光電子技術第九講光束掃描技術

1、 本講主要內容本講主要內容一、機械掃描一、機械掃描二、電光掃描二、電光掃描三、聲光掃描三、聲光掃描27 光束掃描技術是指對激光光束光束掃描技術是指對激光光束方向方向精確精確控制控制和和定位定位的技術。的技術。 該技術被廣泛應用于多個領域，如：該技術被廣泛應用于多個領域，如：激光雷達激光雷達、激光顯示激光顯示、光信息存光信息存儲和處理儲和處理以及以及自由空間光通信自由空間光通信等。等。光束掃描技術光束掃描技術機械式掃描機械式掃描微機電式掃描微機電式掃描純電控非機械式掃描純電控非機械式掃描旋轉平面反射鏡旋轉平面反射鏡、三棱鏡等、三棱鏡等電光掃描電光掃描聲光掃描聲光掃描全息全息液晶液晶（電光效應）（

2、電光效應）（聲光效應）（聲光效應）一、機械掃描一、機械掃描26超市使用的手持旋轉棱鏡條碼掃描器結構示意圖超市使用的手持旋轉棱鏡條碼掃描器結構示意圖 在掃描光路中，每一個平面鏡和棱形旋轉鏡的多個鏡面（在掃描光路中，每一個平面鏡和棱形旋轉鏡的多個鏡面（6個）組合形成個）組合形成某一個方向上的多條掃描線。三個平面鏡和旋轉鏡面的組合構成三個方向上的某一個方向上的多條掃描線。三個平面鏡和旋轉鏡面的組合構成三個方向上的多線掃描。而掃描光點經平面鏡、旋轉鏡面原路返回，再由復合物鏡匯聚到光多線掃描。而掃描光點經平面鏡、旋轉鏡面原路返回，再由復合物鏡匯聚到光電探測器上。電探測器上。 實例實例1 如果只需要改變光

3、束的如果只需要改變光束的方向方向，可采用，可采用機械掃描方法。機械掃描方法。 機械掃描技術是利用機械掃描技術是利用反射鏡反射鏡或或棱鏡棱鏡等等光學元件的光學元件的旋轉旋轉或或振動振動實現光束掃描。實現光束掃描。一、機械掃描一、機械掃描25實例實例2 激光束入射到一可轉動的平面反射鏡上，當平面鏡激光束入射到一可轉動的平面反射鏡上，當平面鏡轉動轉動時，平面鏡反射時，平面鏡反射的激光束的的激光束的方向方向就會發(fā)生就會發(fā)生改變改變，達到光束，達到光束掃描掃描的目的。的目的。 入射光束入射光束 掃描光束掃描光束 反射鏡反射鏡機械掃描裝置示意圖機械掃描裝置示意圖 掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小

4、，光的損耗小，而且掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小，光的損耗小，而且適用于各種光波長的掃描。適用于各種光波長的掃描。一、機械掃描一、機械掃描24 入射光束入射光束 掃描光束掃描光束 反射鏡反射鏡 機械掃描裝置示意圖機械掃描裝置示意圖一、機械掃描一、機械掃描 由于有較大的慣性，當轉鏡轉速確定后，它可視作為單一頻率的偏轉器由于有較大的慣性，當轉鏡轉速確定后，它可視作為單一頻率的偏轉器，由光的，由光的反射定律反射定律知偏轉光束的掃描角速度是轉鏡旋轉角速度的知偏轉光束的掃描角速度是轉鏡旋轉角速度的兩倍兩倍。這類。這類光偏轉器的優(yōu)點是光偏轉器的優(yōu)點是偏轉線性好偏轉線性好、通光口徑大通光口徑大、

