一旦主要围绕着体积庞大而且价格昂贵的氪离子激光器的最新的多色激光系统建成，就可以利用改进后的扫描系统和先进的软件可编程性来增强激光灯光表演的体验。

　　用于在所需的区域内引导，定位或“扫描”激光束的光学扫描仪被广泛使用在整个工业，医疗和娱乐激光产业。基于振镜的光学扫描仪的最新进展可以大大提高激光系统的效果，从而提高激光灯光表演的顾客体验。

　　由于光束只受折射，衍射，或反射的影响，光学扫描仪已被开发出来,以利用这些方法中的每一种。因此，从广义上讲，光学扫描仪可以分为三种类型：通过衍射来偏转光束的声光扫描仪；通过折射来偏转光束的电光扫描仪；通过反射来偏转光束的机械扫描仪（谐振，多边形，以及振镜等扫描类型）。而所有这些扫描仪类型已经使用了几十年，第三类扫描仪中的振镜扫描仪效果最好。
 

　　声光和电光扫描仪

　　通过其超过100kHz的扫描速度，声光和电光扫描仪可以迅速地在任意方向上扫描光束。然而，他们的扫描角度通常只有有限的几度或更少，而且往往这些扫描仪不能同时使用多个波长。而且声光扫描仪在单轴上的光学透过率也被限定在大约80%或更低的水平，这些特性使得它们不适用于激光灯光表演的场合。
 

　　共振和多边形扫描仪

　　在另一方面，通过旋转物理反射镜来工作的机械扫描仪，通过镀膜可以以非常高的反射率来反射任何波长或波长组合——因此具有非常高的光学透过率。

　　通过使用该物理反射镜，共振和多边形扫描仪都可以在非常宽的角度上扫描光束，但它们的局限性在于只能一遍又一遍的重复扫描相同的模式。对于某些应用，如印刷，这是非常可取的，但对于需要在一个随机区域内以非重复的模式或定位来扫描光束的应用，振镜扫描仪是唯一的选择。
 

　　振镜扫描器

　　简称为扫描振镜（Galvo）的基于振镜的机械扫描仪包含由某种电机驱动的物理镜子。多数时候，镜子被连接到电机的轴上，但在某些设计中，镜子和电机可能是一个单独的集成单元。

　　振镜电机被进行了专业设计，能够在一个有限的角度范围内（通常在20±°）转动，而不是简单地旋转。振镜电机还采用了一个高精度的位置检测器，提供反馈给一个单独的控制器，实现5μrad（1公里的距离处偏差5毫米）的指向重复性。

　　扫描振镜和几乎所有的机械扫描仪将光束从旋转反射镜上反射出去，从而光学角度上能达到的扫描角是电机的实际旋转角度的两倍。对于扫描振镜来说，这意味着它们可以以宽达80°甚至更宽的最大扫描角度来投射光束，并且可以相对容易地配置成双轴扫描。
 

　　扫描振镜的局限

　　虽然扫描振镜具有很多优点，包括很宽的扫描角，扫描多波长光束的能力，高精度，接近100%的透光率，但是扫描振镜也有一个缺点：速度。作为一个将真正的运动传递给物理镜子的机械扫描仪，扫描振镜受到物理学定律的限制。一般来说，这意味着他们只能被用于扫描几百赫兹和几千赫兹之间的频率。

　　而虽然物理可以决定物理镜子因为电机产生的力（扭矩）以及镜子的质量（惯性）可以转动得多快，但是这并不总是很明显，因为在共振被克服之前，物理学的其他定律决定了电机和镜子可以移动得多快。通常，在电机还远远没有用完其可以产生更大的扫描速度的扭矩之前，系统中的共振就已经导致投影的图像变得扭曲。
 

　　振镜的演变

　　在1976左右开始了一系列的振镜扫描仪设计和专利。这些早期的设计涉及了固定的铝镍钴磁体和“动铁”式转子的使用。事实上，动铁式振镜在带状图记录器，激光娱乐显示器，和早期的激光打标机上获得了很好的商业上的成功。

