一旦主要圍繞著體積龐大而且價(jià)格昂貴的氪離子激光器的最新的多色激光系統(tǒng)建成，就可以利用改進(jìn)后的掃描系統(tǒng)和先進(jìn)的軟件可編程性來(lái)增強(qiáng)激光燈光表演的體驗(yàn)。
用于在所需的區(qū)域內(nèi)引導(dǎo)，定位或“掃描”激光束的光學(xué)掃描儀被廣泛使用在整個(gè)工業(yè)，醫(yī)療和娛樂(lè)激光產(chǎn)業(yè)?；谡耒R的光學(xué)掃描儀的最新進(jìn)展可以大大提高激光系統(tǒng)的效果，從而提高激光燈光表演的顧客體驗(yàn)。
由于光束只受折射，衍射，或反射的影響，光學(xué)掃描儀已被開(kāi)發(fā)出來(lái),以利用這些方法中的每一種。因此，從廣義上講，光學(xué)掃描儀可以分為三種類型：通過(guò)衍射來(lái)偏轉(zhuǎn)光束的聲光掃描儀；通過(guò)折射來(lái)偏轉(zhuǎn)光束的電光掃描儀；通過(guò)反射來(lái)偏轉(zhuǎn)光束的機(jī)械掃描儀（諧振，多邊形，以及振鏡等掃描類型）。而所有這些掃描儀類型已經(jīng)使用了幾十年，第三類掃描儀中的振鏡掃描儀效果最好。
聲光和電光掃描儀
通過(guò)其超過(guò)100kHz的掃描速度，聲光和電光掃描儀可以迅速地在任意方向上掃描光束。然而，他們的掃描角度通常只有有限的幾度或更少，而且往往這些掃描儀不能同時(shí)使用多個(gè)波長(zhǎng)。而且聲光掃描儀在單軸上的光學(xué)透過(guò)率也被限定在大約80%或更低的水平，這些特性使得它們不適用于激光燈光表演的場(chǎng)合。
共振和多邊形掃描儀
在另一方面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)物理反射鏡來(lái)工作的機(jī)械掃描儀，通過(guò)鍍膜可以以非常高的反射率來(lái)反射任何波長(zhǎng)或波長(zhǎng)組合——因此具有非常高的光學(xué)透過(guò)率。
通過(guò)使用該物理反射鏡，共振和多邊形掃描儀都可以在非常寬的角度上掃描光束，但它們的局限性在于只能一遍又一遍的重復(fù)掃描相同的模式。對(duì)于某些應(yīng)用，如印刷，這是非?？扇〉模珜?duì)于需要在一個(gè)隨機(jī)區(qū)域內(nèi)以非重復(fù)的模式或定位來(lái)掃描光束的應(yīng)用，振鏡掃描儀是唯一的選擇。
振鏡掃描器
簡(jiǎn)稱為掃描振鏡（Galvo）的基于振鏡的機(jī)械掃描儀包含由某種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的物理鏡子。多數(shù)時(shí)候，鏡子被連接到電機(jī)的軸上，但在某些設(shè)計(jì)中，鏡子和電機(jī)可能是一個(gè)單獨(dú)的集成單元。
振鏡電機(jī)被進(jìn)行了專業(yè)設(shè)計(jì)，能夠在一個(gè)有限的角度范圍內(nèi)（通常在20±°）轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)。振鏡電機(jī)還采用了一個(gè)高精度的位置檢測(cè)器，提供反饋給一個(gè)單獨(dú)的控制器，實(shí)現(xiàn)5μrad（1公里的距離處偏差5毫米）的指向重復(fù)性。
掃描振鏡和幾乎所有的機(jī)械掃描儀將光束從旋轉(zhuǎn)反射鏡上反射出去，從而光學(xué)角度上能達(dá)到的掃描角是電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度的兩倍。對(duì)于掃描振鏡來(lái)說(shuō)，這意味著它們可以以寬達(dá)80°甚至更寬的最大掃描角度來(lái)投射光束，并且可以相對(duì)容易地配置成雙軸掃描。
掃描振鏡的局限
雖然掃描振鏡具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括很寬的掃描角，掃描多波長(zhǎng)光束的能力，高精度，接近100%的透光率，但是掃描振鏡也有一個(gè)缺點(diǎn)：速度。作為一個(gè)將真正的運(yùn)動(dòng)傳遞給物理鏡子的機(jī)械掃描儀，掃描振鏡受到物理學(xué)定律的限制。一般來(lái)說(shuō)，這意味著他們只能被用于掃描幾百赫茲和幾千赫茲之間的頻率。
