一旦主要圍繞著體積龐大而且價格昂貴的氪離子激光器的最新的多色激光系統建成，就可以利用改進后的掃描系統和先進的軟件可編程性來增強激光燈光表演的體驗。

　　用于在所需的區域內引導，定位或“掃描”激光束的光學掃描儀被廣泛使用在整個工業，醫療和娛樂激光產業。基于振鏡的光學掃描儀的最新進展可以大大提高激光系統的效果，從而提高激光燈光表演的顧客體驗。

　　由于光束只受折射，衍射，或反射的影響，光學掃描儀已被開發出來,以利用這些方法中的每一種。因此，從廣義上講，光學掃描儀可以分為三種類型：通過衍射來偏轉光束的聲光掃描儀；通過折射來偏轉光束的電光掃描儀；通過反射來偏轉光束的機械掃描儀（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

　　通過其超過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使用多個波長。而且聲光掃描儀在單軸上的光學透過率也被限定在大約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合。
 

　　共振和多邊形掃描儀

　　在另一方面，通過旋轉物理反射鏡來工作的機械掃描儀，通過鍍膜可以以非常高的反射率來反射任何波長或波長組合——因此具有非常高的光學透過率。

　　通過使用該物理反射鏡，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掃描相同的模式。對于某些應用，如印刷，這是非常可取的，但對于需要在一個隨機區域內以非重復的模式或定位來掃描光束的應用，振鏡掃描儀是唯一的選擇。
 

　　振鏡掃描器

　　簡稱為掃描振鏡（Galvo）的基于振鏡的機械掃描儀包含由某種電機驅動的物理鏡子。多數時候，鏡子被連接到電機的軸上，但在某些設計中，鏡子和電機可能是一個單獨的集成單元。

　　振鏡電機被進行了專業設計，能夠在一個有限的角度范圍內（通常在20±°）轉動，而不是簡單地旋轉。振鏡電機還采用了一個高精度的位置檢測器，提供反饋給一個單獨的控制器，實現5μrad（1公里的距離處偏差5毫米）的指向重復性。

　　掃描振鏡和幾乎所有的機械掃描儀將光束從旋轉反射鏡上反射出去，從而光學角度上能達到的掃描角是電機的實際旋轉角度的兩倍。對于掃描振鏡來說，這意味著它們可以以寬達80°甚至更寬的最大掃描角度來投射光束，并且可以相對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點，包括很寬的掃描角，掃描多波長光束的能力，高精度，接近100%的透光率，但是掃描振鏡也有一個缺點：速度。作為一個將真正的運動傳遞給物理鏡子的機械掃描儀，掃描振鏡受到物理學定律的限制。一般來說，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為電機產生的力（扭矩）以及鏡子的質量（慣性）可以轉動得多快，但是這并不總是很明顯，因為在共振被克服之前，物理學的其他定律決定了電機和鏡子可以移動得多快。通常，在電機還遠遠沒有用完其可以產生更大的掃描速度的扭矩之前，系統中的共振就已經導致投影的圖像變得扭曲。
 

　　振鏡的演變

　　在1976左右開始了一系列的振鏡掃描儀設計和專利。這些早期的設計涉及了固定的鋁鎳鈷磁體和“動鐵”式轉子的使用。事實上，動鐵式振鏡在帶狀圖記錄器，激光娛樂顯示器，和早期的激光打標機上獲得了很好的商業上的成功。

　　動鐵式振鏡通常是難以打破的強大的工具。然而，它們相對高的電感和磁路使移動的鐵轉子對磁通量達到飽和，從而給可以開發的扭矩量放置了一個很堅固的上限。雖然轉子缺乏一些剛度（或者說激發轉子和鏡子共振的可能性），但是自其被引入以來，動鐵式振鏡已經作為被選擇的工具使用了約20年。

　　動圈式振鏡也以這種或那種的方式存在了幾十年，其最早的設備應用于20世紀。在上世紀70年代和80年代，動圈式振鏡也在非常專業的光學帶狀圖表記錄儀上出現過，并在整個上世紀90年代被用在一些激光打標機上。雖然在專門的應用中還在使用，但是動圈式振鏡從來沒有達到過動鐵式振鏡或演變的下一步——動磁式振鏡的成功程度。
 

　　動磁式振鏡

　　1992年，振鏡制造商開始生產“動磁式掃描儀”，因其轉子是由一個圓柱形磁鐵構成而得名。雖然動磁式設計的設想和專利在1976年就已經有了，但是直到釹“超級磁鐵”在上世紀80年代末開發出來之后，它們才變成了實用的產品。

　　因為線圈在電機內部形成的方式以及它被放置在磁路中的位置，動磁式振鏡比動鐵式振鏡的電感要小10倍左右。此外，由于在磁回路中沒有細小的路徑，動鐵式振鏡中存在的磁飽和效應在這里是不存在的，這意味著扭矩生產相關的物理定律得到了極大的緩解——尤其是當使用短的瞬時運動時，例如在激光打標應用中。

　　不幸的是，動磁式振鏡并沒有解決所有電極相關的問題。當一個應用需要長時間的高速度和大角度運動時，傳統的動磁式電機結構容易過熱，以及在掃描過程中造成彎曲和共振等問題。而雖然先進的鏡面材料，如硅，碳化硅，和鈹可以部分緩解這些共振相關的問題，但是在掃描速度受到損害的同時，獲得這些材料的途徑非常受限，而且掃描系統的成本也會增加。
 

