的電流使線圈變熱，由于線圈基本上浮在半空中，所以還沒有有效的辦法來快速散去所產(chǎn)生的熱。因?yàn)檫@個(gè)問題，可動(dòng)線圈掃描器不能被用于需要高工作循環(huán)的應(yīng)用(例如，恒定的高頻率掃描)。另一個(gè)缺點(diǎn)是線圈線的長的無支撐的跨度導(dǎo)致多個(gè)低頻扭轉(zhuǎn)共振，這是非常不希望的。

從大約1992年到現(xiàn)在，已經(jīng)有幾個(gè)公司制造了根據(jù)轉(zhuǎn)子幾乎全部由磁體組成的事實(shí)命名的可動(dòng)磁體電流計(jì)掃描器。在包括美國專利5,424,632和美國專利5,936,324的Montague的多個(gè)專利中說明了可動(dòng)磁體電流計(jì)掃描器的例子?？蓜?dòng)磁體掃描器具有可動(dòng)線圈掃描器的某些好處，如相對(duì)低的電感以及相對(duì)高的扭矩與慣性比。另外，由于線圈直接安裝到掃描器的護(hù)鐵上，所以散熱比可動(dòng)線圈掃描器更有效。然而，在光學(xué)掃描中，特別是在消除扭轉(zhuǎn)共振的領(lǐng)域中仍有改進(jìn)空間，由于相對(duì)長的轉(zhuǎn)子時(shí)常通過直徑相對(duì)小的軸來驅(qū)動(dòng)相對(duì)寬的鏡的一端這一事實(shí)而很大程度上存在扭轉(zhuǎn)共振。

隨著光學(xué)掃描領(lǐng)域的不斷發(fā)展，取得了越來越大的進(jìn)步以克服更高性能和更快掃描速度的障礙。例如，使用可動(dòng)鐵掃描器時(shí)，更高性能的障礙是有限的扭矩與慣性比以及相對(duì)高的電感?？蓜?dòng)線圈和可動(dòng)磁體掃描器的發(fā)展已經(jīng)克服了這兩個(gè)問題，但是目前扭轉(zhuǎn)共振帶來實(shí)現(xiàn)更高精度和更快掃描速度的最困難的障礙。

由于該技術(shù)的目前狀態(tài)繼續(xù)依賴于“鏡在馬達(dá)軸的端部上”的結(jié)構(gòu)，所以仍存在與鏡的質(zhì)量和慣性結(jié)合的長掃描器轉(zhuǎn)子的扭簧特性導(dǎo)致發(fā)生的“上發(fā)條”效應(yīng)。鏡的形狀和鏡安裝到軸上的方式也導(dǎo)致發(fā)生其它扭轉(zhuǎn)共振?？傊捎趦H從一端驅(qū)動(dòng)鏡以及由于鏡和馬達(dá)部件的扭轉(zhuǎn)彈性而存在這些扭轉(zhuǎn)共振。

響應(yīng)于這些問題，在嘗試減少這些扭轉(zhuǎn)共振的頻率中或者在嘗試管理它們中采用了各種技術(shù)，包括在美國專利5,424,632中由Montagu描述的以及在美國專利6,433,449中由Brown等描述的新穎馬達(dá)設(shè)計(jì)以及通過形成如美國專利6,243,188中由Stukalin等描述的鏡和鏡支座。然而，盡管有這些改進(jìn)，扭轉(zhuǎn)共振仍然是一個(gè)突出問題。

由于電流計(jì)掃描器通常與閉路伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)合使用，所以扭轉(zhuǎn)共振還是一個(gè)問題。共振的存在干擾了這些伺服驅(qū)動(dòng)器，并且如果伺服增益被設(shè)置得充分高以實(shí)現(xiàn)快速掃描，那么可能發(fā)生不受控制的振蕩。結(jié)果，伺服增益必須被保持為相對(duì)低，并且閉路、小信號(hào)帶寬(即，掃描速度)只能成為最低扭轉(zhuǎn)共振頻率的一部分。例如，許多可動(dòng)磁體掃描系統(tǒng)具有大約8kHz到10kHz的扭轉(zhuǎn)共振頻率，然而，為了維持良好質(zhì)量的掃描，伺服增益以及這樣的閉路、小信號(hào)帶寬不能大于大約2.5kHz。