KR102573220B1 - 섬유 스캐닝 디스플레이에 대한 다중-엘리먼트 링키지를 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents
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Abstract
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스 및 종방향 축에 평행한 방향으로 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크를 포함한다. 제1 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스에 결합되고 베이스로부터 연장되는 복수의 부가적인 링크들 및 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 포함한다. 제1 섬유 링크 및 복수의 섬유 링크들은 유지 칼라에 결합된다.
Description
[0001] 본 출원은 2016년 12월 22일에 출원되고 발명의 명칭이 "Methods and Systems for Multi-Element Linkage for Fiber Scanning Display"인 미국 가특허 출원 번호 제 62/438,415호에 대해 우선권을 주장하고, 이로써 이 가출원의 개시내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 인용에 의해 통합된다.
[0002] 다음 정식 미국 특허 출원들(이 출원 포함)은 동시에 출원되고, 그리고 다른 출원들의 전체 개시내용은 모든 목적들을 위해 이 출원에 인용에 의해 통합된다:
2017년 12월 21일에 출원되고, 발명의 명칭이 "METHODS AND SYSTEMS FOR FABRICATION OF SHAPED FIBER ELEMENTS FOR SCANNING FIBER DISPLAYS"인 미국 특허 출원 번호 출원 번호 15/851,005 (위임 도킷 번호 101782-1060973-002210US);
2017년 12월 21일에 출원되고, 발명의 명칭이 "METHODS AND SYSTEMS FOR FABRICATION OF SHAPED FIBER ELEMENTS USING LASER ABLATION"인 미국 특허 출원 번호 15/851,049 (위임 도킷 번호 101782-1060976-002310US); 및
2017년 12월 21일에 출원되고, 발명의 명칭이 "METHODS AND SYSTEMS FOR MULTI-ELEMENT LINKAGE FOR FIBER SCANNING DISPLAY"인 미국 특허 출원 번호 출원 번호 15/851,317 (위임 도킷 번호 101782-1060978-002410US).
[0003] 현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들에 대한 시스템들의 개발을 가능하게 하였고, 여기서 디지털적으로 재생된 이미지들 또는 이의 부분들은, 실제인 것으로 보이거나 실제로 인식될 수 있는 방식으로 사용자에게 제시된다. 가상 현실, 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실-세계 시각 입력에 대한 투명성 없이 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 포함하고; 증강 현실, 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 뷰어 주변 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 포함한다.
[0004] 이들 디스플레이 기술들에서 이루어진 진보에도 불구하고, 증강 현실 시스템들, 특히 디스플레이 시스템들에 관련된 개선된 방법들 및 시스템들이 당업계에 필요하다.
[0005] 본 발명은 일반적으로 섬유 스캐닝 투사 디스플레이 시스템들에 관련된 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 스캐닝된 섬유들이 평면에서, 평면들의 세트에서, 또는 아크를 따라 진동할 수 있게 하는 다중-엘리먼트 링키지(linkage)들을 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다. 본 발명은 컴퓨터 비전(vision) 및 이미지 디스플레이 시스템들의 다양한 애플리케이션들에 적용가능하다.
[0006] 본 발명의 실시예에 따라, 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너(scanner)가 제공된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스 및 종방향 축에 평행한 방향으로 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크를 포함한다. 제1 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스에 결합되고 베이스로부터 연장되는 복수의 부가적인 링크들 및 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라(retention collar)를 포함하고, 제1 섬유 링크 및 복수의 섬유 링크들은 유지 칼라에 결합된다. 복수의 부가적인 링크들은 종방향 축에 실질적으로 평행한 방향으로 베이스로부터 연장될 수 있다. 동작 동안, 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스 평면과 평행한 축을 따라 전자기 이미징 방사선을 스캔(scan)할 수 있다.
[0007] 본 발명의 다른 실시예에 따라, 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 클래딩(cladding) 구역 및 섬유 코어를 가진 광섬유 케이블을 제공하는 단계 및 광섬유 케이블의 클래딩 구역 내의 일련의 미리결정된 위치들에 레이저 빔을 포커싱하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 미리결정된 위치들에 복수의 손상 부위(site)들을 생성하는 단계, 광섬유 케이블을 에천트(etchant) 용액에 노출시키는 단계, 및 복수의 손상 부위들을 우선적으로 에칭하는 단계를 포함하여 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스, 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라, 섬유 코어를 포함하고, 베이스 평면을 통과하며, 그리고 유지 칼라에 결합되는 제1 섬유 링크, 및 베이스에 결합되고, 베이스로부터 유지 칼라로 연장되고, 그리고 유지 칼라에 결합되는 복수의 부가적인 링크들을 형성한다.
[0008] 예로서, 방법은 미리결정된 위치들에서 복수의 손상 부위들을 생성하는 동안 종방향 축을 중심으로 광섬유 케이블을 회전시키는 단계를 더 포함한다. 게다가, 미리결정된 위치들에 복수의 손상 부위들을 생성하는 단계는 클래딩 구역을 통해 섬유 코어를 향해 통과하는 복수의 방사상 비아(via)들을 포함할 수 있는 손상 부위들의 격자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현에서, 미리결정된 위치들에 복수의 손상 부위들을 생성하는 단계는 처음에 섬유 코어에 인접한 복수의 손상 부위들의 제1 부분을 생성하는 단계 및 후속하여 클래딩 구역의 주변부에 인접한 복수의 손상 부위들의 제2 부분을 생성하는 단계를 포함한다. 섬유 클래딩 및 섬유 코어 외에, 광섬유 케이블은 클래딩 구역에 배치된 복수의 희생 구역들을 포함할 수 있다. 복수의 희생 구역들은 공기 공동들일 수 있거나 클래딩 구역보다 더 높은 에칭 속도를 가진 재료를 포함할 수 있다.
[0009] 본 발명의 특정 실시예에 따라, 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 적어도 하나의 섬유 도파관, 섬유 지지부들 및 희생 재료에 대한 구조적 전구체들을 포함하는 프리폼(preform)을 제조하는 단계, 및 섬유 구조를 형성하기 위해 프리폼을 드로잉(drawing)하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 섬유 구조를 에천트 용액에 노출시키는 단계 및 희생 재료를 우선적으로 에칭하는 단계를 포함하여, 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스, 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라, 적어도 하나의 섬유 도파관을 포함하고, 베이스 평면을 통과하며, 그리고 유지 칼라에 결합되는 제1 섬유 링크, 및 베이스에 결합되고, 베이스로부터 유지 칼라로 연장되고, 그리고 유지 칼라에 결합되는 복수의 섬유 지지부들을 형성한다.
[0010] 본 발명의 다른 특정 실시예에 따라, 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법이 제공된다. 방법은 전자기 방사선의 소스를 제공하는 단계 및 전자기 방사선을 소스로부터 제1 섬유 링크를 통해 지향시키는 단계를 포함한다. 제1 섬유 링크는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스를 통과한다. 방법은 또한 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 지지하는 단계를 포함한다. 복수의 부가적인 링크들은 베이스와 유지 칼라를 결합한다. 방법은 베이스 평면에서 베이스를 병진시키는 단계, 베이스 평면에 평행한 평면들의 세트에서 유지 칼라를 병진시키는 단계, 및 하나 이상의 축들에서 전자기 방사선을 스캐닝하는 단계를 더 포함한다.
[0011] 본 발명의 특정 실시예에 따라, 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너가 제공된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스 및 종방향 축에 평행한 방향으로 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크를 포함한다. 제1 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스에 결합되고 종방향 축을 따라 베이스로부터 연장되는 복수의 작동 엘리먼트들 및 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 포함한다. 복수의 작동 엘리먼트들은 제1 섬유 링크 둘레에 어레이될 수 있다. 제1 섬유 링크 및 복수의 작동 엘리먼트들은 유지 칼라에 결합된다. 동작 동안, 제1 섬유 링크는 베이스 평면과 평행한 축을 따라 전자기 이미징 방사선을 스캔하도록 동작가능하다.
[0012] 본 발명의 다른 특정 실시예에 따라, 다중-축 섬유 스캐너를 동작시키는 방법이 제공된다. 방법은 전자기 방사선의 소스를 제공하는 단계 및 전자기 방사선을 소스로부터 제1 섬유 링크를 통해 지향시키는 단계를 포함한다. 제1 섬유 링크는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스를 통과한다. 방법은 또한 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 지지하는 단계를 포함한다. 복수의 압전기 작동기들은 베이스와 유지 칼라를 결합시킨다. 복수의 압전기 작동기들 중 제1 압전기 작동기는 베이스의 일 측을 유지 칼라의 일 측에 결합시킨다. 복수의 압전기 작동기들 중 제2 압전기 작동기는 베이스의 반대 측을 유지 칼라의 반대 측에 결합시킨다. 제1 압전기 작동기 및 제2 압전기 작동기는 스캐닝 평면에 놓인다. 방법은 베이스의 일 측으로부터 유지 칼라의 일 측까지의 거리를 감소시키기 위해 복수의 압전기 작동기들 중 제1 압전기 작동기를 작동시키는 단계, 베이스의 반대 측으로부터 유지 칼라의 반대 측까지의 거리를 증가시키기 위해 복수의 압전기 작동기들 중 제2 압전기 작동기를 작동시키는 단계, 및 스캐닝 평면에서 제1 섬유 링크를 스캐닝하는 단계를 더 포함한다. 본원에 설명된 바와 같이, 방법들은 베이스와 유지 칼라 사이의 일 측에서의 거리를 감소 또는 증가시키기 위해 압전기 작동기들 중 제1 압전기 작동기를 교번적으로 작동시킴과 동시에, 베이스와 유지 칼라 사이의 제2 측에 대한 거리를 증가 또는 감소시키기 위해 압전기 작동기들 중 제2 압전기 작동기를 교번적으로 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
[0013] 본 발명의 다른 실시예에 따라, 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너가 제공된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스 및 종방향 축에 평행한 방향으로 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크를 포함한다. 제1 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스에 결합되고 베이스로부터 연장되는 복수의 움직임 작동 링크들을 포함한다. 복수의 움직임 작동 링크들 각각은 베이스에 인접한 제1 압전기 엘리먼트 및 베이스로부터 먼 위치에서 제1 압전기 엘리먼트에 커플링된 제2 압전기 엘리먼트를 포함한다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 더 포함한다. 제1 섬유 링크 및 복수의 움직임 작동 링크들 각각의 제2 압전기 엘리먼트는 유지 칼라에 결합된다. 동작 동안, 제1 압전기 엘리먼트는, 제2 압전기 엘리먼트가 팽창/수축함에 따라 수축/팽창한다.
