光電子技術(shù)第九講光束掃描技術(shù)

1、 本講主要內(nèi)容本講主要內(nèi)容一、機(jī)械掃描一、機(jī)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(shù)是指對(duì)激光光束光束掃描技術(shù)是指對(duì)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(shù)。的技術(shù)。 該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如：該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如：激光雷達(dá)激光雷達(dá)、激光顯示激光顯示、光信息存光信息存儲(chǔ)和處理儲(chǔ)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(shù)光束掃描技術(shù)機(jī)械式掃描機(jī)械式掃描微機(jī)電式掃描微機(jī)電式掃描純電控非機(jī)械式掃描純電控非機(jī)械式掃描旋轉(zhuǎn)平面反射鏡旋轉(zhuǎn)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(yīng)）（

2、電光效應(yīng)）（聲光效應(yīng)）（聲光效應(yīng)）一、機(jī)械掃描一、機(jī)械掃描26超市使用的手持旋轉(zhuǎn)棱鏡條碼掃描器結(jié)構(gòu)示意圖超市使用的手持旋轉(zhuǎn)棱鏡條碼掃描器結(jié)構(gòu)示意圖 在掃描光路中，每一個(gè)平面鏡和棱形旋轉(zhuǎn)鏡的多個(gè)鏡面（在掃描光路中，每一個(gè)平面鏡和棱形旋轉(zhuǎn)鏡的多個(gè)鏡面（6個(gè)）組合形成個(gè)）組合形成某一個(gè)方向上的多條掃描線。三個(gè)平面鏡和旋轉(zhuǎn)鏡面的組合構(gòu)成三個(gè)方向上的某一個(gè)方向上的多條掃描線。三個(gè)平面鏡和旋轉(zhuǎn)鏡面的組合構(gòu)成三個(gè)方向上的多線掃描。而掃描光點(diǎn)經(jīng)平面鏡、旋轉(zhuǎn)鏡面原路返回，再由復(fù)合物鏡匯聚到光多線掃描。而掃描光點(diǎn)經(jīng)平面鏡、旋轉(zhuǎn)鏡面原路返回，再由復(fù)合物鏡匯聚到光電探測(cè)器上。電探測(cè)器上。 實(shí)例實(shí)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(jī)械掃描方法。機(jī)械掃描方法。 機(jī)械掃描技術(shù)是利用機(jī)械掃描技術(shù)是利用反射鏡反射鏡或或棱鏡棱鏡等等光學(xué)元件的光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)或或振動(dòng)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。實(shí)現(xiàn)光束掃描。一、機(jī)械掃描一、機(jī)械掃描25實(shí)例實(shí)例2 激光束入射到一可轉(zhuǎn)動(dòng)的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡激光束入射到一可轉(zhuǎn)動(dòng)的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，平面鏡反射時(shí)，平面鏡反射的激光束的的激光束的方向方向就會(huì)發(fā)生就會(huì)發(fā)生改變改變，達(dá)到光束，達(dá)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(jī)械掃描裝置示意圖機(jī)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(zhǎng)的掃描。適用于各種光波長(zhǎng)的掃描。一、機(jī)械掃描一、機(jī)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(jī)械掃描裝置示意圖機(jī)械掃描裝置示意圖一、機(jī)械掃描一、機(jī)械掃描 由于有較大的慣性，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速確定后，它可視作為單一頻率的偏轉(zhuǎn)器由于有較大的慣性，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速確定后，它可視作為單一頻率的偏轉(zhuǎn)器，由光的，由光的反射定律反射定律知偏轉(zhuǎn)光束的掃描角速度是轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角速度的知偏轉(zhuǎn)光束的掃描角速度是轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)角速度的兩倍兩倍。這類(lèi)。這類(lèi)光偏轉(zhuǎn)器的優(yōu)點(diǎn)是光偏轉(zhuǎn)器的優(yōu)點(diǎn)是偏轉(zhuǎn)線性好偏轉(zhuǎn)線性好、通光口徑大通光口徑大、