　　动铁式振镜通常是难以打破的强大的工具。然而，它们相对高的电感和磁路使移动的铁转子对磁通量达到饱和，从而给可以开发的扭矩量放置了一个很坚固的上限。虽然转子缺乏一些刚度（或者说激发转子和镜子共振的可能性），但是自其被引入以来，动铁式振镜已经作为被选择的工具使用了约20年。

　　动圈式振镜也以这种或那种的方式存在了几十年，其最早的设备应用于20世纪。在上世纪70年代和80年代，动圈式振镜也在非常专业的光学带状图表记录仪上出现过，并在整个上世纪90年代被用在一些激光打标机上。虽然在专门的应用中还在使用，但是动圈式振镜从来没有达到过动铁式振镜或演变的下一步——动磁式振镜的成功程度。
 

　　动磁式振镜

　　1992年，振镜制造商开始生产“动磁式扫描仪”，因其转子是由一个圆柱形磁铁构成而得名。虽然动磁式设计的设想和专利在1976年就已经有了，但是直到钕“超级磁铁”在上世纪80年代末开发出来之后，它们才变成了实用的产品。

　　因为线圈在电机内部形成的方式以及它被放置在磁路中的位置，动磁式振镜比动铁式振镜的电感要小10倍左右。此外，由于在磁回路中没有细小的路径，动铁式振镜中存在的磁饱和效应在这里是不存在的，这意味着扭矩生产相关的物理定律得到了极大的缓解——尤其是当使用短的瞬时运动时，例如在激光打标应用中。

　　不幸的是，动磁式振镜并没有解决所有电极相关的问题。当一个应用需要长时间的高速度和大角度运动时，传统的动磁式电机结构容易过热，以及在扫描过程中造成弯曲和共振等问题。而虽然先进的镜面材料，如硅，碳化硅，和铍可以部分缓解这些共振相关的问题，但是在扫描速度受到损害的同时，获得这些材料的途径非常受限，而且扫描系统的成本也会增加。
 

　　一个新的方式

　　受挫于振镜扫描速度的停滞不前，Pangolin Laser Systems（一家位于美国佛罗里达州奥兰多市的激光系统公司）的总裁和首席工程师WilliamR. Benner,Jr.开始构思和开发可以克服常规动磁式振镜的局限性的扫描仪。这位曾撰写过电机设计书籍和作为喷气式客机转子设计专家的大学教授，投入到了对磁铁/轴/镜子的相互作用的分析中去，以确定材料、形状和构造技术的可能的最佳组合。

　　在计算机上采用有限元分析技术微调了成千上万的设计迭代和制造了数十个原型并形成了十几个专利（大多数已被授权）之后，Pangolin公司成立了一个叫做ScannerMAX的新部门来生产其同名的扫描振镜。

　　从本质上讲，这些振镜更强大而且温度更低，目标是解决限制性能的两个主要障碍。首先，随着扫描速度的进一步增加，每一个旋转的东西（磁铁，轴承，和任何镜座）将变得不稳定，从而导致投影的图像失真。其次，随着越来越多的电流注入到振镜电机中以产生更大的扭矩，热量会以几何的速度产生。由于电机在损坏结果之前只能吸收这么大的热量，因此这将是一个可以由电机产生的恒定扭矩的上限。
 

　　更强大的振镜

　　传统的振镜具有一个直径比磁铁小得多的输出轴。制造商常常在这个非常小的轴上钻一个孔，在其中放置一个“停止销”(stoppingpin)来限制电机的旋转量。不幸的是，这意味着，这个轴必须做得更长以容纳停止销，这个用来容纳停止销的孔会削弱轴的强度。然后一个独立的镜座被用来作为轴和镜子之间的界面，从而增加了磁铁和镜子之间的距离。