[0014] 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너가 제공된다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스 평면을 정의하는 지지 표면, 지지 표면의 대향측의 장착 표면, 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스 및 베이스의 지지 표면에 커플링된 복수의 움직임 작동기들을 포함한다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 장착 표면에 커플링된 다중-링크 섬유 구조를 포함한다. 다중-링크 섬유 구조는 섬유 베이스 및 종방향 축에 평행한 방향으로 섬유 베이스를 통과하는 섬유 링크를 포함한다. 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링된다. 다중-링크 섬유 구조는 또한 섬유 베이스에 결합되고 종방향 축을 따라 섬유 베이스로부터 연장되는 복수의 움직임 작동 엘리먼트들(예컨대, 압전기 작동기들) 및 섬유 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 포함한다. 섬유 링크 및 복수의 움직임 작동 엘리먼트들은 유지 칼라에 결합된다.
[0015] 다수의 이익들은 종래의 기법들에 비해 본 발명을 통해 달성된다. 예컨대, 본 발명의 실시예들은 실질적으로 평면 방식으로 광섬유 지지부를 스캐닝하고, 이에 의해 알려진 프로파일을 가진 이미지를 제공하는 방법들 및 시스템들을 제공한다. 많은 이의 장점들 및 특징들과 함께 본 발명의 이들 및 다른 실시예들은 아래의 본문 및 첨부된 도면들과 함께 더 상세히 설명된다.
[0016] 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 사시도이다.
[0017] 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너에 대한 2 개의 스캐닝 포지션들을 예시하는 단순화된 도면이다.
[0018] 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경사진 링크들을 가진 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 도면이다.
[0019] 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유 스캐닝 시스템의 엘리먼트들을 예시하는 단순화된 도면이다.
[0020] 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0021] 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0022] 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0023] 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 다중-축 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 사시도이다.
[0024] 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 다중-축 섬유 스캐너를 동작시키는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0025] 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트를 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0026] 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 도 9a에 예시된 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트의 진동 움직임을 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0027] 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 도 9a에 예시된 다중-엘리먼트 움직임 작동 엘리먼트를 갖는 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0028] 도 9d는 본 발명의 실시예에 따른 압전기 움직임 작동기의 단순화된 사시도이다.
[0029] 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 움직임 작동기를 예시하는 단순화된 단면도이다.
[0030] 도 9f는 본 발명의 실시예에 따른 다중-섹션 움직임 작동 구조를 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0031] 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너이다.
[0032] 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 케이블 및 레이저 어블레이션(ablation) 빔들의 단순화된 측면도이다.
[0033] 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0017] 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너에 대한 2 개의 스캐닝 포지션들을 예시하는 단순화된 도면이다.
[0018] 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경사진 링크들을 가진 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 도면이다.
[0019] 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유 스캐닝 시스템의 엘리먼트들을 예시하는 단순화된 도면이다.
[0020] 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0021] 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0022] 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0023] 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 다중-축 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 사시도이다.
[0024] 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 다중-축 섬유 스캐너를 동작시키는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0025] 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트를 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0026] 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 도 9a에 예시된 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트의 진동 움직임을 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0027] 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 도 9a에 예시된 다중-엘리먼트 움직임 작동 엘리먼트를 갖는 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0028] 도 9d는 본 발명의 실시예에 따른 압전기 움직임 작동기의 단순화된 사시도이다.
[0029] 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 움직임 작동기를 예시하는 단순화된 단면도이다.
[0030] 도 9f는 본 발명의 실시예에 따른 다중-섹션 움직임 작동 구조를 예시하는 단순화된 측면도이다.
[0031] 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너이다.
[0032] 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 케이블 및 레이저 어블레이션(ablation) 빔들의 단순화된 측면도이다.
[0033] 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다.
[0034] 본 발명의 실시예들은 섬유 스캐닝 투사 디스플레이 시스템들에 관련된 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 스캐닝된 섬유들이 평면에서 또는 아크를 따라 진동할 수 있게 하는 다중-엘리먼트 링키지들을 위한 방법들 및 시스템들을 제공한다. 본 발명은 컴퓨터 비전 및 이미지 디스플레이 시스템들의 다양한 애플리케이션들에 적용가능하다.
[0035] 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 사시도이다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너(100)는 전자기 이미징 방사선을 스캔하고, 이에 의해 디스플레이 시스템의 엘리먼트를 형성하는 데 사용될 수 있다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 작동기 베이스라 지칭될 수 있는 베이스(110)를 포함한다. 베이스는 베이스 평면에 배치되고 베이스 평면에 직각인 종방향 축(112)에 의해 특징지어질 수 있다.
[0036] 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스(110)로부터 종방향 축(112)을 따라 미리결정된 거리(D)에 배치된 유지 칼라(130)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 유지 칼라(130)는 베이스와 평행하고 종방향 축에 직각이다. 베이스(110)와 유지 칼라(130) 사이의 구역은 필라(pillar) 섹션으로 지칭될 수 있다.
[0037] 또한 도파관으로 지칭될 수 있는 제1 섬유 링크(114)는 종방향 축과 평행한 방향으로 베이스를 통과한다. 제1 섬유 링크(114)는, 변조된 광이 제1 섬유 링크를 통해 지향되고, 섬유 팁(tip)의 원위 단부가 이미지를 생성하기 위해 기계적으로 스캐닝되고, 이어서 디스플레이 시스템을 통해 커플링될 수 있도록 적어도 하나의 전자기 방사선 소스(도시되지 않음)에 동작가능하게 커플링된다. 제1 섬유 링크는, 베이스를 통과하거나 베이스 평면에서 이동하기에 자유로울 수 있는 위치에서 베이스에 고정될 수 있다. 제1 섬유 링크는 유지 칼라를 통과하고 유지 칼라를 통과하거나 또는 유지 칼라의 평면에서 이동하기에 자유롭고 그리고/또는 종방향 축과 평행한 방향으로(즉, 축 방향으로) 이동하기에 자유로울 수 있는 위치에서 유지 칼라에 고정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 섬유 링크는 종방향 축과 평행한 방향으로 유지 칼라를 통과한다.
[0038] 대안적인 실시예들에서, 제1 섬유 링크는 섬유 드로잉 프로세스들 이외의 프로세스들을 사용하여, 예컨대 MEMS(micro-electro-mechanical system) 또는 MOEMS(micro-opto-electro-mechanical system) 마이크로제조 프로세스를 사용하여 제조될 수 있는 다른 광학 도파관 구조로 대체될 수 있다. 따라서, 부가적인 제조를 사용하여 제조된 몰딩된 부분들 및 광학 도파관들, 예컨대 외팔보 구조들, 채널 도파관들 등은 본 발명의 범위 내에 포함된다. 이들 광학 도파관 구조들은 실리콘, 실리콘 탄화물, 실리콘 산화물들, 실리콘 질화물들, 이들의 조합들 등을 포함하는 다양한 재료들로 제조될 수 있다.
[0039] 제1 섬유 링크 외에, 복수의 부가적인 링크들(116)은 베이스로부터 연장된다. 유리 재료들로 제조될 수 있는 이들 부가적인 링크들은 일 단부가 베이스에 결합되고 다른 단부가 유지 칼라에 결합된다. 결과적으로, 유지 칼라는 부가적인 링크들에 기계적으로 결합된다. 유지 칼라가 배치된 평면은 움직임 평면들의 세트 중 하나로서 고려될 수 있는 데, 그 이유는, 유지 칼라가 이런 평면들의 세트를 통해 이동함에 따라 진동할 것이기 때문이다. 도 1에 예시된 실시예에서, 복수의 부가적인 링크들은 제1 섬유 링크를 둘러싸게 어레이되지만, 이것은 본 발명에 의해 요구되지 않는다. 다른 실시예들에서, 부가적인 링크들 각각의 수 및 포지션은 특정 애플리케이션에 적절하게 수정된다. 게다가, 비록 도 1에 예시된 복수의 부가적인 링크들이 종방향 축에 평행한 방향으로 베이스로부터 연장되지만, 이것은 도 3에 관련하여 더 완전히 설명된 바와 같이 본 발명에 의해 요구되지 않는다.
[0040] 부가적인 링크들은 단지 기계적 기능성만을 제공할 수 있거나 또한 광학 기능성을 제공할 수 있다. 예로서, 부가적인 링크들은 움직임 작동을 제공하기 위해 팽창 및 수축할 수 있는 압전기 엘리먼트들로 대체될 수 있다. 이들 실시예들에서, 복수의 부가적인 링크들 중 하나 이상은 적어도 하나의 전자기 방사선 소스, 또는 다른 전자기 방사선 소스들에 동작가능하게 커플링될 수 있고, 종방향 축에 평행한 베이스 및 유지 칼라를 통과할 수 있다. 이들 실시예들에서, 변조된 광은 광학 기능성을 제공하는 섬유 링크들 모두를 통해 전달될 수 있다. 부가적인 링크들이 다양한 방식들로 그리고 다양한 재료들을 사용하여 제조될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 비록 일부 실시예들이 광섬유로 제조된 유리 링크들의 측면에서 설명되지만, 본 발명은 이런 재료 또는 방법의 제조로 제한되지 않고 다른 재료들 및 제조 프로세스들은 부가적인 링크들에 관련하여 사용될 수 있다.