而雖然物理可以決定物理鏡子因?yàn)殡姍C(jī)產(chǎn)生的力（扭矩）以及鏡子的質(zhì)量（慣性）可以轉(zhuǎn)動(dòng)得多快，但是這并不總是很明顯，因?yàn)樵诠舱癖豢朔?，物理學(xué)的其他定律決定了電機(jī)和鏡子可以移動(dòng)得多快。通常，在電機(jī)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有用完其可以產(chǎn)生更大的掃描速度的扭矩之前，系統(tǒng)中的共振就已經(jīng)導(dǎo)致投影的圖像變得扭曲。
振鏡的演變
在1976左右開(kāi)始了一系列的振鏡掃描儀設(shè)計(jì)和專利。這些早期的設(shè)計(jì)涉及了固定的鋁鎳鈷磁體和“動(dòng)鐵”式轉(zhuǎn)子的使用。事實(shí)上，動(dòng)鐵式振鏡在帶狀圖記錄器，激光娛樂(lè)顯示器，和早期的激光打標(biāo)機(jī)上獲得了很好的商業(yè)上的成功。
動(dòng)鐵式振鏡通常是難以打破的強(qiáng)大的工具。然而，它們相對(duì)高的電感和磁路使移動(dòng)的鐵轉(zhuǎn)子對(duì)磁通量達(dá)到飽和，從而給可以開(kāi)發(fā)的扭矩量放置了一個(gè)很堅(jiān)固的上限。雖然轉(zhuǎn)子缺乏一些剛度（或者說(shuō)激發(fā)轉(zhuǎn)子和鏡子共振的可能性），但是自其被引入以來(lái)，動(dòng)鐵式振鏡已經(jīng)作為被選擇的工具使用了約20年。
動(dòng)圈式振鏡也以這種或那種的方式存在了幾十年，其最早的設(shè)備應(yīng)用于20世紀(jì)。在上世紀(jì)70年代和80年代，動(dòng)圈式振鏡也在非常專業(yè)的光學(xué)帶狀圖表記錄儀上出現(xiàn)過(guò)，并在整個(gè)上世紀(jì)90年代被用在一些激光打標(biāo)機(jī)上。雖然在專門(mén)的應(yīng)用中還在使用，但是動(dòng)圈式振鏡從來(lái)沒(méi)有達(dá)到過(guò)動(dòng)鐵式振鏡或演變的下一步——動(dòng)磁式振鏡的成功程度。
動(dòng)磁式振鏡
1992年，振鏡制造商開(kāi)始生產(chǎn)“動(dòng)磁式掃描儀”，因其轉(zhuǎn)子是由一個(gè)圓柱形磁鐵構(gòu)成而得名。雖然動(dòng)磁式設(shè)計(jì)的設(shè)想和專利在1976年就已經(jīng)有了，但是直到釹“超級(jí)磁鐵”在上世紀(jì)80年代末開(kāi)發(fā)出來(lái)之后，它們才變成了實(shí)用的產(chǎn)品。
因?yàn)榫€圈在電機(jī)內(nèi)部形成的方式以及它被放置在磁路中的位置，動(dòng)磁式振鏡比動(dòng)鐵式振鏡的電感要小10倍左右。此外，由于在磁回路中沒(méi)有細(xì)小的路徑，動(dòng)鐵式振鏡中存在的磁飽和效應(yīng)在這里是不存在的，這意味著扭矩生產(chǎn)相關(guān)的物理定律得到了極大的緩解——尤其是當(dāng)使用短的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，例如在激光打標(biāo)應(yīng)用中。
不幸的是，動(dòng)磁式振鏡并沒(méi)有解決所有電極相關(guān)的問(wèn)題。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用需要長(zhǎng)時(shí)間的高速度和大角度運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的動(dòng)磁式電機(jī)結(jié)構(gòu)容易過(guò)熱，以及在掃描過(guò)程中造成彎曲和共振等問(wèn)題。而雖然先進(jìn)的鏡面材料，如硅，碳化硅，和鈹可以部分緩解這些共振相關(guān)的問(wèn)題，但是在掃描速度受到損害的同時(shí)，獲得這些材料的途徑非常受限，而且掃描系統(tǒng)的成本也會(huì)增加。
