CN110536628B - 用于增加视场的光纤扫描器的变形模式致动 - Google Patents

Abstract

本文描述的是光纤扫描***和扫描光纤的方法的实施例。所公开的***和方法有利地通过引起光纤的一部分的变形来改善光纤扫描***中的光纤的扫描范围、振荡幅度和/或最大指向角。

Description

用于增加视场的光纤扫描器的变形模式致动

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年4月4日提交的美国临时申请No.62/481,497的权益和优先权，该临时申请通过引用被整体并入本文。

背景技术

扫描设备通常对用于频率的扫描范围进行折衷。通常，随着频率增加，扫描范围减小，以及随着频率降低，可以增大扫描范围。然而，在一些应用中，希望增加频率和扫描范围。需要额外的扫描***设计来改善和扩展扫描***的扫描范围和实用性。

发明内容

本申请涉及光纤扫描器***和相关方法。更具体地，但不限于，本申请涉及光纤振荡器，例如用于扫描光纤显示器，其中光纤通过机械致动器(例如压电致动器(压电部))的方式以旋转运动振荡。通过施加压缩力进一步诱导光纤变形，其中变形增加了光纤的最大偏转，这可以增加***的视场。在实施例中，与仅旋转的***相比，变形和旋转的组合可以提供视场的有用增加，而不会牺牲尺寸、形状因子或频率。

在光学扫描***中，频率对于分辨率和刷新率可能都是重要的，以及可以考虑两种不同的频率体制。例如，在扫描光纤显示器中，第一频率可以与刷新率相关，其中光纤的重复扫描可以指示输出视图可以如何频繁地改变。第二频率体制可能与单个扫描中的各个振荡有关，以及该频率可能通过指示光纤的非重叠运动之间的区别如何精细以及这些运动在光纤的单个扫描内如何快而影响分辨率。

然而，对于给定投影仪设计，范围对于视场可能是重要的。例如，振荡光纤的最大幅度或范围可以提供光纤生成的输出图像如何宽的限制。随着振荡范围增大，可以提供更宽的视场。

扫描设备由于其小的形状因子和有用的分辨率和视场而可用作显示设备。然而，为了获得具有高扫描范围的高频扫描设备，需要在该领域中进行创新。目前描述的光纤扫描***允许改进的视场投影仪，同时维持小的形状因子。作为示例，通过将所公开的扫描***合并到扫描光纤显示投影仪中，相对于常规的扫描光纤显示设备，可以增加投影仪的视场。

不受限制地，本申请提供了设备和***，例如光纤扫描设备或包括光纤的***。在一个方面，一种光纤扫描***包括：具有远光纤端和近光纤端的光纤；第一机电换能器，其机械地耦接到位于远光纤端与近光纤端之间的光纤，例如被配置为向光纤施加变形力的第一机电换能器；以及第二机电换能器，其机械地耦接到位于远光纤端与近光纤端之间的光纤，例如被配置为激励远光纤端的旋转的第二机电换能器。在实施例中，远光纤端是不受约束的，这可以允许远光纤端响应于机械致动而横向偏转。

可选地，机械地耦接第一机电换能器和光纤的第一接合件具有沿与光纤的纵向轴平行的轴的第一轴向刚度。可选地，机械地耦接第二机电换能器和光纤的第二接合件具有沿与光纤的纵向轴平行的轴的第二轴向刚度。在实施例中，当第一接合件与第二接合件之间的距离减小了特定距离(例如，小于5μm的最小距离)、减小了1μm与5μm之间的距离或者减小了较大距离，例如介于1μm与50μm之间、介于5μm与10μm之间、介于10μm与20μm之间、介于20μm与30μm之间、介于40μm与50μm之间或大于50μm的较大距离时，第一轴向刚度和第二轴向刚度足以引起光纤的变形。

用于第一机电换能器和第二机电换能器的各种配置对于本文所述的光纤扫描***是有用的。例如，第一机电换能器可选地对应于具有远变形端和近变形端的变形压电部。光纤可以机械地耦接到远变形端、近变形端或远变形端和近变形端两者。在实施例中，变形压电部是压电管或压电堆叠。可选地，光纤穿过压电管或压电堆叠。变形压电部可以包括多个电极，用于通过施加一个或多个电压来控制变形压电部的长度。例如，减小位于远变形端和近变形端之间的变形压电部的长度将变形力施加到光纤。

在另一个示例中，第二机电换能器对应于压电管，例如旋转压电管，其具有远管端和近管端。在实施例中，光纤穿过旋转压电管。远管端可通过旋转远端接合件机械地耦接到光纤。可选地，取决于光学扫描***中使用的特定配置，光纤机械地耦接到远管端、近管端或远管端和近管端两者。可选地，远光纤端延伸超过远管端，并且远管端位于远光纤端和近管端之间。在实施例中，近光纤端延伸超过近管端，近管端位于近光纤端和远管端之间。可选地，光纤未固定到近管端。

在实施例中，旋转压电管包括多个电极，用于通过施加一个或多个电压来控制压电管的远管端的横向偏转，例如以引起光纤的远端的旋转。在实施例中，旋转压电管具有足以适应(accommodate)光纤的变形的内径。旋转远端接合件可以具有沿旋转压电管的纵向轴的轴向刚度，例如足以引起光纤的变形的轴向刚度。旋转远端接合件可以具有在变形期间足以适应光纤的横向旋转的横向刚度。

在一些实施例中，光纤扫描***还包括机械耦接到旋转压电管和第一机电换能器的支撑管。可选地，第一机电换能器位于支撑管内。可选地，第一机电换能器对应于如上所述的变形压电管，例如具有远变形端和近变形端的变形压电管。在实施例中，远变形端位于近管端和近变形端之间。在一些实施例中，光纤和远变形端通过变形远端接合件机械地耦接，并且变形远端接合件沿纵向光纤轴的移动导致光纤在变形远端接合件和旋转远端接合件之间的变形。可选地，支撑管具有远端和近端，例如通过旋转近端接合件机械地耦接到近管端的远端和通过变形近端接合件机械耦接到近变形端的近端。

在另一个示例中，第二机电换能器包括毂、围绕毂的框架以及机械地耦接到框架和毂的多个横向机电换能器。在一些实施例中，光纤穿过毂并且毂通过旋转接合件机械地耦接到光纤。第二机电换能器可选地包括从毂径向延伸并将毂耦接到框架的多个柔性部。横向机电换能器可以对应于包括电极的压电元件，所述电极用于控制毂的横向偏转以激励远光纤端的旋转。例如，向电极施加一个或多个电压会修改控制压电元件的长度。可选地，压电元件可以依次致动，以使旋转接合件以横向旋转运动来移动。

在另一个示例中，可以组合第一和第二机电换能器。例如，第一机电换能器和第二机电换能器可以可选地包括压电管，例如具有远管端和近管端的压电管。可选地，光纤穿过压电管并且远光纤端延伸超过远管端。远管端和光纤可以在远端接合件处机械耦接。近管端和光纤可以在近端接合件处机械耦接。在一些实施例中，远端接合件和近端接合件具有沿压电管的纵向轴的轴向刚度，该轴向刚度例如当压电管的长度减小时足以引起光纤的变形。可选地，远端接合件具有横向刚度，该横向刚度在变形期间足以适应光纤的横向旋转。在实施例中，压电管具有足以适应位于远端接合件和近端接合件之间的光纤的变形的内径。在实施例中，远管端位于远光纤端和近管端之间，近光纤端延伸超过近管端，并且近管端位于近光纤端和远管端之间。