[0041] 다수의 코어 섬유 스캐너들은 소스들의 수의 함수로서 증가된 해상도를 가진 디스플레이된 이미지를 생성하기 위해 스캐닝될 수 있는 다수의 픽셀들과 연관된 소스들의 어레이를 제공한다. 일부 실시예들에서, 부가적인 링크들의 하나의 세트는 기계적 지지에 사용되고 다른 세트는 제1 섬유 링크를 보완하기 위해 부가적인 광 소스들로 사용된다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 단일 섬유 코어 및 기계적 지지부들(예컨대, 복수의 주변 지지부들), 다수의 섬유 코어들 및 기계적 지지부들, 및 광학 및 기계적 기능성 둘 모두를 제공하는 다수의 섬유 코어들을 가진 구현들을 포함한다. 기계적 지지부들은 제1 섬유 코어와 유사한 유리 또는 압전기 재료들, 금속들, 세라믹들, 중합체들 등을 포함하여, 충분한 가요성 및 견고성을 가진 다른 적합한 재료들로 만들어질 수 있다. 당업자는 많은 변형들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0042] 대안적인 실시예에서, 상이한 종방향 포지션들에서 종료하는 다수의 섬유 코어들은 본원에 설명된 섬유 스캐너들과 함께 구현될 수 있다. 이 실시예에서, 섬유 코어들 각각과 연관된 깊이 평면은 상이한 깊이들에서 상이한 신호들을 제공하기 위해 가변될 수 있다.
[0043] 도 1을 참조하면, 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스(110)에 기계적으로 커플링된 압전기 작동기(105)를 포함할 수 있다. 압전기 작동기는 베이스 평면에서 베이스를, 예컨대 방향(107)을 따라 측방향으로 또는 도면의 평면의 안팎으로 향하는 횡방향으로 병진하도록 동작가능하다. 예로서, 또한 베이스로 지칭될 수 있는 압전기 작동기(105)는 베이스에서 원하는 진동들을 생성하기 위해 적절히 수축 및 팽창할 수 있는 다수의 압전기 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 베이스가 측방향으로 병진되는 실시예들에서, 제1 섬유 링크는 도면의 평면에서 측방향으로 스캐닝되고 전자기 이미징 방사선은 베이스 평면과 평행한 축을 따라 스캐닝된다. 제1 섬유 링크로부터 방출된 광선들(115)은, 광이 광섬유(114)를 떠나는 것으로 예시된다.
[0044] 부가적인 링크들이 베이스 평면 및 유지 칼라의 평면 둘 모두에서 서로 기계적으로 커플링되기 때문에, 예컨대 압전기 작동기(105)를 사용한 베이스 평면에서 베이스의 움직임은 유지 칼라의 평면에 평행한 평면들의 세트에서 부가적인 링크들, 및 유지 칼라의 상단들의 움직임을 초래할 것이다.
[0045] 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너에 대한 2 개의 스캐닝 포지션들을 예시하는 단순화된 도면이다. 도 2에 예시된 바와 같이, 베이스 평면에서 베이스(110)의 움직임은 수평으로(그리고 일부 구현들에서 수직으로) 유지 칼라(130)의 움직임을 초래할 것이다. 예시적인 움직임 범위의 끝들을 예시하는 유지 칼라의 2 개의 포지션들이 도시된다. 유지 칼라가 베이스 바로 위에 있는 중앙 포지션에서, 유지 칼라는 예시된 포지션들에서보다 더 큰 수직 거리만큼 베이스로부터 분리될 것이다. 그러나, 작은 각도들(예컨대, 몇 도 미만의 각도들)에 대해, 베이스와 유지 칼라 사이의 거리의 변동은 작을 것이고, 이는 움직임 평면으로 지칭될 수 있는, 베이스 평면에 평행한 실질적으로 단일 평면에서 유지 칼라의 움직임을 초래한다. 유지 칼라에 대한 부가적인 링크들의 상단들의 기계적 커플링으로 인해 베이스의 움직임에 대한 응답으로 부가적인 섬유 링크들이 경사지고 그리고/또는 구부러지므로, 유지 칼라는 베이스 평면에 평행하게 유지된다. 도 2에 예시된 전단 움직임은, 제1 섬유 링크와 연관된 이미지 필드가 실질적으로 편평할 수 있고, 이것이 다양한 광학 구성들에서 유용하거나, 미리결정된 방식으로 곡선형이 될 수 있기 때문에, 광학 관점에서 바람직하다. 비록 부가적인 섬유 링크들이 도 2에 예시되지만, 본 발명의 실시예들은 부가적인 링크들에 대해 다른 재료들 및 구조들을 활용할 수 있다. 예로써, MEMS 구조들은 본 발명의 실시예들에서 고유한 이익들을 제공하는 데 활용될 수 있다. 따라서, 부가적인 링크들, 링키지들 등에 대한 지칭들은 제한 없이, 실리콘 굴곡들을 포함하는 MEMS 구조를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
[0046] 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경사진 링크들을 가진 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 도면이다. 도 3을 참조하여, 섬유 링크들(310 및 312)이 기계적으로 부착된 베이스(110)가 제공된다. 전자기 방사선 소스(330)(예컨대, 다이오드 레이저 또는 발광 다이오드)는 제1 섬유 링크(114)에 광학적으로 커플링된다. 도 3에 예시된 실시예에서, 섬유 링크(312)는 전자기 방사선 소스(331)에 광학적으로 커플링된다. 따라서, 구현에 의존하여, 복수의 부가적인 링크들 중 하나 이상은 종방향 축과 실질적으로 평행한 방향으로 베이스를 통과할 수 있고 하나 이상의 전자기 방사선 소스들에 동작가능하게 커플링될 수 있다. 섬유 링크(310)는 베이스로부터 각도(θ)로 연장되고 그리고 섬유 링크(312)는, 섬유 링크들 둘 모두가 제1 섬유 링크(114)를 향해 경사지도록 베이스로부터 반대 각도(-θ)로 연장된다. 섬유 링크들(310 및 312)은 유지 칼라(130)에 기계적으로 커플링된다. 제1 섬유 링크(114)는 유지 칼라에 고정될 수 있거나 유지 칼라에 슬라이딩 끼워 맞춰질 수 있다.
[0047] 섬유 링크들(310 및 312)에 존재하는 경사로 인해, 작은 각도들, 예컨대 약 몇 도 미만의 각도들에 대해, 유지 칼라(130)(및 결과로서 섬유 팁)의 움직임은 섬유 링크들로부터 연장되는 라인들의 교차점(R)과 일치하는 중심을 갖는 아크(320)를 따를 것이다. 다른 말로, 아크(320)의 곡률 반경은 r과 동일하다. 따라서, 이런 구성에서 유지 칼라는 또한 곡선형 진동 섹션으로 지칭될 수 있는 곡선형 아크를 따라 병진한다. 유지 칼라가 진동함에 따라, 제1 섬유 링크(114)로부터의 광은 초점으로 지칭될 수 있는 아크의 중심에 있는 교차점(R)을 향해 방출된다. 따라서, 방출 섬유가 볼록한 이미지 필드를 통해 이동하는 일부 시스템들과 비교하여, 본 발명의 실시예들은 오목한 이미지 필드, 이를테면 아크(320)를 통해 방출 섬유를 이동시킨다. 더 큰 각도들에서, 섬유 팁은 아크(320)로부터 벗어날 수 있고 그런 편차들은 광학 설계의 수정에 의해 보상될 수 있다. 당업자는 많은 변형들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0048] 실시예에서, 제1 섬유 링크(114) 외에, 섬유 링크들(310 및 312) 각각은 광학 신호들을 반송하고, 이 예에서, 3 개의 섬유 코어들 각각이 빔을 방출할 수 있게 하고, 빔 모두는 초점을 향해 지향된다. 이런 구조의 제조는 더 쉽게 에칭되는 제2 재료의 더 큰 실린더에 임베딩된 제1 재료의 실린더들 형태의 섬유 링크들의 구조적 전구체들을 포함하는 프리폼에서 시작될 수 있다. 이 구조를 제조하기 위해, 2 개의-단계 프로세스가 사용될 수 있고, 여기서 제1 열적 드로잉 프로세스는, 외부 또는 주변 섬유 코어들이 중앙 섬유 코어를 향해 경사지도록 테이퍼링(taper) 방식으로 프리폼을 드로잉하는 데 사용된다. 이어서, 후속적인 레이저 어블레이션/선택적인 에칭 프로세스는 필라 구역으로부터 제2 재료를 제거하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 도 3에 도시된 실시예는 이산 컴포넌트들로부터 조립될 수 있다.
[0049] 섬유 링크들(114, 310 및 312)은 광섬유들을 포함할 수 있다. 이들은 당업자들에게 알려진 방법들, 이를테면 열적 드로잉을 사용하여 제조될 수 있다. 실시예에서, 유지 칼라(130) 및/또는 베이스(110)는 섬유 링크들에 대한 관통 홀들과 함께 실리콘, 실리카 또는 금속 디스크를 포함한다. 섬유 링크들은 접착제, 물유리, 프릿(frit) 유리, 또는 금속 본드를 사용하여 유지 칼라 또는 베이스에 커플링될 수 있다. 프릿 유리는 일관된 제조를 가능하게 하기 위해 프리폼(예컨대, 도넛형 및 섬유를 둘러쌈)으로 연결부에 적용될 수 있다. 금속, 이를테면 금은 예컨대 증발 프로세스를 사용하여 섬유, 유지 칼라 및/또는 베이스 상에 증착될 수 있다. 변형가능한 마이크로범프(microbump) 구조는 기계적 압력하에서 금속-대-금속 본드를 가능하게 하기 위해 표면들 중 하나에 적용될 수 있다. 대안적으로, 금속-대-금속 본드는 열을 사용하여 형성될 수 있다. 실시예에서, 섬유들은 유지 칼라를 통해 삽입되고 이에 본딩되며, 후속하여 광학 도파관들의 동일-평면 종결들을 보장하기 위해, 하나의 단위로 연마 및 폴리싱(polish)된다.
[0050] 광학 관점으로부터, 도 3에 예시된 실시예는 종래의 기법들을 사용하여 이용가능하지 않은 이익들을 제공한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유 스캐닝 시스템의 엘리먼트들을 예시하는 단순화된 도면이다. 도 4에 예시된 바와 같이, 투사 시스템은 제1 섬유 링크(415)에 광학적으로 커플링된 전자기 방사선 소스(421)(예컨대, 다이오드 레이저) 및 제1 섬유 링크로부터의 광이 지향되는 볼(ball) 렌즈(410)를 포함한다. 볼 렌즈(410)는 거의 도 3에 예시된 교차점 또는 초점(R)에 위치결정될 수 있고 소형 광학 시스템을 사용하는 동안 큰 시야를 커버할 수 있다. 볼 렌즈는 섬유로부터의 광을 디스플레이 시스템의 접안렌즈에 이미징할 수 있다. 볼 렌즈들 외에, 광학 시스템의 다른 입사동들은 초점으로 활용될 수 있다. 제1 섬유 링크 및 유지 칼라가 아크(405)를 통해 스위핑(sweep)함에 따라, 제1 섬유 링크에 의해 방출된 광은 모든 진동 포지션들(420, 422 및 424)로부터 볼 렌즈 또는 입사동을 향해 지향된다. 볼 렌즈(410)를 향한 섬유 팁의 경사는, 섬유 팁이 움직임 범위의 끝들을 향해 이동함에 따라 섬유 팁이 중심으로부터 멀어져 기울어지는 경우 달리 요구될 것보다 덜 비싼 광학 엘리먼트들의 사용을 가능하게 한다.