5、偏轉速率高偏轉速率高等。等。 23 電光掃描是利用電光掃描是利用電光效應電光效應來改變光束在來改變光束在空間傳播方向空間傳播方向。L dBAy xBA 光束的偏轉方向光束的偏轉方向 電光掃描原理圖電光掃描原理圖二、電光掃描二、電光掃描22 光束沿光束沿y方向入射到長度為方向入射到長度為L，厚度為，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標是坐標x的線性函數，即的線性函數，即xdnnxn)( 用折射率的線性用折射率的線性 變化代替變化代替 dxdndnnsin/sin1sindxdnLdnLn二、電光掃描二、電光掃描設設則則偏轉角偏轉角 可根據折射定律可根據折射定律負

6、號是由坐標系引進的，負號是由坐標系引進的，即即 由由y轉向轉向x為負。為負。21L dBAy xBA 光束的偏轉方向光束的偏轉方向 一種雙一種雙KDP楔形棱鏡掃描器由兩塊楔形棱鏡掃描器由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿分別沿x 、y 和和z軸方向，但兩塊晶體的軸方向，但兩塊晶體的z軸反向平行，其他兩軸取向相同。軸反向平行，其他兩軸取向相同。光線沿光線沿y 方向傳播方向傳播且沿且沿x 方向偏振方向偏振。外電場沿。外電場沿Z方向（橫向電光效應）。方向（橫向電光效應）。二、電光掃描二、電光掃描d zEy x 入射光入射光雙雙KDP楔形棱鏡掃描器楔形棱鏡掃描器20上

7、部的上部的A線完全在上棱鏡中傳播，線完全在上棱鏡中傳播，“經歷經歷”的折射率的折射率為為zooAEnnn63321zooBEnnn63321zoEndL633二、電光掃描二、電光掃描由于下棱鏡中由于下棱鏡中電場方向與電場方向與z軸反向軸反向，故，故B線線“經歷經歷”的折射率的折射率為為于是上、下部分的折射率之差于是上、下部分的折射率之差得得d zEy x 入射光入射光雙雙KDP楔形棱鏡掃描器楔形棱鏡掃描器19zoABEnnnn633dnL舉例：舉例：取取 L=d=h=1cm， 63=10.5 10-12mV，no=1.51，V= 1000V。 解：根據公式：解：根據公式：二、電光掃描二、電光掃

8、描計算獲得光束的偏轉角計算獲得光束的偏轉角 。zoErndL633可見電光偏轉角是很小的，很難達到實用的要求。可見電光偏轉角是很小的，很難達到實用的要求。 rad6123106 .301.01000105 .1051.101.001.0得得18為了使偏轉角加大，而電壓又不致太高為了使偏轉角加大，而電壓又不致太高二、電光掃描二、電光掃描 常將若干個常將若干個KDP棱鏡在光路上串聯起來，構成長為棱鏡在光路上串聯起來，構成長為mL、寬為、寬為d、高為高為h的偏轉器。的偏轉器。17hmLd 兩端的兩塊有一個角為兩端的兩塊有一個角為 /2，中間的幾塊頂角為，中間的幾塊頂角為 的等腰三角棱鏡，它的等腰三角

9、棱鏡，它們的們的z軸垂直于圖面，棱鏡的寬度與軸垂直于圖面，棱鏡的寬度與z軸平行，前后相鄰的二棱鏡的光軸反軸平行，前后相鄰的二棱鏡的光軸反向，電場沿向，電場沿z軸方向。軸方向。二、電光掃描二、電光掃描16n-nn-nhn+ n x y n+ nzEzEnno63321hdVmLnmo633總實際應用時一般實際應用時一般m取取410 二、電光掃描二、電光掃描其中其中各棱鏡的折射率交替為各棱鏡的折射率交替為nnonno和和 故光束通過掃描器后，總的偏轉角為每級（一對棱鏡）偏轉角的故光束通過掃描器后，總的偏轉角為每級（一對棱鏡）偏轉角的m倍倍15 由于由于激光束有一定的尺寸，而激光束有一定的尺寸，而h