在实施例中，压电管包括多个电极，用于控制例如通过施加一个或多个电压来压电管端的远管端的横向偏转并用于控制压电管的长度。可选地，电压可以彼此叠加以引起同时变形和旋转。例如，可以同时向多个电极中的每个电极施加变形电压，以使压电管的长度沿纵向管轴改变，并且独立地施加到多个电极的不同旋转电压导致远管端例如以螺旋形配置横向偏转。

在特定实施例中，光纤扫描***包括：机械耦接到光纤的第一机电换能器，例如被配置为向光纤施加变形力的第一机电换能器；机械耦接到光纤的第二机电换能器，例如被配置为激励光纤的旋转的第二机电换能器。

应当理解，旋转和变形运动可以组合以增加光纤扫描器的视场，使其超过仅旋转光纤扫描器可获得的视场。可选地，变形力在幅度上周期性地增加。可选地，光纤的旋转幅度周期性地增加。可选地，使变形力的增加和旋转幅度的增加同步。可选地，压电部可以用作机电换能器，如上所述。

例如，光纤扫描***可包括：压电管；穿过压电管的光纤；机械耦接到压电管的支撑管；设置在支撑管内并机械耦接到光纤上的变形压电部。应当理解，光纤也可以穿过由变形压电部限定的内部空间。

应当理解，各种压电管可用于所公开的光纤扫描***和设备以及方法。例如，压电管可以可选地包括径向极化的压电管。可选地，压电管可包括压电堆叠。压电管可以具有足以适应光纤的变形的内径尺寸，例如大于光纤的外径的内径。直径的这种差异可允许光纤在压电管内部变形而不接触压电管的内表面。

在各种实施例中，压电管具有远管端和近管端。应当理解，术语远端和近端是引用组件的不同位置或端的相关术语。例如，光纤具有远光纤端和近光纤端。光纤的远光纤端可以向远端延伸超过压电管的远管端。例如，压电管的远管端可以位于光纤的远光纤端和压电管的近管端之间。光纤的近光纤端可以向近端延伸超过压电管的近管端。例如，压电管的近管端可以位于光纤的近光纤端和压电管的远管端之间。在实施例中，光纤的远光纤端是不受约束的。可选地，光纤未固定到近管端。

各种光纤可用于所公开的光纤扫描***和设备以及方法。例如，光纤可选地包括一个或多个包层、一个或多个芯、单模光纤、多模光纤、阶跃折射率光纤、光子晶体光纤、可见光学波导、红外光学波导、紫外光学波导和多个光纤。

为了实现光纤的变形，各种组件可以彼此机械地耦接。例如，光纤和压电管的远管端可以通过旋转远端接合件机械地耦接。如本文所用，“旋转远端接合件”和“远端旋转接合件”可互换使用。应当理解，旋转远端接合件可以具有沿管轴的轴向刚度，该轴向刚度足以引起光纤的变形。可选地，旋转远端接合件具有横向刚度，该横向刚度在变形期间足以适应光纤的横向旋转。在一些实施例中，旋转远端接合件具有沿管轴的轴向刚度，该轴向刚度在位于旋转远端接合件和变形远端接合件之间的距离减小了阈值量或更多时足以引起光纤的变形，阈值量例如小于约5μm、例如约0.01μm至约5μm之间或约0.1μm至约5μm之间的阈值量。

附加地或替代地，变形远端接合件机械地耦接光纤和变形压电部。如本文所用，“变形远端接合件”和“远端变形接合件”可互换使用。在实施例中，变形压电部具有远压电端和近压电端。例如，变形压电部的远压电端位于压电管的近管端和变形压电部的近压电端之间。可选地，光纤和变形压电部的远压电端通过变形远端接合件机械地耦接。例如，变形远端接合件沿光纤轴的移动可能导致位于变形远端接合件和旋转远端接合件之间的光纤的变形。

对于本文描述的***、设备和方法中使用的变形压电部，可以考虑各种配置。例如，变形压电部可选地包括第二压电管。可选地，变形压电部包括压电堆叠。

为了实现旋转运动，可以使用向压电管施加电压来改变压电管的尺寸特性。例如，压电管可以包括多个电极，例如用于通过施加一个或多个电压来控制压电管的远管端的横向偏转。可选地，所述多个电极包括沿所述压电管的长度延伸并且彼此成180°布置的第一电极对。可选地，所述多个电极包括沿所述压电管的长度延伸并且彼此成180°布置并且与所述第一电极对成90°布置的第二电极对。可选地，压电管的内表面为多个电极提供电压接地。

为了实现变形运动，可以使用向变形压电部施加电压来改变变形压电部的尺寸特性。例如，变形压电部可以包括多个电极，例如用于通过施加一个或多个电压来控制变形压电部的长度。

可以通过使用一个或多个电压源来实现向压电元件施加电压。例如，光纤扫描***还可以包括与压电管的多个电极电连通的电压源，例如将一个或多个旋转电压施加到多个电极的电压源。示例旋转电压具有介于约10kHz和约80kHz之间的频率。可选地或另外地，光纤扫描***还可以包括与变形压电部的多个电极电连通的电压源，例如向多个电极施加变形电压的电压源。示例性变形电压可具有介于约15Hz与约300Hz之间的频率或重复率。

在包括支撑管的实施例中，支撑管可具有远端和近端。例如，支撑管的远端和压电管的近管端可以通过旋转近端接合件机械地耦接。如本文所用，“旋转近端接合件”和“近端旋转接合件”可互换使用。支撑管的近端和变形压电部的近压电端可以通过变形近端接合件机械地耦接。如本文所用，“变形近端接合件”和“近端变形接合件”可互换使用。

设想了不同的光纤扫描***配置，其可包括上述特征中的一个或多个。例如，光纤扫描***可以包括：压电管，例如具有管轴、一个或多个横轴、远管端和近管端的压电管；穿过压电管的光纤；机械地耦接压电管的远管端和光纤的远端接合件，例如具有沿管轴的轴向刚度的远端接合件，该轴向刚度足以引起光纤的变形；以及机械地耦接压电管的近管端和光纤的近端接合件。可选地，远端接合件可以具有横向刚度，该横向刚度在变形期间足以适应光纤的横向旋转。可选地，远端接合件具有沿管轴的轴向刚度，当远端接合件和近端接合件之间的距离减小了至少阈值量，例如约5μm或更小、例如0.01μm和5μm之间、0.1μm和约5μm之间或1μm和5μm之间的阈值量时，该轴向刚度足以引起光纤的变形。应当理解，有用的压电管包括具有足以适应远端接合件和近端接合件之间的光纤的变形的内径的那些压电管。