[0051] 다중-엘리먼트 섬유 스캐너의 구조는, 2016년 12월 22일에 출원되고, 발명의 명칭이 "Methods and Systems for Fabrication of Shaped Fiber Elements Using Laser Ablation"인 미국 가특허 출원 번호 제 62/438,408호에 설명된 레이저 어블레이션 및 레이저 조각을 사용할 수 있게 하고, 이 가특허 출원의 개시내용은 이로써 인용에 의해 통합된다. 예로써, 멀티코어 섬유 프리폼에서 시작하여, 프리폼은 섬유를 형성하기 위해 드로잉될 수 있고, 레이저 어블레이션 및 에칭은 필라 섹션으로부터 재료를 제거하여, 원하는 섬유 링크들을 남기는 데 사용될 수 있다. 베이스 및/또는 유지 플레이트는 본래 드로잉된 섬유로부터의 유리로 형성될 수 있다.
[0052] 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 케이블 및 레이저 어블레이션 빔들의 단순화된 측면도이다. 레이저 빔은 제공되어 렌즈(1110)를 향해 전파되고, 렌즈(1110)는 레이저 빔을 광섬유(1125)의 클래딩(1115) 내의 포커스 스폿(spot)(1120)에 포커싱한다. 포커스 스폿에 레이저 빔의 포커싱은 포커스 포인트에서 손상 부위의 생성을 초래한다. 섬유 코어와 정렬된 섬유의 종방향 축을 따라 섬유를 회전시킴으로써, 일련의 손상 부위들은 주어진 방사상 거리에 생성될 수 있다.
[0053] 레이저 빔, 및 연관된 광학 엘리먼트들의 움직임은, 제2 포커스 스폿(1130)이 섬유의 표면으로부터 더 먼 거리에 형성되도록 레이저 빔이 종방향으로 제2 위치로 이동되는 것으로 도 11에 예시된다. 종방향 축을 중심으로 섬유의 회전 시, 포커스 스폿(1120)과 연관된 일련의 손상 부위들보다 섬유 코어로부터 더 작은 방사상 거리를 가진 일련의 손상 부위들이 생성된다. 제3 포커스 스폿(1140)을 형성하는 제3 종방향 포지션이 도 11에 또한 예시된다. 이런 프로세스를 사용하면, 이 실시예에서 테이퍼링되는 파선 프로파일에 의해 예시된 일련의 손상 부위들(1150)은 생성되고, 실질적으로 연속적이다.
[0054] 일부 실시예들에서, 렌즈는 포커싱된 스폿의 포지션을 조정하기 위해 이동되는 반면, 다른 실시예들에서, 렌즈의 초점 파워는, 렌즈가 실질적으로 동일한 포지션에 유지되는 동안 포커싱된 스폿이 이동하도록 조정될 수 있다. 초점 파워 변화들이 종종 렌즈(예컨대, 카메라 줌 렌즈) 내의 엘리먼트들 이동으로부터 발생하기 때문에 실질적으로 이 용어의 사용이 사용된다.
[0055] 아래에 설명된 바와 같이, 에칭 프로세스는 우선적으로 일련의 손상 부위들을 따라 에칭하여, 도 11에 예시된 실시예에서 테이퍼링된 섬유 프로파일을 형성하고 일련의 손상 부위들보다 더 큰 방사상 거리에서 섬유 클래딩의 부분을 분리시키는 데 사용된다.
[0056] 일부 실시예들에서, 광이 섬유 코어를 향해 섬유로 전파됨에 따라, 섬유는 도면으로 연장되는 방향으로 실린더 렌즈로 작용한다. 도면의 평면에서, 섬유는 어떠한 포커싱 효과도 도입하지 않는다. 섬유에 의해 도입된 실린더 렌징(lensing)은, 일련의 손상 부위들(1150)이 생성되는 포커스 포인트의 크기에 약영향을 미칠 수 있다. 따라서, 비점 수차 렌즈는, 레이저 빔이 전파되는 광학 경로에 통합될 수 있다. 예로써, 실린더 렌즈는 섬유에 의한 포커싱을 보상하기 위해 도면으로 연장되는 평면에 보정을 도입하기 위해 비점 수차 렌즈로 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 비점 수차 렌즈 및/또는 렌즈(1110)는, 도입된 비점 수차 양 및/또는 초점 길이가 시스템의 동작 동안 조정될 수 있도록 가변 광학 파라미터들을 가진다.
[0057] 일부 실시예들에서, 분리된 렌즈들은, 레이저 광을 섬유로 포커싱하고 섬유에서 발생하는 실린더 포커싱을 보상하기 위해 비점 수차 사전-보정을 제공하는 다수의 엘리먼트 복합 렌즈일 수 있는 단일 렌즈로 결합될 수 있다.
[0058] 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 도 12에 관련하여 설명된 방법은 베이스, 유지 칼라, 섬유 코어 및 섬유 클래딩을 포함하는 제1 섬유 링크, 및 베이스를 유지 칼라에 커플링하는 복수의 부가적인 링크들을 가진 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 포함하여, 본원에 설명된 다양한 구조들의 제조에 적용가능하다. 방법(1200)은 광섬유 케이블을 제공하는 단계(1210), 광섬유 케이블 내의 미리결정된 위치에 레이저 빔을 포커싱하는 단계(1212), 및 미리결정된 위치에 손상 부위를 생성하는 단계(1214)를 포함한다.
[0059] 방법은 또한 광섬유 케이블 내의 일련의 부가적인 미리결정된 위치들에 레이저 빔을 포커싱하는 단계(1216) 및 부가적인 미리결정된 위치들에 복수의 부가적인 손상 부위들을 생성하는 단계(1218)를 포함한다. 다른 실시예에서, 손상 부위 및 부가적인 손상 부위들은 도 1, 도 3, 도 8a 및 도 10에 예시된 바와 같이 도파관 엘리먼트들 및 기계적 지지 엘리먼트들을 포함하는 다중-엘리먼트 구조를 정의한다. 기계적 지지 엘리먼트들은 베이스 및 유지 칼라 뿐 아니라 베이스와 유지 칼라 사이에 커플링된 기계적 지지부들을 포함할 수 있다. 실시예에서, 손상 부위 및 부가적인 손상 부위들은 섬유 방출 팁을 향해 종방향 거리의 함수로서 감소하는 직경을 가져서, 테이퍼링된 섬유를 생성하는 테이퍼링된 프로파일을 정의한다.
[0060] 방법은 추가로 광섬유 케이블을 에천트 용액에 노출시키는 단계(1220), 우선적으로 손상 부위 및 복수의 부가적인 손상 부위들을 에칭하는 단계(1222), 및 다중-엘리먼트 섬유 스캐너의 엘리먼트들을 방출하기 위해 광섬유 케이블의 일부를 분리하는 단계(1224)를 더 포함한다. 우선적인 에칭 프로세스 이후, 구조의 일부는 도판관 엘리먼트들, 이를테면 섬유 코어 및 섬유 클래딩을 가진 하나 이상의 섬유 엘리먼트들뿐 아니라 기계적 구조들을 포함할 수 있다.
[0061] 본 발명의 실시예에 따라, 레이저 빔이 초점/손상 부위로 전파될 때 섬유에 의한 광의 포커싱 및 복수의 부가적인 손상 부위는, 레이저 빔이 섬유를 통해 전파될 때 발생하는 포커싱과 동일하고 반대되는 포커싱 양을 도입하는 비점 수차 렌즈를 사용하여 보상된다. 손상 부위들이 섬유 클래딩의 가변 깊이들, 즉 섬유 코어로부터 가변 거리들에 위치결정될 것이기 때문에, 보정 렌즈는, 레이저가 일부 구현들에서 섬유의 클래딩에서 상이한 방사상 거리들을 통해 횡단할 때 조정될 수 있다.
[0062] 일부 실시예들에서, 부가적인 미리결정된 위치들에 복수의 부가적인 손상 부위들을 생성하는 것은 광섬유 케이블의 클래딩 내에 손상 부위들의 격자를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 복수의 방사상 비아들은 섬유 코어를 향해 클래딩 구역을 통과한다. 레이저 빔의 포커스 포인트는, 처음에, 복수의 부가적인 손상 부위들의 제1 부분이 섬유 코어에 인접하여(즉, 섬유 코어로부터 작은 방사상 거리들에) 생성되고 후속하여, 복수의 부가적인 손상 부위들의 제2 부분이 섬유 코어로부터 더 먼 거리들에(즉, 클래딩 구역의 직경까지 더 큰 방사상 거리들에) 생성되도록 제어될 수 있다. 이런 기법은, 레이저 빔이 전파되는 비손상 재료들을 제공하여, 빔 품질의 저하를 감소시키거나 방지한다.
[0063] 섬유 코어는 종방향 축에 의해 특징지어지고 방법은, 복수의 부가적인 손상 부위들이 부가적인 미리결정된 위치들에 생성되는 동안 종방향 축을 중심으로 섬유를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 비록 도 11이 실질적으로 동질의 재료로서 광섬유 케이블을 예시하지만, 광섬유 케이블은 클래딩 구역 및 클래딩 구역에 배치된 복수의 희생 구역들을 포함할 수 있다. 복수의 희생 구역들은 클래딩 구역보다 더 높은 에칭 속도를 가진 재료를 포함할 수 있거나 에천트가 흐를 수 있는 공기 공동들일 수 있다.