　　在这种情况下，镜座通常只抓住了镜子底部边缘1毫米左右或者更少的区域。用于扫描10毫米激光束的镜子通常有24毫米长，这意味着只有1/24的镜子是由镜座支撑的——这是一个容易发生共振的非最优化架构。虽然几乎总是需要在伺服电机中使用一个陷波滤波器来控制共振，但是这些滤波器也会在伺服回路中引进相位延迟，并倾向于影响镜子运动的纯度。
ScannerMAX的结构则完全不同。输出轴的直径通常与磁铁的直径一样，由于轴的刚度与直径的四次方成正比，仅由直径这一项，其刚度就比常规的振镜要增加5倍以上。此外，它没有使用停止销，因此也不需要停止孔，使得该轴尽可能的短，而且没有内部空隙，从而达到最大刚度（见图1）。

　　

图1. 传统振镜的转子结构（左）与ScannerMAX Saturn的转子结构（右）对比。
 

　　为了在不使用停止孔的情况下限制电机的旋转，该扫描仪使用了一个正在申请专利的外部镜子保险杠。然后该镜子被直接安装在轴的一个槽内，所以没有使用单独的镜座。使用此转子技术，磁铁和镜子之间的距离（一个决定共振的最终的因素）显著缩短了。

　　最后，镜子和轴之间的界面不是一个简单的槽，而是一个包含“靠背”的槽。我们把这个比作坐在带有靠背的椅子上和坐在凳子上的差别。所有转子组件和改进后的反射镜支撑系统所带来的刚度增加意味着在伺服回路中已不需要使用陷波滤波器，简化了伺服设计，同时也促进非常光滑和纯净的镜子运动。
 

　　冷却的振镜

　　传统的振镜构造是一个圆型的钢铁外壳,铜导线被放置在钢壳与中心的磁铁之间。这导致了各种局限性，包括因为需要在线圈和空气空间之间进行平衡而带来的空气隙中磁通量密度的限制，以及可以从电机中带走的热量的限制。

　　与之不同的是，ScannerMAX在位于钢层内的槽之间使用铜导线，通过这种方式，空气隙被显著减小而系统的磁通量密度被大大提高（参见图2）。这些槽也使得使用更粗的铜线成为可能，这将降低线圈的电阻。

　　

图2. 图中显示了带制冷器的传统振镜的转子结构（左）和无需冷却的ScannerMAX Saturn的转子结构（右）。
 

　　随着磁铁和钢铁之间的磁通密度的增加，产生相同的扭矩所需要的铜线的圈数变少，使得电机可以在比传统的振镜更低的温度下运行。在输出相同扭矩的情况下，该扫描仪的温度通常只有传统扫描振镜的1/3到1/2。因为振镜中的热量直接正比于线圈的电阻，所以它们在给定的输出扭矩下运行的温度更低，或者相反地，在给定的热量下产生的扭矩更大（参见图3）。

　　

图3.在热方面不堪重负的传统的振镜电机（左）与在提供的扭矩下运行温度更低的ScannerMAX Saturn电机（右）的比较。

　　增加转子的刚度可以通过减少系统的共振来增加扫描速度，本质上是避开发生图像失真的频率。降低电机线圈的电阻也因其可以使得电机可以在更高的速率下工作而不至于过热而提高了扫描速度。对于激光灯光表演显示器来说，Pangolin公司的ScannerMAXSaturn 1 产品在没有外部制冷的情况下提供了一个比行业标准快3倍的扫描速度（参见图4）。

　　

图4.因其比传统扫描振镜高三倍的速度（而且价格也低三倍），ScannerMAX需要更少的电力，更少的物理空间，以及无需外部冷却。
 

　　在投影显示器之外，我们相信这种技术的最大受益者将是从事共焦显微镜以及光学相干断层扫描的生物医学研究者，因为这些应用直到现在都依赖于传统振镜的当前版本，而因为扫描中产生的热，这些振镜都具有相对短的寿命。