在实施例中，光纤具有远光纤端和近光纤端，例如向远端延伸超过压电管的远管端的光纤的远光纤端。可选地，压电管的远管端位于光纤的远光纤端和压电管的近管端之间。可选地，光纤的近光纤端向近端延伸超过压电管的近管端。可选地，压电管的近管端位于光纤的近光纤端和压电管的远管端之间。应当理解，光纤的远光纤端可以是不受约束的。在实施例中，近光纤端向近端延伸超过压电管的近管端，并且远光纤端向远端延伸超过压电管的远管端。

压电管可包括多个电极，例如用于通过施加一个或多个电压来控制压电管端的远管端的横向偏转和压电管的长度。例如，多个电极包括沿压电管的长度延伸并且彼此成180°布置的第一电极对。可选地，多个电极包括沿压电管的长度延伸并且彼此成180°布置并且与第一电极对成90°布置的第二电极对。可选地，对多个电极施加变形电压导致压电管的长度改变，例如与旋转电压同时地。

应当理解，可以包括与多个电极电接触的电压源。电压源可以将一个或多个旋转电压施加到多个电极，例如具有在约10kHz和约80kHz之间的频率的一个或多个旋转电压。可选地，电压源将一个或多个旋转电压施加到多个电极，例如具有约等于光纤的悬臂部分的固有频率的频率的一个或多个旋转电压，该悬臂部分对应于光纤的位于远端接合件和光纤的远光纤端之间的区域。可选地，电压源可以替代地或另外地向多个电极施加变形电压，例如具有在约15Hz和约300Hz之间、例如约60Hz或约120Hz的频率的变形电压。

在另一方面，提供了扫描光纤的方法。例如，该方面的方法包括将第一电压施加到光纤扫描***以引起光纤的旋转、向光纤扫描***施加第二电压以引起光纤的变形。用于该方面的方法的光纤扫描***可以对应于本文所述的任何光纤扫描***，例如包括光纤、机械耦接到位于远光纤端和近光纤端之间的光纤并且被配置为向光纤施加变形力的第一机电转换器、以及机械地耦接到远光纤端和近光纤端之间的光纤并被配置为激励远光纤端的旋转的第二机电换能器的光纤扫描***。可选地，第一机电换能器包括多个电极，并且施加第二电压包括将第二电压施加到多个电极以引起变形力的纵向施加。可选地，第二机电换能器包括多个电极，并且施加第一电压包括将第一电压施加到多个电极以引起光纤的横向偏转，以激励远光纤端的旋转。在一些实施例中，光纤的旋转导致远光纤端偏转第一预定量。在一些实施例中，光纤的变形导致远光纤端偏转第二预定量，该第二预定量叠加在第一预定量上。

在特定实施例中，扫描光纤的方法可以包括将第一电压施加到光纤扫描***以引起光纤扫描***(例如本文描述的任何光纤扫描***)的光纤的旋转。作为一个示例，这种光纤扫描***可以包括压电管，例如包括用于通过施加第一电压来控制压电管的远管端的横向偏转的多个电极的压电管，以及穿过压电管的光纤。

第一电压可选地具有正弦分布，例如具有可变幅度的正弦分布。可选地，该方面的方法包括或进一步包括向光纤扫描***施加第二电压以引起光纤的变形。

作为另一个示例，可用于该方面的方法的光纤扫描***可以包括或进一步包括具有第二多个电极的变形压电部。可选地，施加第二电压包括将第二电压施加到第二多个电极以引起变形压电部的长度例如沿变形压电部轴向扩张或收缩。可选地，施加第二电压包括将第二电压施加到多个电极以引起压电管的轴向扩张或收缩。示例性第二电压包括具有在约15Hz和约300Hz之间、例如约60Hz或约120Hz的频率的那些。示例性的第二电压可以呈现锯齿形或三角形分布。可选地，可以在施加第二电压之前使用延迟。例如，施加第二电压可以包括在施加第一电压之后的预定时间量施加第二电压。应当理解，施加第二电压可以包括在光纤的旋转导致光纤偏转预定量之后施加第二电压。可选地，光纤的旋转使光纤偏转第一预定量，并且光纤的变形使光纤偏转叠加在第一预定量上的第二预定量。应当理解，光纤的旋转可以对应于以圆形路径、螺旋路径、以利萨茹(Lissajou)运动等移动的光纤的末端。

通过参考以下描述、权利要求和附图，前述内容以及其他特征和实施例将变得更加明显。

附图说明

图1提供了示例性光纤扫描***的示意图，其示出了使用光纤的变形的增加的光纤偏转。

图2A提供了光纤扫描***的压电管组件的示意图，图2B提供了压电管的旋转运动的示意概略图。

图3提供了一些实施例的示例性光纤扫描***的横截面的示意图。

图4提供了用于引起旋转运动的施加到光纤扫描***的压电管的不同电极的示例电压的曲线图。

图5提供了用于引起变形运动的施加到光纤扫描***的压电部的电极的示例电压的曲线图。

图6提供了一些实施例的示例性光纤扫描***的横截面的示意图。

图7提供了一些实施例的示例性光纤扫描***的横截面的示意图。

图8提供了一些实施例的示例性光纤扫描***的示意图。

图9提供了光纤扫描***实施例的光学图像。

具体实施方式

本文描述的是光纤扫描***和扫描光纤的方法的实施例。所公开的***和方法有利地通过引起光纤的一部分的变形来改善光纤扫描***中的光纤的扫描范围、振荡幅度和/或最大指向角。

应当理解，术语“变形”是指结构在压缩载荷下将呈现的特征形变。由于向结构的末端或结构内的两个点之间施加力，可能发生变形。变形可能导致结构的形变，该形变是横向的或者与施加的力的方向不同轴。通常在柱状或狭长(elongated)结构中观察到或表征变形，其中结构将在施加力的点之间变形、挠曲或弯曲，该施加的力可施加在结构的固定端处、在结构的自由端处或通常在结构的两个任意点之间。根据所施加的力的幅度、方向和位置、施加力如何快以及结构的材料特性，变形可以采用不同的模式。应当理解，变形的特征形状可以取决于变形结构的边界条件，例如结构的末端如何固定或支撑以及是否固定或支撑。本发明中采用的变形有利地利用变形模式，其中光纤的自由端的偏转通过沿光纤轴的点之间发生的变形而被放大或以其他方式增加。

图1提供了示例性光纤扫描***100的示意图。如图所示，光纤扫描***100包括压电管105和穿过压电管105的光纤110。应当理解，术语“压电部”可与术语“压电材料”、“压电换能器”、“压电致动器”和“压电器件”交换使用并且指表现出压电效应的材料，压电效应例如当材料形变时生成电压或者当电压或电场施加到材料上时的材料的形变。应当理解，各种压电材料可用于本文所述的***和方法。示例性压电材料包括某些陶瓷材料(例如锆钛酸铅(PZT))以及某些结晶材料(例如石英)。在各种实施例中，压电部可以通过受控地施加电压到压电材料以引起压电部的受控扩张、收缩或形变而用作致动器。压电部可以在压电部上的各个点之间施加电压，以提供以任何所需配置的扩张、收缩或形变，并且在特定配置中施加电压可以在适当设计的压电***中产生偏转或弯曲运动。例如，在一些实施例中，压电管可包括具有例如四个或更多个独立的电极的径向极化的压电管。压电部可以采用任何合适的形状用于特定应用。在一些实施例中，压电部被构造为管状结构，例如具有中心圆柱形开口的圆柱形结构。在其他实施例中，压电部被构造为圆柱形或立方体形状。压电部可以包含一个或多个电极，以简化到材料上的所需点的电压的施加或以其他方式使电压施加到材料上的所需点。

