光束偏轉技術是高性能光子儀器和系統(tǒng)的關鍵，這些儀器廣泛用于醫(yī)療、工業(yè)和消費市場。 ?

儀器中光學元件的基本功能是精確調控光路，進而優(yōu)化光束質量、準直、對焦及其他關鍵參數(shù)。 ? 在產品開發(fā)周期中選擇合適的光束偏轉方案，將會獲得最佳產品性能，包括尺寸、重量、功率、速度和運動范圍等。本文介紹了在比較幾種不同的光束偏轉系統(tǒng)（如 MEMS、微型萬向節(jié)和振鏡系統(tǒng)）時，需注意的一些事項。 本文評估的是除共振模式掃描振鏡和短程快速偏轉鏡之外的一系列產品，它們能夠提供雙軸光束偏轉（俯仰和傾斜），機械旋轉角度大于4°，并能進行精確的點對點定位。 ? 評估的產品性能參數(shù)包括： ??反射鏡的尺寸和性能 ??反射鏡的調節(jié)范圍（俯仰和傾斜的角度） ??移動時間和穩(wěn)定時間 ??步進精度 ??電子元件和傳感器的集成度 ??系統(tǒng)總尺寸 ??移動和保持位置所需的電壓和功率 ?

MEMS反射鏡 微機電系統(tǒng)（MEMS）是采用硅微制造方法制造的一體式結構。復雜的單件式 MEMS 鏡組，集成了單個反射鏡、致動器和導向機構。與本文提到的其他解決方案相比，MEMS器件在大批量生產時成本較低。然而，其尺寸并不一定最小。MEMS反射鏡使用兩種不同的力進行驅動：靜電力和電磁力。 ?

MEMS靜電致動器。MEMS 靜電致動器利用靜電吸引和排斥產生鏡面運動。鏡面旋轉是輸入電壓的非線性函數(shù)，必須進行校準。驅動和控制電子元件與 MEMS是分開的。 ?

MEMS電磁致動器。MEMS電磁致動器使用線圈和磁鐵來產生洛倫茲力，從而使鏡面旋轉。這種致動器也稱為音圈電機（VCM）。輸入電流產生的力可使扭轉彈簧產生線性偏轉，從而旋轉反射鏡。鏡面旋轉是輸入電流的函數(shù)，必須進行校準。驅動和控制電子元件與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現(xiàn)鏡面的雙軸旋轉（俯仰和傾斜）。在此，介紹兩種類型的微型萬向節(jié)致動器：壓電電機和 VCM。

? 基于壓電超聲波電機的微型萬向節(jié)。這種微型萬向節(jié)系統(tǒng)利用微型壓電超聲波電機，使正交鏡面產生旋轉（見圖1）。直線驅動電機可產生線性切向力，使正交軸產生旋轉，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現(xiàn)閉環(huán)控制。驅動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的微型萬向節(jié)實現(xiàn)光束偏轉的實例圖。 ?

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

微型振鏡系統(tǒng) 雙軸振鏡使用兩個獨立的旋轉致動器驅動兩個正交鏡面（見圖 2）。在此，分別介紹壓電電機驅動和傳統(tǒng)VCM驅動的振鏡系統(tǒng)。 ?

圖 2：兩個微型壓電旋轉平臺，使用兩個獨立的反射鏡來偏轉激光束。 ?

基于壓電電機驅動的微型振鏡。這種振鏡有兩個獨立的壓電電機旋轉平臺，其旋轉軸正交，沿用了傳統(tǒng)的振鏡掃描結構。壓電電機產生切向力，使每個平臺上的反射鏡發(fā)生旋轉，并在零功率條件下保持位置。光束從鏡子表面反射，實現(xiàn)雙軸光束轉向。角度傳感器和電子元件集成在每個旋轉模塊中，因此無需外部控制器。 ?

基于VCM驅動的振鏡。傳統(tǒng)的大尺寸振鏡采用兩個獨立的電磁旋轉模塊（VCM），驅動兩個正交反射鏡。光束從兩個正交反射鏡反射，產生雙軸光束偏轉。角度傳感器是集成的。驅動和控制電子元件是分開的。

? 如何選擇光束偏轉系統(tǒng)？ 雖然有眾多光束偏轉技術可供選擇，但此處介紹的示例通常用于光子學領域，特別是對精度、速度和功率有嚴格要求的應用。表1對所介紹的示例進行了詳細的技術比較。 ? 表1：光束偏轉鏡模塊對比圖

? 反射鏡特性：直徑和反射率。

根據(jù)光束尺寸、運動范圍、波長和光功率這些參數(shù)選擇所需的最小反射鏡直徑和反射率大小。 MEMS 反射鏡的直徑最小（通常為 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。由于硅結構的限制，MEMS反射鏡對光束的偏轉角度比較?。ㄗ疃唷?0°）。而微型萬向節(jié)和振鏡對光束的偏轉角度更大（高達 ±25°）。對許多應用而言，±10°的角度移動已經綽綽有余；而大于±25°的角度移動，可能會由于低角度反射和較大的橫向光束位移而產生光學問題。 ?

速度：體積越大速度越快。在速度方面，傳統(tǒng)的VCM驅動的振鏡顯然是贏家，然而其系統(tǒng)尺寸最大，耗電量也最大。這一結果可能會令人驚訝，因為通常認為體積越小速度才越快。傳統(tǒng)振鏡由于其高扭矩、高轉速以及高諧振頻率，其穩(wěn)定時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。步進精度取決于角度傳感器的分辨率。直徑越大的傳感器測量的半徑也越大，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：內置控制電子元件可節(jié)省空間和時間。將電子元件、傳感器和執(zhí)行器集成到一個完整的運動系統(tǒng)中，是減小光束偏轉和光子系統(tǒng)總體積和總質量的關鍵。用于微型萬向節(jié)和微型振鏡的壓電電機，將傳感器、智能驅動和控制電子元件集成到一個機電一體化系統(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品中。而單獨的電子元件需要更多空間，并會延長開發(fā)時間。 ?

系統(tǒng)尺寸：MEMS系統(tǒng)并不是最小的。機電一體化減少了基于壓電電機微型萬向節(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)所需的外圍設備及電子器件卻相對較大。高壓驅動電子元件和連接件的微型化，也具有挑戰(zhàn)性。 ?

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

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

? 對于高度定制化的應用來說，MEMS系統(tǒng)可能并不實用。然而，MEMS系統(tǒng)可以為大批量生產提供成本最低的選擇。 ? 壓電電機光束偏轉系統(tǒng)是機電一體化解決方案，專為光子儀器中的嵌入式運動系統(tǒng)而設計。這些創(chuàng)新實現(xiàn)了最小的系統(tǒng)尺寸、最簡單的集成和最快的開發(fā)時間。 ?

嵌入式光束偏轉解決方案與探測器、光源、計算機處理性能、成像、生物學、量子器件和微光學領域的光子技術創(chuàng)新并駕齊驅。當與下一代光子學儀器相結合時，會產生更多新的功能，包括：更緊密的光通道和采樣通道，以提高吞吐量；更靈敏、更快速的探測器，以更高的信噪比采集更多數(shù)據(jù)；嵌入式計算機處理和存儲器，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)境中實現(xiàn)穩(wěn)健的主動對準。 ?

審核編輯：黃飛

?