一個(gè)新的方式
受挫于振鏡掃描速度的停滯不前，Pangolin Laser Systems（一家位于美國(guó)佛羅里達(dá)州奧蘭多市的激光系統(tǒng)公司）的總裁和首席工程師WilliamR. Benner,Jr.開(kāi)始構(gòu)思和開(kāi)發(fā)可以克服常規(guī)動(dòng)磁式振鏡的局限性的掃描儀。這位曾撰寫(xiě)過(guò)電機(jī)設(shè)計(jì)書(shū)籍和作為噴氣式客機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)專家的大學(xué)教授，投入到了對(duì)磁鐵/軸/鏡子的相互作用的分析中去，以確定材料、形狀和構(gòu)造技術(shù)的可能的最佳組合。
在計(jì)算機(jī)上采用有限元分析技術(shù)微調(diào)了成千上萬(wàn)的設(shè)計(jì)迭代和制造了數(shù)十個(gè)原型并形成了十幾個(gè)專利（大多數(shù)已被授權(quán)）之后，Pangolin公司成立了一個(gè)叫做ScannerMAX的新部門(mén)來(lái)生產(chǎn)其同名的掃描振鏡。
從本質(zhì)上講，這些振鏡更強(qiáng)大而且溫度更低，目標(biāo)是解決限制性能的兩個(gè)主要障礙。首先，隨著掃描速度的進(jìn)一步增加，每一個(gè)旋轉(zhuǎn)的東西（磁鐵，軸承，和任何鏡座）將變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致投影的圖像失真。其次，隨著越來(lái)越多的電流注入到振鏡電機(jī)中以產(chǎn)生更大的扭矩，熱量會(huì)以幾何的速度產(chǎn)生。由于電機(jī)在損壞結(jié)果之前只能吸收這么大的熱量，因此這將是一個(gè)可以由電機(jī)產(chǎn)生的恒定扭矩的上限。
更強(qiáng)大的振鏡
傳統(tǒng)的振鏡具有一個(gè)直徑比磁鐵小得多的輸出軸。制造商常常在這個(gè)非常小的軸上鉆一個(gè)孔，在其中放置一個(gè)“停止銷”(stoppingpin)來(lái)限制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)量。不幸的是，這意味著，這個(gè)軸必須做得更長(zhǎng)以容納停止銷，這個(gè)用來(lái)容納停止銷的孔會(huì)削弱軸的強(qiáng)度。然后一個(gè)獨(dú)立的鏡座被用來(lái)作為軸和鏡子之間的界面，從而增加了磁鐵和鏡子之間的距離。
在這種情況下，鏡座通常只抓住了鏡子底部邊緣1毫米左右或者更少的區(qū)域。用于掃描10毫米激光束的鏡子通常有24毫米長(zhǎng)，這意味著只有1/24的鏡子是由鏡座支撐的——這是一個(gè)容易發(fā)生共振的非最優(yōu)化架構(gòu)。雖然幾乎總是需要在伺服電機(jī)中使用一個(gè)陷波濾波器來(lái)控制共振，但是這些濾波器也會(huì)在伺服回路中引進(jìn)相位延遲，并傾向于影響鏡子運(yùn)動(dòng)的純度。
ScannerMAX的結(jié)構(gòu)則完全不同。輸出軸的直徑通常與磁鐵的直徑一樣，由于軸的剛度與直徑的四次方成正比，僅由直徑這一項(xiàng)，其剛度就比常規(guī)的振鏡要增加5倍以上。此外，它沒(méi)有使用停止銷，因此也不需要停止孔，使得該軸盡可能的短，而且沒(méi)有內(nèi)部空隙，從而達(dá)到最大剛度（見(jiàn)圖1）。
ScannerMAX的結(jié)構(gòu)則完全不同。輸出軸的直徑通常與磁鐵的直徑一樣，由于軸的剛度與直徑的四次方成正比，僅由直徑這一項(xiàng)，其剛度就比常規(guī)的振鏡要增加5倍以上。此外，它沒(méi)有使用停止銷，因此也不需要停止孔，使得該軸盡可能的短，而且沒(méi)有內(nèi)部空隙，從而達(dá)到最大剛度（見(jiàn)圖1）。
圖1. 傳統(tǒng)振鏡的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（左）與ScannerMAX Saturn的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（右）對(duì)比。