压电管105可具有远端155和近端160。例如，压电管105的远端可以是自由的，而压电管105的近端160可以固定到另一个对象或结构以限制压电管105的近端160相对于另一个对象或结构的运动。如本文所用，术语“远端”和“近端”旨在反映例如压电管或光纤的对象的相对位置。其他结构或对象也可以被识别为具有远端和近端位置。例如，光纤可具有远端和近端。术语远端和近端可以指对象的物理末端或者可以指限定特定区域的对象的位置。应当理解，近端和远端可以相对于单个主体或结构而指示。在一些实施例中，术语近端和远端可以与术语第一和第二、顶部和底部(或底部和顶部)、左和右(或右和左)等互换。在一个实施例中，术语近端可以是指机械地面，而术语远端指距机械地面一定距离。

压电管105包括内径，该内径大于光纤110的外径，使得在光纤110和压电管105的内表面之间存在空间。这种配置可以允许压电管105适应光纤110例如在变形区域115中的变形。可以理解，光纤110的外径和压电管105的内径之间的差异可以具有任何合适的大小，使得在变形期间光纤110不接触压电管105的内表面。然而，在一些配置中，光纤110与压电管105的内表面之间的接触可能导致复杂的变形运动。

光纤110可采用任何合适的配置。例如，光纤110可包括基于玻璃、基于聚合物或基于塑料的光纤。光纤110可以可选地包括芯和包层。光纤110可以可选地包括多芯光纤。光纤110可包括单模或多模光纤。光纤110可包括光子晶体光纤。光纤可包括可见光学波导、红外光学波导和/或紫外光学波导。光纤110可以可选地包括多个光纤。

光纤110的端之间的点可以固定到其他对象。例如，如图1所示，光纤110和压电管105的远端155可以在旋转远端接合件120处机械地耦接。光纤110可以固定在变形远端接合件125处。这种配置可以有利地允许光纤110在变形区域115中变形。应当理解，光纤110的变形可以通过旋转远端接合件120和变形远端接合件125之间的任何合适的相对运动来实现。例如，可以通过例如通过沿朝向旋转远端接合件120的方向移动变形远端接合件125来缩短旋转远端接合件120和变形远端之间的距离而引起变形。可选地，可以通过缩短压电管105的长度来实现光纤110在变形区域中的变形，使得旋转远端接合件朝向变形远端接合件125移动。

旋转远端接合件120可包括任何合适的材料以将光纤110机械地耦接到压电管105的远端155。有利地，旋转远端接合件120可沿与压电管105的管轴平行的方向呈现轴向刚度，其中当旋转远端接合件120和变形远端接合件125之间的距离缩短时，该轴向刚度足以允许光纤变形。可选地，当旋转远端接合件120和变形远端接合件125之间的距离减小了超过阈值量时，可发生光纤110的变形。示例性阈值量包括5μm或更小。可选地，轴向刚度可以等于或大于沿与压电管105的管轴垂直的一个或多个横向轴的横向刚度。

图1示出了光纤110的三种不同配置，以描绘可通过变形实现的光纤110偏转的优点。光纤110以蓝色的中性取向130示出，其中光纤不偏转。通过在压电管105上的点处适当施加电压，可以诱导压电管105经受旋转运动。旋转运动可以表示对象的末端的圆形、螺旋形、利萨如形或伪圆形运动。压电管105的旋转可以引起光纤110的远端也经历旋转运动，使得光纤110可以获得由绿色的旋转取向140描绘的最大旋转偏转。应当理解，旋转取向140可以表示光纤110的最大偏转，这可以通过单独旋转来实现。将进一步理解的是，图1中描绘的对象和元件的相对距离和尺寸未按比例绘制且仅用于说明目的，以便更清楚地描述本发明所实现的优点。红色的取向150可以表示光纤110的最大偏转，其可以通过位于旋转远端接合件120和变形远端接合件125之间的光纤110的旋转和变形的组合来实现。

应当理解，光纤110的变形可以在光纤110经历旋转运动时在光纤110的任何取向处发生。当光纤通过压电管105的旋转移位时，可能有利于光纤110的变形发生，使得变形的方向是可预测和/或可控的。例如，当光纤110处于中性取向130并且通过减小旋转远端接合件120和变形远端接合件125之间的距离来引起变形时，可以在任何方向上发生变形，这可能是不可预测的。通过在光纤已经通过压电管105的旋转运动(例如在取向140上)移位时引起光纤110的变形，变形的方向可以是可预测的并且与旋转运动相关，使得可以实现光纤110的偏转的增加，如取向150所示。

图2A提供了压电管200的横截面视图的示意图。如图所示，压电管200包括压电主体205、四个电极210、215、220和225以及中心开口230。电极210-225有利地允许施加电压以使压电管200在多个方向上形变。图2B描绘了通过向四个电极210-225施加适当的电压的以圆形模式(参考中性位置240)的压电管200的远端的运动(夸大的)。可以包括与压电管200的内表面电接触的内电极235，其可以对应于位于开口230的内表面上的镀层。可选地，内电极可以提供电压接地或全部其他电压都从其偏移的其他参考电压。可选地或另外地，一个或多个附加电极可以定位成与压电管200的一端或两端电接触。压电管200可以与本文所述的其他压电管(例如压电管105)相同或不同。

图4提供了示出用于压电管的远端的旋转的示例性压电驱动电压的曲线。例如，所描绘的压电驱动电压可以施加到四个电极210-225以引起压电管的远端的旋转并且反映约25kHz的驱动频率。其他频率可用于旋转电压，包括介于约10kHz和约80kHz之间、例如介于约15kHz和约40kHz之间或介于约40kHz和约75kHz之间的频率。应当理解，旋转电压的大小或幅度可以随时间的函数而变化，以便增大或减小旋转偏转。例如，旋转电压可以表现出大小或幅度从表示中性位置或零偏转的约0V到表示最大旋转偏转的最大大小或幅度的变化，以允许压电管200的远端遵循螺旋形偏转或旋转模式。2014年1月15日提交的美国专利申请14/156,366描述了压电驱动电压和用于引起光纤的旋转的合适电子器件的附加细节，该专利申请通过引用结合于此。

图3提供了示例性光纤扫描***300的示意图，其可以与图1中所示的光纤扫描***100相同或不同。光纤扫描***300包括压电管305、穿过压电管305的光纤310、机械地耦接到压电管305的支撑管315以及设置在支撑管315内并机械地耦接到光纤310的变形压电部320。如图所示，压电管305具有远管端325和近管端330；光纤310具有远光纤端335和近光纤端340；支撑管315具有远端345和近端350；变形压电部320具有远压电端355和近压电端360。