5、偏轉(zhuǎn)速率高偏轉(zhuǎn)速率高等。等。 23 電光掃描是利用電光掃描是利用電光效應(yīng)電光效應(yīng)來(lái)改變光束在來(lái)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(zhuǎn)方向光束的偏轉(zhuǎn)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(zhǎng)度為方向入射到長(zhǎng)度為L(zhǎng)，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(biāo)是坐標(biāo)x的線性函數(shù)，即的線性函數(shù)，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(shè)設(shè)則則偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角 可根據(jù)折射定律可根據(jù)折射定律負(fù)

6、號(hào)是由坐標(biāo)系引進(jìn)的，負(fù)號(hào)是由坐標(biāo)系引進(jìn)的，即即 由由y轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向x為負(fù)。為負(fù)。21L dBAy xBA 光束的偏轉(zhuǎn)方向光束的偏轉(zhuǎn)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(gè)邊直角棱鏡組成，棱鏡的三個(gè)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(chǎng)沿。外電場(chǎng)沿Z方向（橫向電光效應(yīng)）。方向（橫向電光效應(yīng)）。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(jīng)歷經(jīng)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(chǎng)方向與電場(chǎng)方向與z軸反向軸反向，故，故B線線“經(jīng)歷經(jīng)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(jù)公式：解：根據(jù)公式：二、電光掃描二、電光掃

8、描計(jì)算獲得光束的偏轉(zhuǎn)角計(jì)算獲得光束的偏轉(zhuǎn)角 。zoErndL633可見(jiàn)電光偏轉(zhuǎn)角是很小的，很難達(dá)到實(shí)用的要求?？梢?jiàn)電光偏轉(zhuǎn)角是很小的，很難達(dá)到實(shí)用的要求。 rad6123106 .301.01000105 .1051.101.001.0得得18為了使偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不致太高為了使偏轉(zhuǎn)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(gè)常將若干個(gè)KDP棱鏡在光路上串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成長(zhǎng)為棱鏡在光路上串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成長(zhǎng)為mL、寬為、寬為d、高為高為h的偏轉(zhuǎn)器。的偏轉(zhuǎn)器。17hmLd 兩端的兩塊有一個(gè)角為兩端的兩塊有一個(gè)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(chǎng)沿向，電場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用時(shí)一般實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(guò)掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級(jí)（一對(duì)棱鏡）偏轉(zhuǎn)角的故光束通過(guò)掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級(jí)（一對(duì)棱鏡）偏轉(zhuǎn)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(wú)限取？無(wú)限取？電光數(shù)字式掃描電光數(shù)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(dòng)方垂直成互相平行、振動(dòng)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(chēng)離為分裂角（也稱(chēng)離散角）。散角）。 二、電光掃描二、電光掃描入射光入射光 rSBV /2eob 數(shù)字式掃描原理數(shù)字式掃描原理14 電光晶體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個(gè)電光晶

11、體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個(gè)一級(jí)一級(jí)數(shù)字掃描器數(shù)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(jù)兩個(gè)和不加半波電壓而分別占據(jù)兩個(gè)“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(shù)字式掃描電光數(shù)字式掃描 二、電光掃描二、電光掃描13入射光入射光 rSBV /2eob 數(shù)字式掃描原理數(shù)字式掃描原理10S 若把若把n個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來(lái)，就能做到個(gè)這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來(lái)，就能做到n級(jí)數(shù)字式掃描級(jí)數(shù)字式掃描。一個(gè)。一個(gè)三級(jí)數(shù)字式掃描器，使入射光分離為三級(jí)數(shù)字式掃描器，使入射光分離為23個(gè)掃描點(diǎn)。個(gè)掃描點(diǎn)。 電光數(shù)字式掃描電光數(shù)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(jí)數(shù)字式電光掃描器三級(jí)數(shù)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(gè)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(gè)彼此垂直的n級(jí)掃級(jí)掃描器組合起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)。這樣就可以得到描器組合起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)。這樣就可以得到2n 2n個(gè)二維可控掃描位置。個(gè)二維可控掃描位置。 電光數(shù)字式掃描電光數(shù)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(jié)構(gòu)與布拉格聲光調(diào)制器基本相同，所

