幾種不同的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)比

光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)是高性能光子儀器和系統(tǒng)的關(guān)鍵，這些儀器廣泛用于醫(yī)療、工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)。 ?

儀器中光學(xué)元件的基本功能是精確調(diào)控光路，進(jìn)而優(yōu)化光束質(zhì)量、準(zhǔn)直、對(duì)焦及其他關(guān)鍵參數(shù)。 ? 在產(chǎn)品開發(fā)周期中選擇合適的光束偏轉(zhuǎn)方案，將會(huì)獲得最佳產(chǎn)品性能，包括尺寸、重量、功率、速度和運(yùn)動(dòng)范圍等。本文介紹了在比較幾種不同的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（如 MEMS、微型萬向節(jié)和振鏡系統(tǒng)）時(shí)，需注意的一些事項(xiàng)。 本文評(píng)估的是除共振模式掃描振鏡和短程快速偏轉(zhuǎn)鏡之外的一系列產(chǎn)品，它們能夠提供雙軸光束偏轉(zhuǎn)（俯仰和傾斜），機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度大于4°，并能進(jìn)行精確的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位。 ? 評(píng)估的產(chǎn)品性能參數(shù)包括： ??反射鏡的尺寸和性能 ??反射鏡的調(diào)節(jié)范圍（俯仰和傾斜的角度） ??移動(dòng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間 ??步進(jìn)精度 ??電子元件和傳感器的集成度 ??系統(tǒng)總尺寸 ??移動(dòng)和保持位置所需的電壓和功率 ?

MEMS反射鏡 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是采用硅微制造方法制造的一體式結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的單件式 MEMS 鏡組，集成了單個(gè)反射鏡、致動(dòng)器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。與本文提到的其他解決方案相比，MEMS器件在大批量生產(chǎn)時(shí)成本較低。然而，其尺寸并不一定最小。MEMS反射鏡使用兩種不同的力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)：靜電力和電磁力。 ?

MEMS靜電致動(dòng)器。MEMS 靜電致動(dòng)器利用靜電吸引和排斥產(chǎn)生鏡面運(yùn)動(dòng)。鏡面旋轉(zhuǎn)是輸入電壓的非線性函數(shù)，必須進(jìn)行校準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)和控制電子元件與 MEMS是分開的。 ?

MEMS電磁致動(dòng)器。MEMS電磁致動(dòng)器使用線圈和磁鐵來產(chǎn)生洛倫茲力，從而使鏡面旋轉(zhuǎn)。這種致動(dòng)器也稱為音圈電機(jī)（VCM）。輸入電流產(chǎn)生的力可使扭轉(zhuǎn)彈簧產(chǎn)生線性偏轉(zhuǎn)，從而旋轉(zhuǎn)反射鏡。鏡面旋轉(zhuǎn)是輸入電流的函數(shù)，必須進(jìn)行校準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)和控制電子元件與MEMS也是分開的。 ?

微型萬向節(jié)組件 微型萬向節(jié)組件使用分立元件來實(shí)現(xiàn)鏡面的雙軸旋轉(zhuǎn)（俯仰和傾斜）。在此，介紹兩種類型的微型萬向節(jié)致動(dòng)器：壓電電機(jī)和 VCM。

? 基于壓電超聲波電機(jī)的微型萬向節(jié)。這種微型萬向節(jié)系統(tǒng)利用微型壓電超聲波電機(jī)，使正交鏡面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（見圖1）。直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)可產(chǎn)生線性切向力，使正交軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并可利用靜態(tài)摩擦力以零功率保持任意角度位置。集成的位置傳感器可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)和控制電子元件與反射鏡集成在一起。 ?

圖 1：基于壓電超聲波電機(jī)的微型萬向節(jié)實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)的實(shí)例圖。 ?

基于音圈致動(dòng)器（VCM）的微型萬向節(jié)。基于VCM的微型萬向節(jié)，利用線圈和磁鐵產(chǎn)生的洛倫茲力，使正交的鏡面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。電流為零時(shí)不產(chǎn)生作用力，因此鏡面移動(dòng)到柔性導(dǎo)軌的中心點(diǎn)。集成的位置傳感器可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)和控制電子元件是分開的。 ?