如图所示，光纤310和压电管305的远管端325在远端旋转接合件365处机械耦接；压电管305的近管端330和支撑管315的远端345在近端旋转接合件370处机械耦接；光纤310和变形压电部320的远压电端355在变形远端接合件375处机械耦接；变形压电部320的近压电端360和支撑管315的近端350在变形近端接合件380处机械地耦接。

如图所示，压电管305的远管端325位于光纤310的远光纤端335和压电管305的近管端330之间；压电管305的近管端330位于光纤310的近光纤端340和远管端325之间；变形压电部320的远压电端355位于压电管305的近管端330和变形压电部320的近压电端360之间。

当例如通过减小远端旋转接合件365和远端变形接合件375之间的距离来引起光纤310的变形时，光纤310在变形区域385(即，位于远端旋转接合件365和远端变形接合件375之间)中变形。压电管305的内径可以具有足够的直径，以适应光纤310在变形区域385中的变形，而光纤310不接触压电管305的内表面。

结构环可用于描述光纤扫描***300中的概念力流。应当理解，结构环可用于确定***刚度、对称性、动态响应等。还将理解，通过变形区域385的力流用于在横向运动中引起光纤的变形。横向运动可以放大远光纤端335相对于未变形配置的位移。横向运动可能由于远端变形接合件375沿位移方向的运动而产生，该位移方向是轴向方向(图3中的垂直方向)。在图3中，从近端变形接合件380处的图的底部开始，用于结构环的力从变形压电部320向上流动到远端变形接合件375、从远端变形接合件375径向地流动进入光纤310、沿光纤310向上流动到远端旋转接合件365、从远端旋转接合件365径向地流动进入压电管305、沿压电管305向下流动到近端旋转接合件370、从近端旋转接合件370径向地流动到支撑管315、沿支撑管315向下流动到近端变形接合件380以及从近端变形接合件380径向地流动回变形压电部320。可以理解，远端旋转接合件365和远光纤端335之间的光纤310的未被约束的部分落在结构环之外，表明光纤310的这部分基本上没有受到结构环中的力。然而，应当理解，光纤310在变形区域385中的变形可能影响远端旋转接合件365处的光纤310的取向。这可以允许将通过光纤310在变形区域385中的变形来实现的远光纤端335的偏转。

可以在远压电端355处或附近以及在近压电端360处或附近将电压施加至变形压电部320，以便引起变形位移。取决于配置，向变形压电部320施加电压可导致变形压电部320沿压电轴(例如在图3中的垂直方向上)扩张或收缩。如图3所示，变形压电部320沿压电轴的扩张将导致远端变形接合件375的位移，使得远端变形接合件375和远端旋转接合件365之间的距离减小，以引起光纤310在变形区域385中的变形。

图5提供了示出用于驱动变形压电部以引起作为时间的函数的光纤的增加的变形的示例性变形驱动电压的曲线图。图5中所示的锯齿电压分布的重复率约为50Hz，这可以表示用于包含光纤扫描***的光纤扫描显示器的显示器的帧速率或刷新率。应当理解，可以使用其他变形驱动电压和配置。例如，可以使用其他重复频率，例如约15Hz和约300Hz之间的频率，包括约23.976Hz、约24Hz、约25Hz、约29.97Hz、约50Hz、约59.94Hz、约60Hz、约85Hz、约120Hz和约240Hz的共同帧速率或刷新率。可以使用其他电压分布，例如三角形分布、正弦分布、梯形分布、方形分布等。另外，变形驱动电压分布可以包括零电压的时段，例如在循环的开始时，其可以表示在光纤的变形开始之前的延迟。包括延迟可能是有用的，例如，以允许旋转电压在引入变形运动的施加之前在光纤中首先生成合适大小的偏转。以这种方式，可以控制变形的方向以匹配偏转的方向，而不是引起可能在低或零初始旋转位移处发生的随机变形。

应当理解，本文所述的光纤扫描***中使用的变形压电部可以采用任何合适的配置并且可以包括例如位于变形压电部的相对端的一个或多个电极。如图3所示，变形压电部320被配置为管状压电部。使用用于变形压电部的管状压电部可能是有利的并且提供圆柱对称的配置。设想了其他实施例，例如其中变形压电部包括一个或多个单独的非管状压电部。可选地，变形压电部可以包括或以其他方式包括压电堆叠，其对应于堆叠在一起的多个独立的压电元件。应当理解，包括管状压电部、压电堆叠等的压电部可以是商业可获得的。可选地，压电堆叠可以指多个独立的压电材料层的构造，这些压电材料层并联电连接，使得单个电压可以同时施加到独立的压电材料层中的每一个上或者跨独立的压电材料层中的每一个施加。在一些实施例中，压电堆叠的使用可能是有利的，因为压电堆叠对于特定电压可以表现出比类似尺寸的单个压电元件更大的总位移。

图6提供了示例性光纤扫描***600的示意图，该***包括含有压电堆叠的变形压电部。图6中描绘的光纤扫描***600与图3中所示的光纤扫描***300类似。例如，光纤扫描***600包括压电管605、穿过压电管605的光纤610、机械耦接到压电管605的支撑管615以及设置在支撑管615内并且机械耦接到光纤610的变形压电堆叠620。如图所示，压电管605具有远管端625和近管端630；光纤610具有远光纤端635和近光纤端640；支撑管615具有远端645和近端650；变形压电堆叠620具有远压电端655和近压电端660。应当理解，虽然压电堆叠620被示出为具有五个独立的压电组件，但是压电堆叠中可以包括更多或更少的独立的压电组件。

如图所示，光纤610和压电管605的远管端625在远端旋转接合件665处机械耦接；压电管605的近管端630和支撑管615的远端645在旋转近端接合件670处机械耦接；光纤610和变形压电堆叠620的远压电端655在远端变形接合件675处机械耦接；变形压电堆叠620的近压电端660和支撑管615的近端650在变形近端接合件680处机械耦接。光纤610的变形发生在变形区域685中，变形区域685位于远端旋转接合件665和远端变形接合件675之间。

在操作时，可以例如通过压电管605的一个或多个电极向压电管605提供一个或多个电压以引起压电管605的远管端625的运动。类似地，可以例如通过变形压电堆叠620的一个或多个电极向变形压电堆叠620提供一个或多个电压以引起变形压电堆叠620沿变形压电堆叠的管轴的轴向扩张和/或收缩。可以定位一个或多个电压源与压电管605和压电堆叠620的电极电连通或电接触。如上面参照图4和5所述，可以通过一个或多个电压源将具有约10kHz和约80kHz之间的频率的旋转电压施加到压电管605，以例如在远端旋转接合件665和远光纤端635之间的位置处引起压电管605的远管端625和光纤610的旋转。可以通过一个或多个电压源将具有在约15Hz和约300Hz之间的重复频率的变形电压施加到变形压电堆叠620，以引起变形压电堆叠620的扩张和/或收缩。