[0064] 도 12에 예시된 특정 단계들이 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 특정 방법을 제공하는 것이 인식되어야 한다. 단계들의 다른 시퀀스들은 또한 대안적인 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적인 실시예들은 상이한 순서로 위에서 서술된 단계들을 수행할 수 있다. 게다가, 도 12에 예시된 개별 단계들은 개별 단계에 적절하게 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 게다가, 부가적인 단계들은 특정 애플리케이션들에 의존하여 부가 또는 제거될 수 있다. 당업자는 많은 변형들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0065] 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법(500)은 클래딩 구역 및 섬유 코어를 가진 광섬유 케이블을 제공하는 단계(510), 광섬유 케이블의 클래딩 구역 내의 일련의 미리결정된 위치들에 레이저 빔을 포커싱하는 단계(512), 및 미리결정된 위치들에 복수의 손상 부위들을 생성하는 단계(514)를 포함한다. 미리결정된 위치들에 복수의 손상 부위들을 생성하는 단계는 손상 부위들의 격자, 클래딩 구역을 통해 섬유 코어를 향해 통과하는 복수의 방사상 비아들, 등을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 구현에서, 미리결정된 위치들에 복수의 손상 부위들을 생성하는 프로세스는 처음에 섬유 코어에 인접한 복수의 손상 부위들의 제1 부분을 생성하고, 후속하여 클래딩 구역의 주변부에 인접한 복수의 손상 부위들의 제2 부분을 생성함으로서 수행될 수 있다.
[0066] 방법은 또한 광섬유 케이블을 에천트 용액에 노출시키는 단계(516) 및 복수의 손상 부위들을 우선적으로 에칭하는 단계(518)를 포함하여 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스, 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라, 섬유 코어를 포함하고, 베이스 평면을 통과하며, 그리고 유지 칼라에 결합되는 제1 섬유 링크, 및 베이스에 결합되고, 베이스로부터 유지 칼라로 연장되고, 그리고 유지 칼라에 결합되는 복수의 부가적인 링크들을 형성한다.
[0067] 본 발명의 실시예에 따라, 방법은 또한 미리결정된 위치들에서 복수의 손상 부위들을 생성하는 프로세스 동안 종방향 축을 중심으로 광섬유 케이블을 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 광섬유 케이블은, 클래딩 구역보다 더 높은 에칭 속도를 가진 재료를 사용하여 만들어진 클래딩 구역에 배치된 복수의 희생 구역들을 포함하여, 희생 재료가 우선적으로 제거될 수 있게 하도록 제조될 수 있다. 희생 구역들은 대안적으로 공기 공동들 또는 희생 재료와 공기 공동들의 결합을 포함할 수 있다.
[0068] 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제조하는 방법(600)은 적어도 하나의 섬유 도파관, 섬유 지지부들 및 희생 재료를 포함하는 프리폼을 제조하는 단계(610), 및 섬유 구조를 형성하기 위해 프리폼을 드로잉하는 단계(612)를 포함한다.
[0069] 섬유 풀링(pulling) 프로세스에서, 섬유 프리폼은 제1 섬유 링크 및 복수의 부가적인 링크들 또는 다른 기계적 지지부들을 정의하는 데 활용되는 재료들보다 더 낮은 에칭 저항을 가진 재료를 포함할 수 있는 희생 구역들을 포함할 수 있다. 예로서, 제1 섬유 링크 및 복수의 부가적인 링크들은 에칭, 예컨대 황산 또는 다른 적합한 에천트들에 의한 에칭에 저항성이 있을 수 있는 반면, 도핑되거나 달리 더 낮은 에칭 저항(도판트뿐 아니라 에천트의 농도 및 타입에 의존하는 에칭 속도들을 가짐)으로 제공될 수 있는 희생 구역들은 황산에 의해 에칭될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도판트는 불소, 불화물, 게르마늄, 붕소, 인, 갈륨, 인듐, 비소 및 안티몬 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 섬유 링크 및/또는 복수의 부가적인 링크들의 에칭 속도는 유리의 순도(예컨대, 나트륨/붕소/인산염 함량)뿐 아니라 유리가 어닐링되었는지 여부에 의존할 수 있다.
[0070] 방법은 또한 섬유 구조를 에천트 용액에 노출시키는 단계(614) 및 희생 재료를 우선적으로 에칭하는 단계(616)를 포함하여, 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스, 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라, 적어도 하나의 섬유 도파관을 포함하고, 베이스 평면을 통과하며, 그리고 유지 칼라에 결합되는 제1 섬유 링크, 및 베이스에 결합되고, 베이스로부터 유지 칼라로 연장되고, 그리고 유지 칼라에 결합되는 복수의 섬유 지지부들을 형성한다.
[0071] 베이스 및 유지 칼라는 우선적인 희생 에칭 프로세스 동안 에칭 프로세스 동안 이들을 보호하기 위해 마스킹 오프(mask off)될 수 있다. 재료들은 그들의 광학 특성들 외에 그들의 기계적 특성을 고려하여 선택될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 베이스 및 유지 칼라는 그들의 에칭 민감성을 감소시키기 위해 레이저 손상 처리로부터 배제될 수 있다.
[0072] 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 아래에 설명된 바와 같이, 작동기 베이스가 베이스 평면에서 측방향으로 병진될 때, 유지 칼라는 진동할 때 평면들의 세트에서 측방향으로 병진한다. 작은 각도들에 대해, 섬유 팁들은 편평한 이미지 필드를 제공하는 실질적으로 단일 평면에서 진동한다. 일부 실시예들에서, 섬유 팁들은 종방향 배향으로 섬유 팁을 유지하는 동안 평면들의 세트에서 진동한다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법(700)은 전자기 방사선의 소스를 제공하는 단계(710) 및 전자기 방사선을 소스로부터 제1 섬유 링크를 통해 지향시키는 단계(712)를 포함한다. 제1 섬유 링크는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스를 통과한다.
[0073] 방법은 또한 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 지지하는 단계(714)를 포함한다. 복수의 부가적인 링크들은 일부 실시예들에서 베이스와 유지 칼라를 결합한다. 복수의 부가적인 링크들 중 하나 이상은 베이스를 통과할 수 있다. 이 경우, 방법은 전자기 방사선을 소스로부터(또는 다른 소스로부터) 복수의 부가적인 링크들 중 하나 이상을 통해 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 전자기 방사선은 이미지를 제시하기 위해 세기가 변조될 수 있다.
[0074] 방법은 베이스 평면에서 베이스를 병진시키는 단계(716), 베이스 평면에 평행한 평면들의 세트에서 유지 칼라를 병진시키는 단계(718), 및 하나 이상의 축들에서 전자기 방사선을 스캐닝하는 단계(720)를 더 포함한다. 유지 칼라의 움직임을 고려하여, 본 발명은 작은 각도들에 대해 유지 칼라의 평면에 실질적으로 놓이는 움직임을 포함한다. 따라서, 이들 예들에 대해, 유지 칼라가 측방향으로 진동할 때, 유지 칼라는 움직임 범위의 끝에서 작은 양들만큼 원래의 평면에서 벗어난 종방향으로 이동할 수 있다. 예로서, 유지 칼라의 원래 포지션으로부터 수직 편차는 일부 실시예들에서 미크론 내지 밀리미터, 예컨대 500 μm 이상의 범위일 수 있다. 진동 각도 및 움직임 범위가 증가함에 따라, 유지 칼라의 움직임은 베이스 평면에 평행한 평면들의 세트에 의해 그리고 유지 칼라가 측방향 및 종방향 둘 모두로 움직임에 따른 수직 변동을 포함하여 정의된다. 본원에 설명된 바와 같이, 유지 칼라가 베이스 평면에 평행한 평면들에서 이동하기 때문에, 섬유 팁은 움직임 동안 종 방향으로 배향되어, 광학 이미징 시스템의 설계에 관하여 이익들을 제공한다.
[0075] 실시예에서, 베이스를 베이스 평면에서 병진시키는 것은 2-차원 움직임을 제공하기 위해 제1 방향으로 베이스를 작동시키고 제1 방향에 직각인 제2 방향으로 베이스를 작동시킴으로써 수행된다. 베이스 평면에 평행한 평면들의 세트에서 유지 칼라를 병진시키는 것은 복수의 부가적인 링크들을 경사지게 하는 것을 포함한다.
[0076] 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 다중-축 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 사시도이다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하는 데 사용될 수 있다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너(800)는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스(110)를 포함한다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 종방향 축에 평행한 방향으로 섬유 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크(114)를 포함한다. 제1 섬유 링크는 베이스(110) 아래의 위치에서 적어도 하나의 전자기 방사선 소스(도시되지 않음)에 동작가능하게 커플링된다.
[0077] 부가적으로, 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스(110)에 결합되고 종방향 축을 따라, 예컨대 종방향 축에 평행하게 베이스로부터 연장되는 복수의 작동 엘리먼트들(810)을 포함한다. 복수의 작동 엘리먼트들은 독립적으로 팽창(812) 및 수축(814)할 수 있다. 도 8a에 예시된 바와 같은 대향 작동 엘리먼트들(810)의 사용은 2 개의 방향들(예컨대, x-축 및 y-축을 따라, 2 개의 축들은 종방향 축에 직각임)로 제1 섬유 링크의 독립적인 스캐닝을 가능하게 하여, 제1 섬유 링크로부터의 광은 x-축 및 y-축에 평행하고 종방향 축에 수직(즉, z-축)인 어레이를 정의하는 화소들로 지향될 수 있다.
[0078] 복수의 작동 엘리먼트들은 복수의 압전기 튜브 스택들을 사용하여 제조될 수 있고 제1 섬유 링크를 둘러싸게 어레이될 수 있다. 압전기 튜브 스택들에 관련된 부가적인 설명은 도 9a-도 9f에 관련하여 제공된다. 유지 칼라에 관하여 베이스의 기계적 제약 외에, 작동 엘리먼트들(810)은 베이스와 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라(130) 사이의 거리를 제어하는 데 사용될 수 있다. 제1 섬유 링크 및 복수의 작동 엘리먼트들은 유지 칼라에 결합된다. 제1 섬유 링크는 종방향 축에 평행한 방향으로 유지 칼라를 통과한다.