　　一個新的方式

　　受挫于振鏡掃描速度的停滯不前，Pangolin Laser Systems（一家位于美國佛羅里達州奧蘭多市的激光系統公司）的總裁和首席工程師WilliamR. Benner,Jr.開始構思和開發可以克服常規動磁式振鏡的局限性的掃描儀。這位曾撰寫過電機設計書籍和作為噴氣式客機轉子設計專家的大學教授，投入到了對磁鐵/軸/鏡子的相互作用的分析中去，以確定材料、形狀和構造技術的可能的最佳組合。

　　在計算機上采用有限元分析技術微調了成千上萬的設計迭代和制造了數十個原型并形成了十幾個專利（大多數已被授權）之后，Pangolin公司成立了一個叫做ScannerMAX的新部門來生產其同名的掃描振鏡。

　　從本質上講，這些振鏡更強大而且溫度更低，目標是解決限制性能的兩個主要障礙。首先，隨著掃描速度的進一步增加，每一個旋轉的東西（磁鐵，軸承，和任何鏡座）將變得不穩定，從而導致投影的圖像失真。其次，隨著越來越多的電流注入到振鏡電機中以產生更大的扭矩，熱量會以幾何的速度產生。由于電機在損壞結果之前只能吸收這么大的熱量，因此這將是一個可以由電機產生的恒定扭矩的上限。
 

　　更強大的振鏡

　　傳統的振鏡具有一個直徑比磁鐵小得多的輸出軸。制造商常常在這個非常小的軸上鉆一個孔，在其中放置一個“停止銷”(stoppingpin)來限制電機的旋轉量。不幸的是，這意味著，這個軸必須做得更長以容納停止銷，這個用來容納停止銷的孔會削弱軸的強度。然后一個獨立的鏡座被用來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域。用于掃描10毫米激光束的鏡子通常有24毫米長，這意味著只有1/24的鏡子是由鏡座支撐的——這是一個容易發生共振的非最優化架構。雖然幾乎總是需要在伺服電機中使用一個陷波濾波器來控制共振，但是這些濾波器也會在伺服回路中引進相位延遲，并傾向于影響鏡子運動的純度。
ScannerMAX的結構則完全不同。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，其剛度就比常規的振鏡要增加5倍以上。此外，它沒有使用停止銷，因此也不需要停止孔，使得該軸盡可能的短，而且沒有內部空隙，從而達到最大剛度（見圖1）。

　　

圖1. 傳統振鏡的轉子結構（左）與ScannerMAX Saturn的轉子結構（右）對比。
 

　　為了在不使用停止孔的情況下限制電機的旋轉，該掃描儀使用了一個正在申請專利的外部鏡子保險杠。然后該鏡子被直接安裝在軸的一個槽內，所以沒有使用單獨的鏡座。使用此轉子技術，磁鐵和鏡子之間的距離（一個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簡單的槽，而是一個包含“靠背”的槽。我們把這個比作坐在帶有靠背的椅子上和坐在凳子上的差別。所有轉子組件和改進后的反射鏡支撐系統所帶來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，簡化了伺服設計，同時也促進非常光滑和純凈的鏡子運動。
 

　　冷卻的振鏡

　　傳統的振鏡構造是一個圓型的鋼鐵外殼,銅導線被放置在鋼殼與中心的磁鐵之間。這導致了各種局限性，包括因為需要在線圈和空氣空間之間進行平衡而帶來的空氣隙中磁通量密度的限制，以及可以從電機中帶走的熱量的限制。

　　與之不同的是，ScannerMAX在位于鋼層內的槽之間使用銅導線，通過這種方式，空氣隙被顯著減小而系統的磁通量密度被大大提高（參見圖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振鏡的轉子結構（左）和無需冷卻的ScannerMAX Saturn的轉子結構（右）。
 

　　隨著磁鐵和鋼鐵之間的磁通密度的增加，產生相同的扭矩所需要的銅線的圈數變少，使得電機可以在比傳統的振鏡更低的溫度下運行。在輸出相同扭矩的情況下，該掃描儀的溫度通常只有傳統掃描振鏡的1/3到1/2。因為振鏡中的熱量直接正比于線圈的電阻，所以它們在給定的輸出扭矩下運行的溫度更低，或者相反地，在給定的熱量下產生的扭矩更大（參見圖3）。

　　

圖3.在熱方面不堪重負的傳統的振鏡電機（左）與在提供的扭矩下運行溫度更低的ScannerMAX Saturn電機（右）的比較。

　　增加轉子的剛度可以通過減少系統的共振來增加掃描速度，本質上是避開發生圖像失真的頻率。降低電機線圈的電阻也因其可以使得電機可以在更高的速率下工作而不至于過熱而提高了掃描速度。對于激光燈光表演顯示器來說，Pangolin公司的ScannerMAXSaturn 1 產品在沒有外部制冷的情況下提供了一個比行業標準快3倍的掃描速度（參見圖4）。

　　

圖4.因其比傳統掃描振鏡高三倍的速度（而且價格也低三倍），ScannerMAX需要更少的電力，更少的物理空間，以及無需外部冷卻。
 

　　在投影顯示器之外，我們相信這種技術的最大受益者將是從事共焦顯微鏡以及光學相干斷層掃描的生物醫學研究者，因為這些應用直到現在都依賴于傳統振鏡的當前版本，而因為掃描中產生的熱，這些振鏡都具有相對短的壽命。