在图3和6中描述的配置中，通过扩张变形压电部或变形压电堆叠来实现光纤的变形。然而，可以设想这样的配置，其中通过使压电部收缩来实现变形。例如，在另一种配置中，远端变形接合件可以机械地附到近端旋转接合件，并且代替在远端变形接合件处机械地耦接到变形压电部或变形压电堆叠的光纤，光纤可以在近端变形接合件处机械地耦接到变形压电部或压电堆叠使得变形区域扩张到远端旋转接合件和近端变形接合件之间的区域。为了在该替代配置中引起光纤的变形，变形压电部或变形压电堆叠沿压电部轴的收缩将导致近端变形接合件的位移，使得近端变形接合件和远端旋转接合件之间的距离减少。由于压电管和变形压电部或变形压电堆叠的机械耦接，这种配置可以提供许多优点，包括可选地消除支撑管。

本文进一步考虑了附加的光纤扫描***配置，其中单个压电管用于旋转和变形两者。例如，图7提供了使用用于光纤的变形和旋转的单个压电管的光纤扫描***700的示意图。光纤扫描***700包括压电管705和穿过压电管705的光纤710。压电管705具有远管端715和近管端720，并且光纤710具有远光纤端725和近光纤端730。压电管705的远管端715位于光纤710的远光纤端725和压电管705的近管端720之间。近管端720位于光纤710的近光纤端730和压电管705的远管端715之间。

光纤扫描***还包括远端接合件735和近端接合件740，远端接合件735机械地耦接压电管705的远管端715和光纤710，近端接合件740机械地耦接压电管705的近管端720和光纤710。有利地，远端接合件735和近端接合件740表现出机械特性，以便于光纤710在远端接合件735和近端接合件740之间的变形区域745中的变形。例如，远端接合件735可呈现沿压电管的轴的轴向刚度，该轴向刚度具有足够的大小以准许通过缩短远端接合件735和近端接合件740之间的压电管705的长度而导致的光纤710的变形。远端接合件735可呈现沿与压电管705的管轴垂直的一个或多个横向方向的横向刚度，该横向刚度具有足够的大小以适应光纤的横向或角度偏转，使得位于远端接合件735和近端接合件740之间的光纤的变形导致光纤710的远光纤端725的位移。可选地，远端接合件735的轴向刚度可小于或约等于远端接合件735的横向刚度。另外或替代地，近端接合件740可以呈现沿压电管705的轴的轴向刚度，其具有足够的大小以允许通过缩短远端接合件735和近端接合件740之间的压电管705的长度导致的光纤710的变形。在一些实施例中，对近端接合件740的横向或轴向刚度没有施加约束。可选地，近端接合件740的横向刚度具有足以提供固定且不可旋转的接合件的大小，使得在近端接合件740处的光纤710的角度偏转被阻止。

为了实现压电管705的期望的旋转和变形运动，可以将电压施加到具有不同频率特性的压电管705。如上所述并参考图4和5及相关描述，旋转电压可以具有比变形电压高的频率。变形和旋转电压可以作为变形电压和旋转电压的叠加施加到压电管705。以这种方式，压电管705的总长度可以通过施加到例如压电管705的四个电极中的每一个的电压的共同变形分布分量来控制，而压电管705的旋转运动可以是通过施加到四个电极的电压中的每一个的各个旋转电压分量来控制。

图8A-8C提供了基于毂和框架的旋转机构的示意图，该旋转机构对于所公开的光纤扫描***是有用的。图8A示出了光学扫描***800的第一侧的透视图。光学扫描***800包括锥形光纤805。从锥形光纤805的远端810发射的光被投射。光学扫描***800还包括由压电元件825(图8A中不可见)驱动的框架815和毂820。压电元件825耦接到框架815和毂820，以协同地以预定模式引起锥形光纤805的振荡。

图8A示出了毂820和框架815之间的间隙830。在一些实施例中，毂820可以被配置为在适当位置旋转或增加以实现锥形光纤805的期望扫描模式，并且在其他实施例中，毂820可以被配置为横向移位以引起期望的扫描模式。虽然毂820被描绘为具有圆形形状，但是应当理解，诸如椭圆形、矩形和其他多边形几何形状的许多其他形状也是可能的。

图8B示出了毂820如何通过多个柔性部835耦接到框架815。柔性部835可以具有合并在框架815和/或柔性部835内的应变传感器。压电元件825的致动纵向地延伸和收缩以例如以圆形模式机动操纵(maneuver)锥形光纤805的远端810的模式机动操纵毂。这种移动可以通过顺序致动压电元件825来实现。例如，可以首先致动第一压电元件，然后是第二压电元件，其位于第一压电元件的顺时针或逆时针附近，接着是第三压电元件和第四压电元件。致动可以遵循例如如图4所示的控制信号。尽管示出了四个压电元件，但是可以使用两个或更多个压电元件(例如，2-20个)。例如，当仅使用两个压电元件时，每个元件可用于首先在一个方向上扩张以生成第一横向偏转，然后收缩以生成与第一横向偏转相对的第二横向偏转。在一些实施例中，可以同时致动毂820的相对侧上的压电元件，例如其中一个压电元件纵向延伸而另一个压电元件纵向收缩。在一些实施例中，压电元件位于毂820的相对侧上。通过改变压电元件的致动，可以实现变化的扫描图案。

图8C示出了毂820的特写图，其中压电元件825通过柔性部835附到毂820。应变传感器840可以邻近柔性部835或延伸穿过柔性部835。应变传感器840可以被配置为监测毂820和锥形光纤805的移动。应变传感器840可以被配置为监测柔性部835的扭曲和变形。由应变传感器840监测的柔性部835的扭曲和变形可以用于执行闭环反馈控制以实现一致的期望扫描模式。在一些实施例中，每个柔性部可包括多个应变传感器840，以测量柔性部835中的每一个所经历的不同类型的应力。图8D还示出了压电元件825如何布置在框架815的通道845上方和/或内部的特写图。通道845可以布置和成形为在毂820的致动和移动期间适应压电条带825的横向运动。

图8D示出了基于毂和框架致动的旋转机构的侧横截面视图，该旋转机构合并到具有变形致动的光纤扫描***中。如图所示，框架815机械地耦接到变形压电部850的远端。变形压电部850通过元件855机械地附到变形压电元件850的近端，元件855可以对应于近端变形接合件。通过压缩元件855和毂820之间的距离，可以引起锥形光纤805沿横向方向变形，如图8D中的箭头860所示。变形致动可以遵循图5中描绘的控制信号，例如，其中当锥形光纤805的远端810经历旋转(例如沿螺旋模式)时，变形可随时间增加。虽然图8D示出了压电元件825位于变形压电部850内部，但是实施例可以包括压电元件825位于框架815和毂820的相对侧并且更靠近光纤805的锥形部分的位置。也可以考虑压电元件825位于间隙830内的配置。