[0079] 도 8a를 참조하여, 작동 엘리먼트들은 제1 섬유 링크의 제1 측 상에 위치결정되고 수축/팽창하도록 동작가능한 제1 압전기 엘리먼트 및 제1 측의 반대편에 있고 제1 압전기 엘리먼트와 반대로 팽창/수축하도록 동작가능한 제1 섬유 링크의 제2 측 상에 위치결정된 제2 압전기 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이들 움직임들은 제1 압전기 엘리먼트와 제2 압전기 엘리먼트를 연결하는 라인에 직각인 제1 축을 중심으로 유지 칼라의 경사를 초래할 것이다. 게다가, 제3 압전기 엘리먼트는 제1 섬유 링크의 제3 측 상에 위치결정되고 수축/팽창하도록 동작가능할 수 있다. 이런 제3 압전기 엘리먼트는 제3 측 반대편의 제1 섬유 링크의 제4 측 상에 위치결정되고 제3 압전기 엘리먼트와 반대로 팽창/수축하도록 동작가능한 제4 압전기 엘리먼트와 쌍을 이룬다. 제3 및 제4 엘리먼트들의 움직임들은 제3 압전기 엘리먼트와 제4 압전기 엘리먼트를 연결하는 라인에 직각인 제2 축을 중심으로 유지 칼라의 경사를 초래할 것이다.
[0080] 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키기 위해 위에서 설명된 바와 같은 작동 엘리먼트들을 사용하여, 제1 섬유 링크는 베이스 평면에 평행한 축을 따라 전자기 방사선 포인트를 이동시키도록 스캐닝될 수 있다. 이 실시예에서, 스캐닝 기능성은 예컨대 써보 엘리먼트들(예컨대, 피스톤들)로서 기능한 압전기 작동기를 사용하여 기계적 지지부들에 내장된다.
[0081] 비록 작동 엘리먼트들이 도 8a에 예시된 실시예에서 실린더로 예시되지만, 이런 특정 형상은 본 발명에 의해 요구되지 않고 직사각형, 정사각형, 육각형 등을 포함하는 다른 단면들은 본 발명의 범위 내에 포함된다. 작동 엘리먼트들의 단면은 작동 엘리먼트들의 길이를 따라 균일하거나 비균일할 수 있다.
[0082] 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 다중-축 섬유 스캐너를 동작시키는 방법을 예시하는 단순화된 흐름도이다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법(850)은 전자기 방사선의 소스를 제공하는 단계(860) 및 전자기 방사선을 소스로부터 제1 섬유 링크를 통해 지향시키는 단계(862)를 포함한다. 제1 섬유 링크는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스를 통과한다. 방법은 또한 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 지지하는 단계(864)를 포함한다. 복수의 압전기 작동기들은 베이스와 유지 칼라를 결합시킨다. 도 8a에 예시된 바와 같이, 복수의 압전기 작동기들 중 제1 압전기 작동기는 베이스의 일 측을 유지 칼라의 일 측에 결합하고 복수의 압전기 작동기들 중 제2 압전기 작동기는 베이스의 반대 측을 유지 칼라의 반대 측에 결합시킨다. 제1 압전기 작동기 및 제2 압전기 작동기는 스캐닝 평면에 놓인다. 일부 실시예들에서, 스캐닝 평면은 중앙 도파관/섬유를 포함할 수 있지만, 2 개의 다른 작동기들에 의해, 섬유의 팁은 2 개의 반대편 압전기 작동기 및 중앙 도파관/섬유의 휴지 포지션들을 포함하는 평면으로 제한되지 않을 수 있다. 따라서, 동작의 하나의 모드는 섬유의 공진 주파수에서 반대편 작동기들의 제1 쌍 및 수직 스캔 주파수와 연관될 수 있는 더 낮은 주파수에서 나머지(예컨대, 2 개의) 반대편 작동기들을 구동시키는 것이다. 또 다른 동작 모드에서, 나선형 스캔 패턴이 활용된다.
[0083] 방법은 베이스의 일 측으로부터 유지 칼라의 일 측까지의 거리를 감소시키기 위해 복수의 압전기 작동기들 중 제1 압전기 작동기를 작동시키는 단계(866) 및 베이스의 반대 측으로부터 유지 칼라의 반대 측까지의 거리를 증가시키기 위해 복수의 압전기 작동기들 중 제2 압전기 작동기를 작동시키는 단계(868)를 더 포함한다. 이들 작동들에 대한 응답으로, 방법은 제1 섬유 링크가 스캐닝 평면에서 스캐닝될 수 있게 한다(870).
[0084] 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트를 예시하는 단순화된 측면도이다. 도 9a에 예시된 바와 같이, 다중-섹션 엘리먼트(905)는 제2 압전기 엘리먼트(912)에 커플링된 제1 압전기 엘리먼트(910)를 포함한다. 다중-섹션 엘리먼트(905)는, 몇몇의 압전기 엘리먼트들이 엘리먼트를 형성하기 위해 스택되기 때문에 압전기 튜브 스택으로 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 압전기 엘리먼트(910)는 베이스에 인접하고 제2 압전기 엘리먼트(912)는 베이스로부터 먼 위치에 위치결정된다. 압전기 엘리먼트들 각각은 수축 또는 팽창할 수 있고, 도 9a에 예시된 바와 같이, 압전기 엘리먼트들은, 상부 섹션이 팽창/수축하는 동안 하부 섹션이 수축/팽창하도록 동작될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 압전기 엘리먼트는, 각각의 튜브의 일 측이 수축되는 동안 다른 측이 팽창될 수 있도록 다수의 섹터들(예컨대, 4 개의 섹터들)을 포함한다. 이런 동작 모드는 도 9b에 예시된 바와 같이 진동 움직임을 생성할 것이다.
[0085] 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 도 9a에 예시된 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트의 진동 움직임을 예시하는 단순화된 측면도이다. 제1 압전기 엘리먼트(910)가 수축할 때(920), 제2 압전기 엘리먼트(912)는 팽창하여(922), 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트가 S자 형상을 취하게 한다. 진동의 다음 스테이지에서, 제1 압전기 엘리먼트(910)가 팽창할 때(924), 제2 압전기 엘리먼트(912)는 수축하여(926), 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트가 제1 S자 형상을 미러링(mirror)하는 제2 S자 형상을 취하게 한다. 섹션들을 이루는 압전기 엘리먼트들을 교번적으로 팽창/수축시킴으로써, 다중-섹션 엘리먼트는 도 9b에 예시된 바와 같이 진동하여, 교번적인 방식으로 예시된 형상 및 수평 미러 이미지를 형성할 것이다.
[0086] 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 도 9a에 예시된 다중-엘리먼트 움직임 작동 엘리먼트를 갖는 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 예시하는 단순화된 측면도이다. 도 9c에 예시된 바와 같이, 베이스(110)를 유지 칼라(130)에 커플링하는 다중-섹션 움직임 엘리먼트들(905)의 사용은, 작동 엘리먼트들의 하단들 및 상단들이 각각 베이스 및 유지 칼라에 결합하는 위치들에서 구부러짐 양을 감소시킨다. 이들 포인트들에서 감소된 구부러짐으로 인해, 스트레스는 감소되고 수명 및 신뢰성은 개선될 수 있다. 도 9c에 예시된 바와 같이, 유지 칼라(130)와 베이스(110) 사이의 수직 거리(종 방향을 따라 측정됨)는, 유지 칼라가 측 방향으로 중앙 포지션으로부터 수평으로 멀리 이동할 때 감소한다. 유지 칼라(130)의 작은 진동들에 대해, 유지 칼라의 움직임은 실질적으로 평면일 것이다. 유지 칼라가 중앙으로부터 멀리 측방향으로 이동함에 따라, 비록 종방향 높이가 감소할 수 있지만, 움직임은 베이스 평면에 평행한 평면들에 놓이고, 그리고 유지 칼라의 배향은 베이스에 실질적으로 평행하게 유지된다. 유지 칼라가 이동할 때 유지 칼라가 베이스에 평행하게 유지되기 때문에, 섬유(940)의 팁은 종 방향을 따라 배향되게 유지된다. 유지 칼라의 측방향(및 종방향) 움직임과 연관된 필드 곡률은 스캐닝될 대 섬유의 이미지를 생성하기 위해 광학 시스템들을 설계할 때 고려될 수 있다. 섬유 팁이 움직임 범위 끝들을 향해 측방향으로 이동할 때 섬유 팁이 중앙으로부터 멀어지게 경사지는 섬유 스캐너들은 섬유로부터의 광을 효과적으로 수집 및 이미징하기 위해 더 큰 개구수 광학 시스템을 필요로 한다. 더 큰 개구수 요건은 일반적으로 더 크고, 더 복잡하고 그리고 더 비싼 광학 시스템을 유도한다. 광학 시스템의 크기는 증강 현실 안경에 통합될 광학 시스템들에 대해 중요한 고려사항이다. 대조하여, 본 발명의 실시예들은, 유지 칼라가 움직임 범위 전반에 걸쳐 베이스 평면에 평행하기 때문에 종방향 배향으로 섬유 팁을 유지한다. 팁이 움직임 범위의 끝에서 경사짐에 따라, 광은 가파른 각도들에서 방출될 수 있고, 이는 높은 레벨들의 필드 곡률 및 가파른 각도들을 보상할 필요의 결과로서 더 복잡하고 비싼 렌즈 설계를 초래할 수 있다. 본 발명의 실시예들을 사용하여, 섬유가 스캔하는 섬유 팁 방향을 유지하는 것은 렌즈의 복잡성 및 비용을 크게 단순화시킨다. 당업자는 많은 변형들, 수정들 및 대안들을 인식할 것이다.
[0087] 도 9d는 본 발명의 실시예에 따른 압전기 움직임 작동기의 단순화된 사시도이다. 도 9d에 예시된 압전기 움직임 작동기(955)는 실린더 케이스에 배치된 4 개의 작동 입력들(+X, -X, +Y, 및 -Y)을 포함한다. 광섬유 케이블은 구멍(957)을 통과하고 4 개의 작동 입력들의 작동에 의해, 광섬유 케이블은 2 차원들로 스캐닝될 수 있다. 도 9d에서, +X 작동 입력의 수축 및 -X 작동 입력의 팽창은 압전기 움직임 작동기가 +X 축을 향해 경사지게 한다. 비록 도 9d에 예시된 움직임이 2 차원들(즉, x-축 및 y-축에 의해 정의된 평면들을 따라)이지만, 이의 실시예들은 또한 z-축을 따라 수축/팽창하는 것과 조화를 이뤄 모두 4 개의 작동 입력들을 팽창 또는 수축시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 x-방향 및 y-방향 둘 모두의 움직임뿐 아니라, z-방향으로 압축/팽창하는 실린더 작동기의 사용을 제공한다.
