新型二维压电光学扫描器

    压电光扫描属于动镜扫描。压电扫描器是利用压电材料的逆压电效应,在工作电压下,压电器件发生变形,带动反射镜摆动形成扫描^[1–3]。压电扫描器在精确定位、光路控制、微位移控制等领域及光学仪器和精密机械加工等方面有较广泛的应用前景。对其结构的改进有利于提高图像采集精度及降低扫描器件成本。本文提出了一种能实现二维扫描(驱动),且结构简单,便于控制的新型二维压电光学扫描器,并对其进行了有限元仿真和实验分析。

    1　二维压电光学扫描器的工作原理及其制备

    1.1　二维压电光学扫描器的工作原理

    压电效应是由于晶体在机械力作用下,其形状发生变化而引起带电粒子的相对位移,导致晶体的总电矩发生改变。反之,逆压电效应是当晶体受到电场作用时将产生机械变形,且其应变与电场强度成正比^[4]。经研究,本文工作提供了一种基于逆压电效应原理且对称连接双压电晶片的二维压电光扫描结构,如图1所示。

    图2为加载交流电压时反射镜的变形状态。当加载反向交流电压时,上、下金属板的弯曲变形方向相反,此时,反射镜绕x轴旋转至位置91,旋转角度为α;当加载同向交流电压时,上、下金属板的弯曲变形方向相同,此时,反射镜绕y轴旋转至位置92,旋转角度为β,从而实现二维扫描。反射镜偏转位移可由所加载电压决定,易控制。

    1.2　二维压电光学扫描器的制备

    二维压电光学扫描器中,传动件尺寸为74 mm×45 mm×0.2 mm,反射镜尺寸为4 mm×4 mm×0.2 mm,传动件和反射镜为一体结构,材料均为铝片,用线切割法加工而成。单片压电陶瓷的尺寸为25 mm×15 mm×0.2 mm。把同等份量的环氧树脂和固化剂混合后,将4片压电陶瓷贴装在传动件的适当位置(见图1),用电烙铁在压电陶瓷上焊接引出电极,再将扫描器装夹于一个专用夹紧装置中。

    2　二维压电光学扫描器振动的有限元分析与测量

    2.1　测试系统与实验方法

    本文采用德国Polytec公司生产的激光多普勒干涉仪(型号为OFV 3001S控制器/OFV2056光纤干涉仪)进行测量,OFV2056型光纤干涉仪的工作原理是基于Mac2Zehnder干涉仪的[5]。利用激光多普勒干涉仪,可以直接测得该二维压电光学扫描器的振动振幅和速度,并得到直观的结果。

    仪器测量振动速度的结果比较准确,本文直接利用仪器得到振动速度的值。利用简谐振动理论可得振幅数值为

式中S_m为位移振幅;v_m为速度振幅;f为振动频率。利用式(1)可由测得的v_m算出S_m。测量时,将二维压电光学扫描器固定在隔振台上,由HP3325B信号发生器对其进行激励,激光探头发出激光束探测其表面信息并将这些信息传输到激光多普勒干涉仪的控制部分,最后利用HP4194A对其进行阻抗分析。测量系统如图3所示,其中,HP3325B的输入电压为4~14 V(峰值),在1~10 kHz的频率范围内对二维压电光学扫描器进行激励。