应当理解，当在光纤扫描显示器中使用时，正弦信号的旋转电压可以具有随时间的函数而增加的幅度，这可能导致光纤的远端例如沿螺旋模式并且此外且进一步地从零位置开始被最大程度地偏转。最小到最大正弦幅度变化可以具有与显示器的刷新或帧速率匹配的重复率。变形电压幅度可以类似地随时间的函数而增加，其中重复率与显示器的刷新或帧速率匹配。可选地，可以同步这些幅度增加。可选地，变形电压的施加可以延迟特定的时间量以便用于开始旋转光纤，使得变形可以在变形方向可预测的并且在变形方向与旋转方向匹配的时间发生，因为在一些实施例中，在低偏转或零偏转时，变形电压的施加可能导致在不可预测的方向上发生变形。附加地或替代地，可以将变形电压的施加延迟特定的时间量，直到需要通过变形实现的附加偏转增益，例如在旋转偏转靠近、接近或以其他方式达到其最大范围的时间附近。

本文还公开了用于扫描光纤的方法。在一般方法中，将第一电压施加到光纤扫描***以引起光纤的旋转；进一步将第二个施加到光纤扫描***以引起光纤的变形。可以理解，本文描述的任何光纤扫描***都可以与所公开的方法一起使用，例如图1、3、6、7和8A-8D中所示的任何光纤扫描***。例如，第一电压可以施加到压电管，第二电压可以施加到变形压电部。在另一个示例中，第一和第二电压都施加到单个压电管。可选地，叠加第一和第二电压。

第一电压可以具有表示与旋转光纤相关联的运动的频率并且可以对应于一个或多个正弦电压分布，其可以增加幅度以便以螺旋图案旋转光纤。第一电压的频率可以匹配或近似匹配光纤的振荡部分的固有谐振频率。根据配置，该频率可落在约10kHz至约80kHz的范围内。第一电压还可以表现出较慢的表示显示器的刷新或帧速率的重复频率，在此期间重复高频旋转电压以以重复的螺旋运动旋转光纤。

与变形运动相关联的第二电压还可以具有表示显示器的刷新或帧速率的重复频率。取决于配置，该频率可以落在约15Hz至约300Hz的范围内，并且可以使用与60Hz或120Hz的共同刷新率匹配的重复频率。如上所述，第二电压可以具有正方形、锯齿形、三角形、梯形或其他分布。可选地，第二电压可以在每次重复期间增加幅度，并且还可以包括一个或多个恒定或减小电压的时段。可选地，第二电压幅度的增加可以与第一电压的幅度的增加的全部或部分同步。

应当理解，本文描述的光纤扫描***中可以包括更多或更少的组件。例如，光纤扫描***可包括与压电部(例如压电管和/或变形压电部或压电堆叠)电连通或电接触的一个或多个电压源。可用于本文描述的***和方法的电压源包括计算机控制的电压源、可编程电压源等。施加到压电材料的电压可以采用任何合适的大小。例如，本文所述的方法和***可以使用低压压电材料，其可以通过施加具有约0V和约150V之间的大小的电压来驱动。可选地，可以采用更高或更低的最大电压压电部。应当理解，在一些实施例中，计算机可以生成控制电压，例如介于约0V和约10V之间或者介于约-10V和约10V之间的电压，并且该控制电压可以用于驱动可编程电压源(例如电压驱动器或放大器)作为可编程电压源的输入信号。然后，可编程电压源可以将输入信号转换和/或放大到更高的电压信号，例如在约0V和约100V之间或者在约-100V和约100V之间，以驱动压电部或压电堆叠。

可选地，本文描述的***和方法可以使用光源。例如，光纤扫描***可包括光学耦接到光纤的一个或多个光源，以允许电磁辐射被波导和/或以其他方式穿过光纤，以在光纤的远光纤端处生成电磁辐射输出。这种配置可以至少部分地对应于光纤扫描显示器。光源可以是可切换的、计算机控制的和/或可编程的。当通过旋转和/或变形移动光纤的远光纤端时通过同步控制由光源生成的输出的定时，可以输出光学图像。应当理解，各种光源对于本文公开的***和方法是有用的，包括但不限于激光光源、发光二极管等。光源可以包括多个波长源或单个波长源。使用多个波长源可用于生成全色图像。

可选地，光纤扫描***可以包括一个或多个光学组件以便于光源与光纤的光学耦接，例如透镜、棱镜、滤光器等。可选地，一个或多个光学组件可以光学耦接到光纤以便于通过光纤扫描***输出图像，例如透镜、滤光器或其他元件，其可选地定位成与光纤的远光纤端光学连通。

通过参考以下非限制性示例可以进一步理解本发明。

具有变形压电致动器的光纤扫描***

与图7中所示的光纤扫描***类似的光纤扫描***如下构造。将直径约125μm的光纤***4电极径向极化的压电管中。光纤具有约2.5mm的位于压电管的远端和光纤的远端之间悬臂长度。光纤固定到压电管的近端上的近端变形接合件。压电管具有从远端到近端变形位置的约2.4mm的长度。将增加幅度的正弦电压施加到每个电极，相位偏移90度以引起振荡旋转运动。将三角电压施加到全部电极，作为到正弦电压中的每一个的偏移，以引起用于变形运动的压电管的总长度的变化。图9中提供了构造的光纤扫描器***的照片，其示出了(从顶部顺时针方向)俯视图、上侧视图、中间侧视图、下侧视图和替代的下侧视。

已经使用的术语和表达用作描述的术语而非限制，并且无意使用这些术语和表达来排除所示出和描述的特征的任何等同物或其部分，但是应认识到，在要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应该理解，尽管已经通过优选实施例和可选特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以采用本文公开的概念的修改和变化，并且这些修改和变化被认为是在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的示例性实施例的以上描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所描述的精确形式，并且鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够在各种实施例中利用本发明并且具有适合于预期的特定用途的各种修改。

当本文公开了一组取代基时，应理解这些基团的所有单独成员和可使用取代基形成的所有亚组和类别是分开地公开的。当在本文中使用马库什组或其他分组时，该组的所有单独成员以及该组可能的所有组合和子组合都旨在单独地包括在本公开中。如本文所使用的，“和/或”意味着由“和/或”分开的列表中的项中的一个、全部或任何组合被包括在列表中；例如，“1、2和/或3”相当于“单独1、单独2、单独3、1和2两者、1和3两者、2和3两者、或1、2和3全部”。

除非另有说明，否则所描述或举例说明的组分的每种制剂或组合可用于实施本发明。材料的具体名称旨在是示例性的，因为已知本领域普通技术人员可以不同地命名相同的材料。本领域普通技术人员将理解，除了那些具体示例的那些之外的方法、装置元件和起始材料可以用于本发明的实践中而无需借助于过度的实验。任何此类方法、装置元件和起始材料的所有本领域已知的功能等同物都包括在本发明中。无论何时在规范中给出范围，例如，温度范围、时间范围、频率范围或组成范围，所有中间范围和子范围以及给定范围中包括的所有单个值都旨在包含在本公开中。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以以任何合适的方式组合本文描述的不同实施例的全部或部分。然而，本发明的其他实施例可以涉及与每个单独方面或这些单独方面的特定组合相关的特定实施例。

Claims (29)

1.一种光纤扫描***，包括：

光纤，其具有远光纤端和近光纤端；

第一机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第一机电换能器被配置为通过降低所述第一机电换能器在所述第一机电换能器的远变形端和所述第一机电换能器的近变形端之间的长度来向所述光纤施加变形力；以及