[0088] 도 9d에 예시된 실린더 움직임 작동기 외에, 본 발명의 범위는, 다른 기하구조들이 움직임 작동기에 활용되는 구현들을 포함한다. 예로써, 실시예에서, 움직임 작동기는, 다중-엘리먼트 움직임 작동기로서 서로 함께 동작하는 복수의 반대편 움직임 작동 엘리먼트들(예컨대, 압전기 엘리먼트들)을 포함한다. 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 다중-엘리먼트 움직임 작동기를 예시하는 단순화된 단면도이다. 도 9e에 예시된 도면은 종방향 축과 정렬된다. 도 9e에 예시된 바와 같이, 광섬유 케이블(960)의 일 측 상에 위치결정된 제1 움직임 작동 엘리먼트(962) 및 광섬유 케이블의 반대 측 상에 위치결정된 제2 움직임 작동 엘리먼트(964)는 광섬유 케이블이 수평 평면으로 이동하게 하도록 일제히 수축/팽창할 수 있다. 광섬유 케이블(960)의 제3 측 상에 위치결정된 제3 움직임 작동 엘리먼트(966) 및 광섬유 케이블의 반대 측 상에 위치결정된 제4 움직임 작동 엘리먼트(968)는 광섬유 케이블이 수직 평면으로 이동하게 하도록 일제히 수축/팽창할 수 있다. 모두 4 개의 움직임 작동 엘리먼트들의 작동에 의해, 섬유는 투사 디스플레이 사용하기에 적절하게 2 차원들에서 스캐닝될 수 있다. 도 9e에 예시된 실시예는 압전기 질량을 감소시킴으로써 더 가벼운 시스템을 제공할 수 있다. 도 9e에 예시된 직사각형 기하구조 외에, 육각형, 삼각형 등을 포함하는 다른 기하구조들은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
[0089] 통상적으로, 작동 입력들은 예컨대 90° 위상차, 180° 위상차 등의 입력 사이의 미리결정된 위상 관계로 구동된다. 예로서, 도 9d에 예시된 움직임을 달성하기 위해, +X 작동 입력의 수축 및 -X 작동 입력의 팽창은 서로에 대해 180° 위상차인 신호들에 의해 이들 작동 입력들을 구동함으로써 달성될 수 있다. 도 9a 및 도 9c를 참조하여, 제1 압전기 엘리먼트(910)는 도 9d에 예시된 바와 같이 구동되어, 이런 제1 엘리먼트가 +X 방향을 향해 구부러지게 할 수 있다. 동시에, 제2 압전기 엘리먼트(912)는 반대 방식, 즉 +X 작동 입력의 팽창 및 -X 작동 입력의 수축으로 구동되어, 이런 제2 엘리먼트가 -X 방향을 향해 구부러지게 할 수 있다. 결과적으로, 도 9b에 예시된 움직임은 이들 압전기 엘리먼트들의 협력 작동에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 각각의 엘리먼트의 작동 입력들 사이의 위상 관계 및 다양한 엘리먼트들 사이의 위상 관계는 원하는 움직임을 달성하도록 제어된다.
[0090] 도 9f는 본 발명의 실시예에 따른 다중-섹션 움직임 작동 구조를 예시하는 단순화된 측면도이다. 도 9f에 예시된 바와 같이, 압전기 구조(979)는 도 9a에 예시된 다중-섹션 엘리먼트와 유사한 2 개의 압전 엘리먼트들을 포함한다. 압전기 구조(979)는, 2 개의 압전기 엘리먼트들(또한 압전기 움직임 작동기들로 지칭됨)이 이 실시예에서 구조를 형성하기 위해 스택되기 때문에 압전기 튜브 스택으로 지칭될 수 있다. 압전기 구조(979)의 하부 부분은 고정된 베이스에 부착되어, 구조의 상단이 전극 구동 전압들에 대한 응답으로 이동하게 할 수 있다. 도 9a, 도 9d 및 도 9f와 비교하여, 도 9d에 예시된 단일 압전기 엘리먼트는 도 9a 및 도 9f에 예시된 튜브 스택을 형성하기 위해 제2 압전기 엘리먼트와 함께 스택될 것이다. 명확성의 목적들을 위해, 압전기 엘리먼트들의 외측 표면들 상의 작동 입력들(도 9d 참조)은 생략되고 작동 입력들에 연결된 전극들이 예시된다. 압전기 엘리먼트들의 내부는 금속화되고 접지에 연결된다. 본원에 설명된 바와 같이, 4 개의 위상들은 압전기 엘리먼트들의 외측 표면들 주위에 서로에 관하여 90° 배향들로 배열된 작동 입력들에 적용된다.
[0091] 비록 튜브 스택이 도 9f에 관련하여 논의되었지만, 본 발명의 실시예들은 다중-압전기 엘리먼트 구현들로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 모놀리식 압전기 튜브로부터 제조된 하부 섹션 및 상부 섹션을 가진 모놀리식 다중-섹션 압전기 엘리먼트가 활용될 수 있다. 대안적인 실시예에 따라, 변조된 광을 가진 광섬유는 압전기 구조(979)를 통과할 수 있다. 따라서, 이들 압전기 구조들은 기계적 기능성뿐 아니라 또한 광 전달에도 유용하다.
[0092] 신호 생성기(970)는 전극들(973 및 975)에 연결되고, 이어서 대응하는 작동 입력들(예컨대, 도 9d에서 +Y 및 -Y)에 연결된 출력들을 제공한다. 신호 생성기(970)는 또한 제1 90° 위상 시프터(971) 및 제2 90° 위상 시프터(972)에 연결되고, 이어서 전극들(974 및 976)에 연결되고, 차례로 대응하는 작동 입력들(예컨대, 도 9d에서 +X 및 -X)에 연결된다. 따라서, 위상 시프터들과 협력하여 신호 생성기는 서로에 관하여 90° 위상차인 4 개의 위상들을 제공한다.
[0093] 제1 및 제2 압전기 엘리먼트들의 교차부(980)에서, 전극들은 180°만큼 전극의 포지션을 시프트는 나선 구조를 형성한다. 이런 나선 구조는 S-곡선의 변곡점에 대응하는 교차부(980)에서 압전기 구동 전극들의 180° 상호교환을 가능하게 한다. 따라서, 예컨대, 구역(977)(즉, 제1 압전기 엘리먼트의 좌측)에서 작동 입력과 접촉하는 전극(974)은 구역(978)(즉, 제2 압전기 엘리먼트의 우측)의 작동 입력과 접촉하도록 시프트한다. 다른 전극들에 대해서도 전극 포지션의 유사한 180° 시프트가 발생하여, 제1 압전기 엘리먼트의 우측/좌측 또는 전면/후면 측들과 접촉하는 전극들이 또한 제2 압전기 엘리먼트의 좌측/우측 또는 후면/전면 측들에 접촉하게 된다. 예로써, 제1 압전기 엘리먼트에 대한 전극들 사이의 위상 시프트는 전극(973)(즉, 전면 작동 입력)에 대해 0°, 전극(974)(좌측 작동 입력)에 대해 90°, 전극(975)(즉, 후면 작동 입력)에 대해 180°, 및 전극(976)(즉, 우측 작동 입력)에 대해 270°로서 정의될 수 있다.
[0094] 동작 시, 필드는 압전기 엘리먼트의 외부 표면 상의 작동 입력들로부터 압전기 엘리먼트의 내부 표면 상의 공통 접지된 전극으로 방사상으로 인가된다. 좌측/우측 및 전면/후면 작동 입력들이 180° 위상차인 전극들에 의해 구동되기 때문에, 압전기 엘리먼트의 좌측/전면 측의 수축 및 압전기 엘리먼트의 우측/후면 측의 팽창이 발생한다. 도 9f에 예시된 실시예에서, 교차부(980)에서 나선 구조의 존재는 동일한 방식으로 응답하도록 2 개의 압전 엘리먼트들 상에 반대 작동 입력들을 초래한다. 예컨대, 제1 압전 엘리먼트 상의 +X 작동 입력 및 제2 압전 엘리먼트 상의 -X 작동 입력이 동일한 전극(예컨대, 전극(974))에 연결되기 때문에, 이들은 일제히 수축/팽창할 것이다. 따라서, 도 9b에 예시된 바와 같은 S-곡선 동작은, 전극(974) 상에 존재하는 전압에 대한 응답으로 구역(977)이 수축하고 구역(978)이 수축하는 경우 도 9f에 예시된 전극 구동 구성으로부터 발생한다. 압전기 엘리먼트들의 반대 측 상의 전극들이 180° 위상차이기 때문에, 구역들(977 및 978) 반대편의 구역들의 팽창은 S-곡선 동작에 기여할 것이다.
[0095] 각각의 작동 입력의 4 개의 작동 입력들에 인가된 전압들이 시간의 함수로서 가변되기 때문에, 제2 압전기 엘리먼트의 자유 단부(981)는 종 방향(즉, z-방향)에 수직인 평면에 놓이는 원을 스위핑 아웃할 수 있다.
[0096] 도 8a 및 도 9a-도 9f를 일단 다시 참조하여, 일부 실시예들에서, 섬유 링크들의 하나 이상은 예컨대 도 9a에 예시된 다중-섹션 움직임 작동 엘리먼트들을 통합하는 움직임 작동 링크들로 대체될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 제공한다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스 평면 및 베이스 평면에 직각인 종방향 축을 가진 베이스 및 종방향 축에 평행한 방향으로 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크를 포함한다. 제1 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링된다.
[0097] 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스에 결합되고 베이스로부터 연장되는 복수의 움직임 작동 링크들을 포함한다. 복수의 움직임 작동 링크들 각각은 베이스에 인접한 제1 압전기 엘리먼트 및 베이스로부터 먼 위치에서 제1 압전기 엘리먼트에 커플링된 제2 압전기 엘리먼트를 포함한다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 더 포함한다. 제1 섬유 링크 및 복수의 움직임 작동 링크들 각각의 제2 압전기 엘리먼트는 유지 칼라에 결합된다.