13、不同之處在聲光掃描器的結(jié)構(gòu)與布拉格聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在于調(diào)制器是改變衍射光的強(qiáng)度，而掃描器則是利用改變于調(diào)制器是改變衍射光的強(qiáng)度，而掃描器則是利用改變聲波頻率聲波頻率來(lái)改來(lái)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(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布拉格條件角入射產(chǎn)生衍射極值應(yīng)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(zhuǎn)角）等于布拉格角衍射光與入射光間的夾角（偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角，就可改變偏轉(zhuǎn)角 ，達(dá)到控制光束傳播方向的目的。，達(dá)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(zhuǎn)角的變化為引起光束偏轉(zhuǎn)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(diǎn)數(shù)、可分辨點(diǎn)數(shù)N(2)性能參量性能參量 偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)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(shù)，決

15、定于所用光束的性質(zhì)為常數(shù)，決定于所用光束的性質(zhì)（均勻光束或高斯光束）和可分辨判據(jù)（瑞利判據(jù)或可分辨判據(jù)）。（均勻光束或高斯光束）和可分辨判據(jù)（瑞利判據(jù)或可分辨判據(jù)）。 可分辨點(diǎn)數(shù)的作用：決定掃描器的容量可分辨點(diǎn)數(shù)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(jù)案例一：顯示或記錄用的掃描器，瑞利判據(jù)R=1.01.3)(,wRN案例二：光存儲(chǔ)器用的掃描器，瑞利判據(jù)案例二：光存儲(chǔ)器用的掃描器，瑞利判據(jù)R=1.82.5RfvwNss則掃描可分辨點(diǎn)數(shù)為則掃描可分辨點(diǎn)數(shù)為A、可分辨點(diǎn)數(shù)、可分辨點(diǎn)數(shù)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(shí)間，用超聲波渡越時(shí)間，用表示，也就是掃描器的偏轉(zhuǎn)時(shí)間表示，也就是掃描器的偏轉(zhuǎn)時(shí)間B、偏轉(zhuǎn)時(shí)間、偏轉(zhuǎn)時(shí)間偏轉(zhuǎn)時(shí)間的作用：其倒數(shù)偏轉(zhuǎn)時(shí)間的作用：其倒數(shù)(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(shí)間內(nèi)光束可以指向的可分辨位置的數(shù)目。速度積表征單位時(shí)間內(nèi)光束可以指向的可分辨位置的數(shù)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(chǔ)器中入射光束直徑為如果在光存儲(chǔ)器中入射光束直徑為1cm，聲速為，聲速為4105cm/s，當(dāng)可分辨，當(dāng)可分辨點(diǎn)數(shù)為點(diǎn)數(shù)為200時(shí)，需要掃描器的工作帶寬是多少？時(shí)，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(shí)間為其超聲波渡越時(shí)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(jī)、微型圖激光加工、顯示器、打

18、印機(jī)等中有在高速攝影機(jī)、微型圖激光加工、顯示器、打印機(jī)等中有機(jī)械掃描技術(shù)機(jī)械掃描技術(shù)；p 在連續(xù)偏轉(zhuǎn)器、數(shù)字偏轉(zhuǎn)器、智能識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)中有在連續(xù)偏轉(zhuǎn)器、數(shù)字偏轉(zhuǎn)器、智能識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)中有電光掃描技術(shù)電光掃描技術(shù)；p 在雷達(dá)、光點(diǎn)檢流計(jì)、光學(xué)圖像記錄及顯示等中有在雷達(dá)、光點(diǎn)檢流計(jì)、光學(xué)圖像記錄及顯示等中有聲光掃描技術(shù)聲光掃描技術(shù)。三種掃描特點(diǎn)及相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域三種掃描特點(diǎn)及相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)補(bǔ)充知識(shí)補(bǔ)充2p機(jī)械掃描：偏轉(zhuǎn)線性好、通光口徑大、偏轉(zhuǎn)速率高機(jī)械掃描：偏轉(zhuǎn)線性好、通光口徑大、偏轉(zhuǎn)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(wú)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(wú)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(qū)動(dòng)功率低，溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，光，驅(qū)動(dòng)功率低，溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，光點(diǎn)質(zhì)量好，光束偏轉(zhuǎn)角度大點(diǎn)質(zhì)量好，光束偏轉(zhuǎn)角度大本講小結(jié)本講小結(jié)1、機(jī)械掃描、機(jī)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