微型振鏡系統(tǒng) 雙軸振鏡使用兩個(gè)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)正交鏡面（見圖 2）。在此，分別介紹壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳統(tǒng)VCM驅(qū)動(dòng)的振鏡系統(tǒng)。 ?

圖 2：兩個(gè)微型壓電旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使用兩個(gè)獨(dú)立的反射鏡來偏轉(zhuǎn)激光束。 ?

基于壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型振鏡。這種振鏡有兩個(gè)獨(dú)立的壓電電機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其旋轉(zhuǎn)軸正交，沿用了傳統(tǒng)的振鏡掃描結(jié)構(gòu)。壓電電機(jī)產(chǎn)生切向力，使每個(gè)平臺(tái)上的反射鏡發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并在零功率條件下保持位置。光束從鏡子表面反射，實(shí)現(xiàn)雙軸光束轉(zhuǎn)向。角度傳感器和電子元件集成在每個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊中，因此無需外部控制器。 ?

基于VCM驅(qū)動(dòng)的振鏡。傳統(tǒng)的大尺寸振鏡采用兩個(gè)獨(dú)立的電磁旋轉(zhuǎn)模塊（VCM），驅(qū)動(dòng)兩個(gè)正交反射鏡。光束從兩個(gè)正交反射鏡反射，產(chǎn)生雙軸光束偏轉(zhuǎn)。角度傳感器是集成的。驅(qū)動(dòng)和控制電子元件是分開的。

? 如何選擇光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)？ 雖然有眾多光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)可供選擇，但此處介紹的示例通常用于光子學(xué)領(lǐng)域，特別是對(duì)精度、速度和功率有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。表1對(duì)所介紹的示例進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)比較。 ? 表1：光束偏轉(zhuǎn)鏡模塊對(duì)比圖

? 反射鏡特性：直徑和反射率。

根據(jù)光束尺寸、運(yùn)動(dòng)范圍、波長(zhǎng)和光功率這些參數(shù)選擇所需的最小反射鏡直徑和反射率大小。 MEMS 反射鏡的直徑最?。ㄍǔ?1~3mm），而且僅限于反射率適中（約 90%）的金屬涂層。反射率較高（>99%）的電介質(zhì)涂層則很難與硅微加工集成。 ? 微型萬向鏡和振鏡的直徑較大（5~20mm），并且使用可分離的反射鏡，很容易定制基底材料和涂層。 ?

選擇范圍：很多不錯(cuò)的選擇。考慮光束俯仰和傾斜的角度范圍，并且光束反射角是反射鏡角度的兩倍。由于硅結(jié)構(gòu)的限制，MEMS反射鏡對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角度比較?。ㄗ疃唷?0°）。而微型萬向節(jié)和振鏡對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)角度更大（高達(dá) ±25°）。對(duì)許多應(yīng)用而言，±10°的角度移動(dòng)已經(jīng)綽綽有余；而大于±25°的角度移動(dòng)，可能會(huì)由于低角度反射和較大的橫向光束位移而產(chǎn)生光學(xué)問題。 ?

速度：體積越大速度越快。在速度方面，傳統(tǒng)的VCM驅(qū)動(dòng)的振鏡顯然是贏家，然而其系統(tǒng)尺寸最大，耗電量也最大。這一結(jié)果可能會(huì)令人驚訝，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為體積越小速度才越快。傳統(tǒng)振鏡由于其高扭矩、高轉(zhuǎn)速以及高諧振頻率，其穩(wěn)定時(shí)間至少比其他方案快10倍（<0.25ms）。 ?
精度：系統(tǒng)越大精度越高。同樣，傳統(tǒng)振鏡也是贏家。步進(jìn)精度取決于角度傳感器的分辨率。直徑越大的傳感器測(cè)量的半徑也越大，因此角度靈敏度也越高。傳統(tǒng)振鏡的精度（0.0001°）是小型系統(tǒng)的 10-100 倍。 ?