[0098] 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너이다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너(1000)는 전자기 이미징 방사선을 스캔하는 디스플레이 사용되고 베이스 평면을 정의하는 지지 표면(1011)(베이스(1005)의 하부 표면), 지지 표면(1011) 반대편의 장착 표면(1007) 및 베이스 평면에 직각이 종방향 축을 가진 베이스(1005)를 포함할 수 있다. 다중-엘리먼트 섬유 스캐너는 또한 베이스(1005)의 지지 표면(1011)에 커플링된 복수의 움직임 작동기들(1009)을 포함한다.
[0099] 다중-링크 섬유 구조는 장착 표면(1007)에 커플링된다. 다중-링크 섬유 구조는 베이스(110)와 유사할 수 있는 섬유 베이스(1010) 및 종방향 축에 평행한 방향으로 섬유 베이스(1010)를 통과하는 섬유 링크(1014)를 포함한다. 섬유 링크(1014)는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스(도시되지 않음)로부터 섬유 링크(1014)의 원위(도 10의 사시도에서 상단) 단부까지 동작가능하게 커플링된다.
[0100] 다중-링크 섬유 구조는 또한 섬유 베이스(1010)에 결합되고 종방향 축을 따라 섬유 베이스(1010)로부터 연장되는 복수의 움직임 작동 엘리먼트들(1040)(예컨대, 압전기 작동 엘리먼트들) 및 섬유 베이스로부터 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라(1030)를 포함한다. 섬유 링크(1014) 및 복수의 움직임 작동 엘리먼트들(1040)은 유지 칼라(1030)에 결합된다.
[0101] 실시예에서, 복수의 움직임 작동 엘리먼트들(1040) 중 하나 이상은 전자기 방사선 소스에 커플링된 부가적인 링크들로 대체된다. 게다가, 전자기 방사선의 동일하거나 상이한 소스에 커플링된 다수의 부가적인 링크들은 다중-화소 디스플레이에 대한 다수의 화소들을 동시에 출력시키는 데 활용될 수 있다.
[0102] 피스톤들로서 작용하는 복수의 움직임 작동기들(1009)을 사용한 베이스(1005)의 작동은 베이스(1005)의 축들을 중심으로 베이스의 경사를 초래한다. 경사는 단일 축을 중심으로 또는 다수의 축들을 중심으로 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 유지 칼라를 경사지게 하기 위해 베이스의 경사 및 움직임 작동 엘리먼트들의 작동은 섬유 링크로부터 방출된 광을 디스플레이 스크린을 향해 지향시키도록 섬유 링크의 움직임, 예컨대 진동의 제어를 제공한다.
[0103] 일부 구성들에서, 유지 칼라의 병진 및/또는 경사는 제1 방향으로 섬유 링크의 스캐닝을 제공할 수 있고 베이스의 경사는 제1 방향에 각각일 수 있는 제2 방향으로 섬유 링크의 스캐닝을 제공할 수 있다. 실시예에서, 제1 방향은 빠른 방향(래스터 스캔 디스플레이의 수평 스캔과 유사)이고 제2 방향은 느린 방향(래스터 스캔 디스플레이의 수직 스캔 속도와 유사)이다. 예로서, 유지 칼라는 횡 방향으로 진동될 수 있고 베이스는 측 방향으로 경사질 수 있다. 베이스의 경사 외에, 베이스는 모든 움직임 작동기들을 조화를 이뤄 팽창/수축시킴으로써 종 방향으로 병진될 수 있다.
[0104] 본원에 설명된 예들 및 실시예들이 단지 예시 목적들을 위한 것이고 이에 대한 다양한 수정들 또는 변화들이 당업자들에게 제안되고 본 출원의 사상 및 범위 및 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되어야 하는 것이 또한 이해된다.
Claims (20)
- 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너로서,
베이스 평면 및 상기 베이스 평면에 수직인 종방향 축을 가진 베이스 ― 상기 베이스는 상기 베이스 평면에서 병진하도록 동작가능함 ―;
상기 종방향 축과 평행한 방향으로 상기 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크 ― 상기 제1 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링됨 ―;
상기 베이스에 결합되고 상기 베이스를 통과하여 상기 베이스로부터 연장되는, 에어 갭(air gap)에 의해 각각이 공간적으로 분리되는 복수의 부가적인 링크들 ― 상기 제1 섬유 링크는 상기 복수의 부가적인 링크들과 독립적으로 상기 베이스를 통과하고, 상기 제1 섬유 링크 및 상기 복수의 부가적인 링크들 각각은 에어 갭들에 의해 공간적으로 분리됨 ―; 및
상기 베이스로부터 상기 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라(retention collar)
를 포함하고,
상기 제1 섬유 링크 및 상기 복수의 부가적인 링크들은 상기 유지 칼라에 개별적으로 결합되는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 섬유 링크는 상기 종방향 축과 평행한 방향으로 상기 유지 칼라를 통과하는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제1 항에 있어서,
상기 베이스에 기계적으로 커플링되고 상기 베이스 평면에서 상기 베이스를 병진시키도록 동작가능한 압전기 작동기를 더 포함하는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제3 항에 있어서,
상기 유지 칼라는 상기 베이스 평면에 평행한 평면들의 세트에서 병진하도록 동작가능한,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 부가적인 링크들 중 하나 이상은 상기 종방향 축과 평행한 상기 베이스를 통과하고 상기 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링되는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 부가적인 링크들은 상기 제1 섬유 링크를 둘러싸게 어레이되는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 부가적인 링크들은 상기 종방향 축과 평행한 방향으로 상기 베이스로부터 연장되는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 부가적인 링크들은 상기 제1 섬유 링크를 향해 경사진 각도로 상기 베이스로부터 연장되는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제8 항에 있어서,
상기 유지 칼라는 곡선형 아크를 따라 병진하도록 동작가능한,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제8 항에 있어서,
상기 제1 섬유 링크는 상기 전자기 이미징 방사선을 초점을 향해 방출하도록 동작가능한,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법으로서,
전자기 방사선의 소스를 제공하는 단계;
상기 전자가 방사선의 소스로부터 제1 섬유 링크를 통해 전자기 방사선을 지향시키는 단계 ― 상기 제1 섬유 링크는 베이스 평면 및 상기 베이스 평면에 수직인 종방향 축을 가진 베이스를 통과함 ―;
상기 베이스로부터 상기 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라를 지지하는 단계 ― 에어 갭에 의해 각각이 공간적으로 분리되는 복수의 부가적인 링크들은 개별적으로 상기 베이스를 통과하고 상기 베이스와 상기 유지 칼라를 결합하며, 상기 제1 섬유 링크는 상기 복수의 부가적인 링크들과 독립적으로 상기 베이스를 통과하고, 상기 제1 섬유 링크 및 상기 복수의 부가적인 링크들 각각은 에어 갭들에 의해 공간적으로 분리됨 ―;
상기 베이스 평면에서 상기 베이스를 병진시키는 단계;
상기 베이스 평면에 평행한 평면들의 세트에서 상기 유지 칼라를 병진시키는 단계; 및
하나 이상의 축들에서 상기 전자기 방사선을 스캐닝하는 단계
를 포함하는,
다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법. - 제11 항에 있어서,
상기 베이스 평면에서 상기 베이스를 병진시키는 단계는 제1 방향으로 상기 베이스를 작동시키는 단계 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상기 베이스를 작동시키는 단계를 포함하는,
다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법. - 제11 항에 있어서,
상기 베이스 평면에 평행한 평면들의 세트에서 상기 유지 칼라를 병진시키는 단계는 상기 복수의 부가적인 링크들을 경사지게 하는 단계를 포함하는,
다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법. - 제11 항에 있어서,
상기 복수의 부가적인 링크들 중 하나 이상은 상기 베이스를 통과하고, 상기 방법은 상기 전자기 방사선을 상기 전자기 방사선의 소스로부터 상기 복수의 부가적인 링크들 중 하나 이상을 통해 지향시키는 단계를 더 포함하는,
다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 전자기 방사선은 세기가 변조되는,
다중-엘리먼트 섬유 스캐너를 동작시키는 방법. - 전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너로서,
베이스 평면 및 상기 베이스 평면에 수직인 종방향 축을 가진 베이스;
상기 종방향 축과 평행한 방향으로 상기 베이스를 통과하는 제1 섬유 링크 ― 상기 제1 섬유 링크는 적어도 하나의 전자기 방사선 소스에 동작가능하게 커플링됨 ―;
상기 베이스로부터 상기 종방향 축을 따라 미리결정된 거리에 배치된 유지 칼라;
압전기 튜브들의 제1 세트 ― 상기 제1 세트의 제1 압전기 튜브는 상기 베이스에 결합되고 상기 베이스로부터 연장되고, 상기 제1 세트의 제2 압전기 튜브는 상기 유지 칼라에 결합되고 상기 유지 칼라로부터 연장됨 ―; 및
압전기 튜브들의 제2 세트 ― 상기 제2 세트의 제1 압전기 튜브는 상기 베이스에 결합되고 상기 베이스로부터 연장되고, 상기 제2 세트의 제2 압전기 튜브는 상기 유지 칼라에 결합되고 상기 유지 칼라로부터 연장됨 ―
를 포함하는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제16 항에 있어서,
상기 제1 섬유 링크는 상기 종방향 축과 평행한 방향으로 상기 유지 칼라를 통과하는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제16 항에 있어서,
상기 제1 세트의 제1 압전기 튜브 및 상기 제2 세트의 제1 압전기 튜브는 상기 제1 섬유 링크를 향해 경사지는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제16 항에 있어서,
상기 압전기 튜브들의 제1 세트는 상기 제1 섬유 링크의 제1 측에 위치되고 상기 압전기 튜브들의 제2 세트는 상기 제1 측에 대향하는 상기 제1 섬유 링크의 제2 측에 위치되는,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너. - 제16 항에 있어서,
상기 제1 세트의 제1 압전기 튜브 및 상기 제2 세트의 제1 압전기 튜브는 제1 방향을 향해 구부러지도록 동작가능하고, 그리고
동시에, 상기 제1 세트의 제2 압전기 튜브 및 상기 제2 세트의 제2 압전기 튜브는 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향을 향해 구부러지도록 동작가능한,
전자기 이미징 방사선을 스캐닝하기 위한 다중-엘리먼트 섬유 스캐너.
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