為了在不使用停止孔的情況下限制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，該掃描儀使用了一個(gè)正在申請(qǐng)專利的外部鏡子保險(xiǎn)杠。然后該鏡子被直接安裝在軸的一個(gè)槽內(nèi)，所以沒(méi)有使用單獨(dú)的鏡座。使用此轉(zhuǎn)子技術(shù)，磁鐵和鏡子之間的距離（一個(gè)決定共振的最終的因素）顯著縮短了。
最后，鏡子和軸之間的界面不是一個(gè)簡(jiǎn)單的槽，而是一個(gè)包含“靠背”的槽。我們把這個(gè)比作坐在帶有靠背的椅子上和坐在凳子上的差別。所有轉(zhuǎn)子組件和改進(jìn)后的反射鏡支撐系統(tǒng)所帶來(lái)的剛度增加意味著在伺服回路中已不需要使用陷波濾波器，簡(jiǎn)化了伺服設(shè)計(jì)，同時(shí)也促進(jìn)非常光滑和純凈的鏡子運(yùn)動(dòng)。
冷卻的振鏡
傳統(tǒng)的振鏡構(gòu)造是一個(gè)圓型的鋼鐵外殼,銅導(dǎo)線被放置在鋼殼與中心的磁鐵之間。這導(dǎo)致了各種局限性，包括因?yàn)樾枰诰€圈和空氣空間之間進(jìn)行平衡而帶來(lái)的空氣隙中磁通量密度的限制，以及可以從電機(jī)中帶走的熱量的限制。
與之不同的是，ScannerMAX在位于鋼層內(nèi)的槽之間使用銅導(dǎo)線，通過(guò)這種方式，空氣隙被顯著減小而系統(tǒng)的磁通量密度被大大提高（參見(jiàn)圖2）。這些槽也使得使用更粗的銅線成為可能，這將降低線圈的電阻。
圖2. 圖中顯示了帶制冷器的傳統(tǒng)振鏡的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（左）和無(wú)需冷卻的ScannerMAX Saturn的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（右）。
隨著磁鐵和鋼鐵之間的磁通密度的增加，產(chǎn)生相同的扭矩所需要的銅線的圈數(shù)變少，使得電機(jī)可以在比傳統(tǒng)的振鏡更低的溫度下運(yùn)行。在輸出相同扭矩的情況下，該掃描儀的溫度通常只有傳統(tǒng)掃描振鏡的1/3到1/2。因?yàn)檎耒R中的熱量直接正比于線圈的電阻，所以它們?cè)诮o定的輸出扭矩下運(yùn)行的溫度更低，或者相反地，在給定的熱量下產(chǎn)生的扭矩更大（參見(jiàn)圖3）。
圖3.在熱方面不堪重負(fù)的傳統(tǒng)的振鏡電機(jī)（左）與在提供的扭矩下運(yùn)行溫度更低的ScannerMAX Saturn電機(jī)（右）的比較。
增加轉(zhuǎn)子的剛度可以通過(guò)減少系統(tǒng)的共振來(lái)增加掃描速度，本質(zhì)上是避開(kāi)發(fā)生圖像失真的頻率。降低電機(jī)線圈的電阻也因其可以使得電機(jī)可以在更高的速率下工作而不至于過(guò)熱而提高了掃描速度。對(duì)于激光燈光表演顯示器來(lái)說(shuō)，Pangolin公司的ScannerMAXSaturn 1 產(chǎn)品在沒(méi)有外部制冷的情況下提供了一個(gè)比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)快3倍的掃描速度（參見(jiàn)圖4）。
圖4.因其比傳統(tǒng)掃描振鏡高三倍的速度（而且價(jià)格也低三倍），ScannerMAX需要更少的電力，更少的物理空間，以及無(wú)需外部冷卻。
在投影顯示器之外，我們相信這種技術(shù)的最大受益者將是從事共焦顯微鏡以及光學(xué)相干斷層掃描的生物醫(yī)學(xué)研究者，因?yàn)檫@些應(yīng)用直到現(xiàn)在都依賴于傳統(tǒng)振鏡的當(dāng)前版本，而因?yàn)閽呙柚挟a(chǎn)生的熱，這些振鏡都具有相對(duì)短的壽命。
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