60、光学扫描技术：从压电扫描器到全息条形码扫描器

光学扫描技术：从压电扫描器到全息条形码扫描器

1. 压电“弯曲器”结构与原理

1.1 压电“弯曲器”结构

压电“弯曲器”通常由具有相反极性的压电材料（典型的如 PZT）夹在两个电极之间构成。当在电极上施加电压时，会产生电场，使得其中一个条状物长度增加，另一个长度减小，从而使结构产生弯曲，类似于双金属结构因温度变化而弯曲。这里的弯曲器严格来说是单形态的，即只有一层有源的压电材料。两个弯曲器的自由端通过扭杆与镜子基板相连，且弯曲器由大小相等、极性相反的电压驱动，使它们的运动方向相反，进而带动镜子基板绕中心轴旋转。

1.2 PZT 材料的特性

PZT 陶瓷在极化前是各向同性的，不具有压电性。极化过程是将材料加热到居里温度，并施加直流电场，使原本随机取向的偶极子与电场方向平行排列。冷却后，偶极子保持这种排列，导致晶体发生畸变，在与电场平行和垂直的方向上尺寸都有所增长。但由此产生的轴向应变通常较小（0.2%），并且存在滞后现象。

1.3 PZT 材料的位移特性

当向致动器中的 PZT 材料施加电场时，材料会在两个方向上产生位移：与电场平行和垂直的方向。这两个方向的位移符号相反，即当材料在平行于电场方向膨胀时，在垂直方向收缩，反之亦然。平行位移的极性由电场相对于材料畴的方向决定。如果极化方向与电场方向相反，材料会在平行于电场方向膨胀，垂直方向收缩；如果畴与电场方向平行，随着电场增强，材料会先收缩，直到 50%的畴方向反转，之后材料又开始膨胀。在极化方向与电场方向相反的情况下，位移量可以用公式 (D_3 = d_{33}V_3) 估算，其中 (D_3) 是“3”方向（垂直于电容器极板）的位移，(V_3) 是电容器极板间施加的电压，(d_{33