集成：內(nèi)置控制電子元件可節(jié)省空間和時(shí)間。將電子元件、傳感器和執(zhí)行器集成到一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，是減小光束偏轉(zhuǎn)和光子系統(tǒng)總體積和總質(zhì)量的關(guān)鍵。用于微型萬向節(jié)和微型振鏡的壓電電機(jī)，將傳感器、智能驅(qū)動(dòng)和控制電子元件集成到一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中。唯一的輸入是3.3V直流電源和數(shù)顯。這種系統(tǒng)架構(gòu)大大減少了電纜和連接器，創(chuàng)建了一種即插即用的解決方案，最容易集成到光電子產(chǎn)品中。而單獨(dú)的電子元件需要更多空間，并會(huì)延長(zhǎng)開發(fā)時(shí)間。 ?

系統(tǒng)尺寸：MEMS系統(tǒng)并不是最小的。機(jī)電一體化減少了基于壓電電機(jī)微型萬向節(jié)系統(tǒng)和微型振鏡系統(tǒng)（約 4cm3）的體積，從而實(shí)現(xiàn)了最小的系統(tǒng)尺寸。MEMS系統(tǒng)的體積略大（約 8cm3），而傳統(tǒng)振鏡的體積是其 750倍（1500cm3）。 ? ? ? 雖然MEMS系統(tǒng)元件非常小，但創(chuàng)建系統(tǒng)所需的外圍設(shè)備及電子器件卻相對(duì)較大。高壓驅(qū)動(dòng)電子元件和連接件的微型化，也具有挑戰(zhàn)性。 ?

系統(tǒng)功率：移動(dòng)和保持功率。必須同時(shí)考慮移動(dòng)功率和保持功率，才能為應(yīng)用案例選擇最佳解決方案。當(dāng)移動(dòng)不頻繁時(shí)，保持功率占主導(dǎo)地位。當(dāng)移動(dòng)頻次較高時(shí)，移動(dòng)功率最為重要。在這些案例中，功率選擇的跨度超過300倍。 移動(dòng)功率最小的是MEMS靜電反射鏡，其移動(dòng)功率僅為150mW。而壓電電機(jī)的移動(dòng)功率要高出5-10倍（150~1500mW）。較小的 VCM 移動(dòng)功率為 2~12W，而傳統(tǒng)的大型振鏡移動(dòng)功率需 50W。 ? 壓電電機(jī)的保持功率最小，其可以通過靜摩擦力保持，耗電量為零?？梢酝ㄟ^關(guān)閉電子元件來實(shí)現(xiàn)。如果電子元件必須保持激活狀態(tài)，則壓電電機(jī)和 MEMS 靜電反射鏡的靜態(tài)功率在 10mw以內(nèi)。 ?

哪種光束偏轉(zhuǎn)方案最適合？ 在選擇最佳解決方案時(shí)，要權(quán)衡利弊。傳統(tǒng)的大尺寸振鏡可以實(shí)現(xiàn)最佳精度和速度。具有嵌入式電子元件的壓電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)最佳尺寸、重量和功率（SWaP）。

? 對(duì)于高度定制化的應(yīng)用來說，MEMS系統(tǒng)可能并不實(shí)用。然而，MEMS系統(tǒng)可以為大批量生產(chǎn)提供成本最低的選擇。 ? 壓電電機(jī)光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是機(jī)電一體化解決方案，專為光子儀器中的嵌入式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。這些創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了最小的系統(tǒng)尺寸、最簡(jiǎn)單的集成和最快的開發(fā)時(shí)間。 ?

嵌入式光束偏轉(zhuǎn)解決方案與探測(cè)器、光源、計(jì)算機(jī)處理性能、成像、生物學(xué)、量子器件和微光學(xué)領(lǐng)域的光子技術(shù)創(chuàng)新并駕齊驅(qū)。當(dāng)與下一代光子學(xué)儀器相結(jié)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多新的功能，包括：更緊密的光通道和采樣通道，以提高吞吐量；更靈敏、更快速的探測(cè)器，以更高的信噪比采集更多數(shù)據(jù)；嵌入式計(jì)算機(jī)處理和存儲(chǔ)器，用于近傳感器數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理；縮小樣品尺寸；降低功耗和熱量；以及在更大范圍的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。 ?

審核編輯：黃飛

?