10、的大小有限，光束不能偏出的大小有限，光束不能偏出h之外之外。 為什么為什么m不能不能無限?。繜o限??？電光數字式掃描電光數字式掃描 由由電光晶體電光晶體和和雙折射晶體雙折射晶體組合而成。組合而成。 S為為KDP晶體，晶體，B為方解石雙折射晶體（分離棱鏡），它能使為方解石雙折射晶體（分離棱鏡），它能使線偏振光分線偏振光分成互相平行、振動方垂直成互相平行、振動方垂直的兩束光，其間隔的兩束光，其間隔b為分裂度，為分裂度， 為分裂角（也稱離為分裂角（也稱離散角）。散角）。 二、電光掃描二、電光掃描入射光入射光 rSBV /2eob 數字式掃描原理數字式掃描原理14 電光晶體和雙折射晶體就構成了一個電光晶

11、體和雙折射晶體就構成了一個一級一級數字掃描器數字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體上加，入射的線偏振光隨電光晶體上加和不加半波電壓而分別占據兩個和不加半波電壓而分別占據兩個“地址地址”之一，之一，分別代表分別代表“0”和和“l(fā)”狀態(tài)狀態(tài) 。電光數字式掃描電光數字式掃描 二、電光掃描二、電光掃描13入射光入射光 rSBV /2eob 數字式掃描原理數字式掃描原理10S 若把若把n個這樣的數字偏轉器組合起來，就能做到個這樣的數字偏轉器組合起來，就能做到n級數字式掃描級數字式掃描。一個。一個三級數字式掃描器，使入射光分離為三級數字式掃描器，使入射光分離為23個掃描點。個掃描點。 電光數字式掃描電光數字

12、式掃描 二、電光掃描二、電光掃描S1 B1 S2 B2 S3 B3 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0三級數字式電光掃描器三級數字式電光掃描器12S1 S2 S3 要使可掃描的位置分布在二維方向上，只要用兩個彼此垂直的要使可掃描的位置分布在二維方向上，只要用兩個彼此垂直的n級掃級掃描器組合起來就可以實現。這樣就可以得到描器組合起來就可以實現。這樣就可以得到2n 2n個二維可控掃描位置。個二維可控掃描位置。 電光數字式掃描電光數字式掃描 二、電光掃描二、電光掃描11三、聲光掃描三、聲光掃描 聲光掃描器的結構與布拉格聲光調制器基本相同，所

13、不同之處在聲光掃描器的結構與布拉格聲光調制器基本相同，所不同之處在于調制器是改變衍射光的強度，而掃描器則是利用改變于調制器是改變衍射光的強度，而掃描器則是利用改變聲波頻率聲波頻率來改來改變變衍射光的方向衍射光的方向。 10三、聲光掃描三、聲光掃描光束以光束以 i 角入射產生衍射極值應滿足布拉格條件角入射產生衍射極值應滿足布拉格條件聲光掃描原理聲光掃描原理sBn2sinBdi布拉格角一般很小布拉格角一般很小 和和sssBfvn22衍射光與入射光間的夾角（偏轉角）等于布拉格角衍射光與入射光間的夾角（偏轉角）等于布拉格角 B的的2倍倍 即即ssBdifnv29三、聲光掃描三、聲光掃描 改變超聲波的頻

14、率改變超聲波的頻率fs，就可改變偏轉角，就可改變偏轉角 ，達到控制光束傳播方向的目的。，達到控制光束傳播方向的目的。聲光掃描原理聲光掃描原理超聲頻率改變超聲頻率改變 fs引起光束偏轉角的變化為引起光束偏轉角的變化為ssfnv i d 聲頻為聲頻為fs+ fs的衍射光的衍射光聲頻為聲頻為fs的衍射光的衍射光 i dO kskskdkiBA聲光掃描器原理聲光掃描器原理8三、聲光掃描三、聲光掃描A、可分辨點數、可分辨點數N(2)性能參量性能參量 偏轉角偏轉角 和入射光束本身發(fā)散角和入射光束本身發(fā)散角 之之比比)(,wRN w為入射光束的寬度（光束的直徑）；為入射光束的寬度（光束的直徑）；R為常數，決