第二机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第二机电换能器被配置为激励所述远光纤端的旋转。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述远光纤端是不受约束的。

3.根据权利要求1所述的***，其中，所述变形力在幅度上周期性地增加，其中用于所述光纤的旋转的旋转幅度周期性地增加，并且其中所述变形力的增加和所述旋转幅度的增加是同步的。

4.根据权利要求1所述的***，其中，机械地耦接所述第一机电换能器和所述光纤的第一接合件具有沿与所述光纤的纵向轴平行的轴的第一轴向刚度，其中机械地耦接所述第二机电换能器和所述光纤的第二接合件具有沿与所述光纤的所述纵向轴平行的所述轴的第二轴向刚度，以及其中当所述第一接合件与所述第二接合件之间的距离减小了0.1μm至5μm之间的距离时，所述第一轴向刚度和所述第二轴向刚度足以引起所述光纤的变形。

5.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一机电换能器对应于具有所述远变形端和所述近变形端的变形压电部，以及其中所述光纤机械地耦接到所述远变形端、所述近变形端或者所述远变形端和所述近变形端两者。

6.根据权利要求5所述的***，其中，所述变形压电部是压电管或压电堆叠，以及其中所述光纤穿过所述压电管或所述压电堆叠。

7.根据权利要求5所述的***，其中，所述变形压电部包括用于通过施加一个或多个电压来控制所述变形压电部的长度的多个电极。

8.根据权利要求5所述的***，其中，通过减小位于所述远变形端与所述近变形端之间的所述变形压电部的长度将所述变形力施加到所述光纤。

9.根据权利要求1所述的***，其中，所述第二机电换能器对应于具有远管端和近管端的旋转压电管，其中所述光纤穿过所述旋转压电管，以及其中所述远管端通过旋转远端接合件机械地耦接到所述光纤。

10.根据权利要求9所述的***，其中，所述光纤机械地耦接到所述远管端、所述近管端或者所述远管端和所述近管端两者。

11.根据权利要求9所述的***，其中，所述旋转压电管包括用于通过施加一个或多个电压来控制所述远管端的横向偏转的多个电极。

12.根据权利要求9所述的***，还包括支撑管，所述支撑管机械地耦接到所述旋转压电管和所述第一机电换能器，其中所述第一机电换能器位于所述支撑管内。

13.根据权利要求9所述的***，其中，所述远光纤端延伸超过所述远管端，以及其中所述远管端位于所述远光纤端与所述近管端之间。

14.根据权利要求9所述的***，其中，所述近光纤端延伸超过所述近管端，其中所述近管端位于所述近光纤端与所述远管端之间，以及其中所述光纤未固定到所述近管端。

15.根据权利要求9所述的***，其中，所述旋转压电管具有足以适应所述光纤的变形的内径。

16.根据权利要求9所述的***，其中，所述旋转远端接合件具有沿所述旋转压电管的纵向轴的轴向刚度，其中所述轴向刚度足以引起所述光纤的变形，以及其中所述旋转远端接合件具有在变形期间中足以适应所述光纤的横向旋转的横向刚度。

17.根据权利要求9所述的***，其中，所述第一机电换能器对应于具有所述远变形端和所述近变形端的变形压电部，其中所述远变形端位于所述近管端与所述近变形端之间，其中所述光纤和远变形端通过变形远端接合件机械地耦接，以及其中所述变形远端接合件沿纵向光纤轴的移动导致位于所述变形远端接合件与所述旋转远端接合件之间的所述光纤的变形。

18.根据权利要求17所述的***，还包括支撑管，所述支撑管机械地耦接到所述旋转压电管和所述变形压电部，其中所述变形压电部位于所述支撑管内，其中所述支撑管具有远端和近端，其中所述支撑管的所述远端和所述近管端通过旋转近端接合件机械地耦接，以及其中所述支撑管的所述近端和所述近变形端通过变形近端接合件机械地耦接。

19.根据权利要求1所述的***，其中，所述第二机电换能器包括毂、围绕所述毂的框架以及机械地耦接到所述框架和所述毂的多个横向机电换能器，其中所述光纤穿过所述毂，以及其中所述毂通过旋转接合件机械地耦接到所述光纤。

20.根据权利要求19所述的***，其中，所述第二机电换能器还包括多个柔性部，所述柔性部从所述毂径向延伸并将所述毂耦接到所述框架。

21.根据权利要求19所述的***，其中，所述横向机电换能器对应于包括电极的压电元件，所述电极用于控制所述毂的横向偏转以激励所述远光纤端的旋转。

22.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一机电换能器和所述第二机电换能器包括压电管，其中所述压电管具有远管端和近管端，其中所述光纤穿过所述压电管，以及其中远光纤端延伸超过所述远管端，其中所述远管端和所述光纤在远端接合件处被机械地耦接，其中所述近管端和所述光纤在近端接合件处被机械地耦接，其中所述远端接合件和所述近端接合件具有足以引起所述光纤的变形的沿所述压电管的纵向轴的轴向刚度，其中所述远端接合件具有在变形期间足以适应所述光纤的横向旋转的横向刚度，以及其中所述压电管具有足以适应位于所述远端接合件与所述近端接合件之间的所述光纤的变形的内径。

23.根据权利要求22所述的***，其中，所述远管端位于所述远光纤端与所述近管端之间，其中所述近光纤端延伸超过所述近管端，以及其中所述近管端位于所述近光纤端与所述远管端之间。

24.根据权利要求22所述的***，其中，所述压电管包括多个电极，所述多个电极用于通过施加一个或多个电压来控制所述远管端的横向偏转以及用于控制所述压电管的长度。

25.根据权利要求24所述的***，其中，同时施加到所述多个电极的变形电压导致所述压电管的长度沿纵向管轴改变，以及其中独立地施加到所述多个电极的不同旋转电压导致所述远管端以螺旋形配置横向偏转。

26.一种扫描光纤的方法，包括：

将第一电压施加到光纤扫描***以引起光纤的旋转，其中所述光纤扫描***包括：

光纤，其中所述光纤具有远光纤端和近光纤端；

第一机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第一机电换能器被配置为通过降低所述第一机电换能器在所述第一机电换能器的远变形端和所述第一机电换能器的近变形段之间的长度来向所述光纤施加变形力；以及

第二机电换能器，其机械地耦接到位于所述远光纤端与所述近光纤端之间的所述光纤，其中所述第二机电换能器被配置为激励所述远光纤端的旋转；以及

向所述光纤扫描***施加第二电压以引起所述光纤的变形。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一机电换能器包括多个电极，以及其中施加所述第二电压包括将所述第二电压施加到所述多个电极以引起所述变形力的纵向施加。

28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第二机电换能器包括多个电极，以及其中施加所述第一电压包括将所述第一电压施加到所述多个电极以引起所述光纤的横向偏转以激励所述远光纤的旋转。

29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述光纤的旋转导致所述远光纤端偏转第一预定量，以及其中所述光纤的变形导致所述远光纤端偏转第二预定量，所述第二预定量叠加在所述第一预定量上。

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