15、定于所用光束的性質為常數，決定于所用光束的性質（均勻光束或高斯光束）和可分辨判據（瑞利判據或可分辨判據）。（均勻光束或高斯光束）和可分辨判據（瑞利判據或可分辨判據）。 可分辨點數的作用：決定掃描器的容量可分辨點數的作用：決定掃描器的容量7三、聲光掃描三、聲光掃描(2)性能參量性能參量 案例一：顯示或記錄用的掃描器，瑞利判據案例一：顯示或記錄用的掃描器，瑞利判據R=1.01.3)(,wRN案例二：光存儲器用的掃描器，瑞利判據案例二：光存儲器用的掃描器，瑞利判據R=1.82.5RfvwNss則掃描可分辨點數為則掃描可分辨點數為A、可分辨點數、可分辨點數N6三、聲光掃描三、聲光掃描(2)性能參量性能

16、參量 RfvwNsssvw超聲波渡越時間，用超聲波渡越時間，用表示，也就是掃描器的偏轉時間表示，也就是掃描器的偏轉時間B、偏轉時間、偏轉時間偏轉時間的作用：其倒數偏轉時間的作用：其倒數(1/ )決定掃描器的速度決定掃描器的速度5三、聲光掃描三、聲光掃描C、工作帶寬、工作帶寬fs(2)性能參量性能參量 RfvwNss由由聲光掃描器的聲光掃描器的工作帶寬工作帶寬與與容量容量-速度積成正比速度積成正比。 其中容量其中容量-速度積表征單位時間內光束可以指向的可分辨位置的數目。速度積表征單位時間內光束可以指向的可分辨位置的數目。RfNsRNfs1 工作帶寬的作用：決定掃描器的分辨率工作帶寬的作用：決定掃

17、描器的分辨率4三、聲光掃描三、聲光掃描(2)性能參量性能參量 mw01. 0smvs/1043例題：例題： 如果在光存儲器中入射光束直徑為如果在光存儲器中入射光束直徑為1cm，聲速為，聲速為4105cm/s，當可分辨，當可分辨點數為點數為200時，需要掃描器的工作帶寬是多少？時，需要掃描器的工作帶寬是多少？MHzMHzRRNRfs200144108105 . 220076解答：解答：由已知條件由已知條件其超聲波渡越時間為其超聲波渡越時間為ssvws5 . 2105 . 210401. 063該器件的工作帶寬為該器件的工作帶寬為5 . 28 . 1R3p 在高速攝影機、微型圖激光加工、顯示器、打

18、印機等中有在高速攝影機、微型圖激光加工、顯示器、打印機等中有機械掃描技術機械掃描技術；p 在連續(xù)偏轉器、數字偏轉器、智能識別和物聯網中有在連續(xù)偏轉器、數字偏轉器、智能識別和物聯網中有電光掃描技術電光掃描技術；p 在雷達、光點檢流計、光學圖像記錄及顯示等中有在雷達、光點檢流計、光學圖像記錄及顯示等中有聲光掃描技術聲光掃描技術。三種掃描特點及相應應用領域三種掃描特點及相應應用領域知識補充知識補充2p機械掃描：偏轉線性好、通光口徑大、偏轉速率高機械掃描：偏轉線性好、通光口徑大、偏轉速率高 p電光掃描：掃描速度快，可控性好，體積小，重量輕，靈敏度高，無慣性電光掃描：掃描速度快，可控性好，體積小，重量輕，靈敏度高，無慣性p聲光掃描：消光比高聲光掃描：消光比高(一般大于一般大于1000:1)，驅動功率低，溫度穩(wěn)定性優(yōu)良，光，驅動功率低，溫度穩(wěn)定性優(yōu)良，光點質量好，光束偏轉角度大點質量好，光束偏轉角度大本講小結本講小結1、機械掃描、機械掃描的基本原理（反射定律）及其特征的基本原理（反射定律）及其特征1 2、電光掃描的基本原理、電