光电子技术第九讲光束扫描技术

1、 本讲主要内容本讲主要内容 一、机械扫描一、机械扫描 二、电光扫描二、电光扫描 三、声光扫描三、声光扫描 27 光束扫描技术是指对激光光束光束扫描技术是指对激光光束方向方向精确精确控制控制和和定位定位的技术。的技术。 该技术被广泛应用于多个领域，如：该技术被广泛应用于多个领域，如：激光雷达激光雷达、激光显示激光显示、光信息存光信息存 储和处理储和处理以及以及自由空间光通信自由空间光通信等。等。 光束扫描技术光束扫描技术 机械式扫描机械式扫描 微机电式扫描微机电式扫描 纯电控非机械式扫描纯电控非机械式扫描 旋转平面反射镜旋转平面反射镜、三棱镜等、三棱镜等 电光扫描电光扫描 声光扫描声光扫描 全息

2、全息 液晶液晶 （电光效应）（电光效应） （声光效应）（声光效应） 一、机械扫描一、机械扫描 26 超市使用的手持旋转棱镜条码扫描器结构示意图超市使用的手持旋转棱镜条码扫描器结构示意图 在扫描光路中，每一个平面镜和棱形旋转镜的多个镜面（在扫描光路中，每一个平面镜和棱形旋转镜的多个镜面（6个）组合形成个）组合形成 某一个方向上的多条扫描线。三个平面镜和旋转镜面的组合构成三个方向上的某一个方向上的多条扫描线。三个平面镜和旋转镜面的组合构成三个方向上的 多线扫描。而扫描光点经平面镜、旋转镜面原路返回，再由复合物镜汇聚到光多线扫描。而扫描光点经平面镜、旋转镜面原路返回，再由复合物镜汇聚到光 电探测器上

3、。电探测器上。 实例实例1 如果只需要改变光束的如果只需要改变光束的方向方向，可采用，可采用 机械扫描方法。机械扫描方法。 机械扫描技术是利用机械扫描技术是利用反射镜反射镜或或棱镜棱镜等等 光学元件的光学元件的旋转旋转或或振动振动实现光束扫描。实现光束扫描。 一、机械扫描一、机械扫描 25 实例实例2 激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动转动时，平面镜反射时，平面镜反射 的激光束的的激光束的方向方向就会发生就会发生改变改变，达到光束，达到光束扫描扫描的目的。的目的。 入射光束入射光束 扫描光束扫描光束 反射镜反射镜 机械扫描装置示意图机械

4、扫描装置示意图 扫描速度慢，但其扫描角度大而且受温度影响小，光的损耗小，而且扫描速度慢，但其扫描角度大而且受温度影响小，光的损耗小，而且 适用于各种光波长的扫描。适用于各种光波长的扫描。 一、机械扫描一、机械扫描 24 入射光束入射光束 扫描光束扫描光束 反射镜反射镜 机械扫描装置示意图机械扫描装置示意图 一、机械扫描一、机械扫描 由于有较大的惯性，当转镜转速确定后，它可视作为单一频率的偏转器由于有较大的惯性，当转镜转速确定后，它可视作为单一频率的偏转器 ，由光的，由光的反射定律反射定律知偏转光束的扫描角速度是转镜旋转角速度的知偏转光束的扫描角速度是转镜旋转角速度的两倍两倍。这类。这类 光偏转

5、器的优点是光偏转器的优点是偏转线性好偏转线性好、通光口径大通光口径大、偏转速率高偏转速率高等。等。 23 电光扫描是利用电光扫描是利用电光效应电光效应来改变光束在来改变光束在空间传播方向空间传播方向。 L d B A y x B A 光束的偏转方向光束的偏转方向 电光扫描原理图电光扫描原理图 二、电光扫描二、电光扫描 22 光束沿光束沿y方向入射到长度为方向入射到长度为L，厚度为，厚度为d的电光晶体，如果晶体的折射率的电光晶体，如果晶体的折射率 是坐标是坐标x的线性函数，即的线性函数，即 x d n nxn )( 用折射率的线性用折射率的线性 变化代替变化代替 dx dn d n nsin/s

6、in 1sin dx dn L d n Ln 二、电光扫描二、电光扫描 设设 则则 偏转角偏转角 可根据折射定律可根据折射定律 负号是由坐标系引进的，负号是由坐标系引进的， 即即 由由y转向转向x为负。为负。 21 L d B A y x B A 光束的偏转方向光束的偏转方向 一种双一种双KDP楔形棱镜扫描器由两块楔形棱镜扫描器由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边直角棱镜组成，棱镜的三个边 分别沿分别沿x 、y 和和z轴方向，但两块晶体的轴方向，但两块晶体的z轴反向平行，其他两轴取向相同。轴反向平行，其他两轴取向相同。 光线沿光线沿y 方向传播方向传播且沿且沿x 方向偏振方向偏振。外电场沿。

7、外电场沿Z方向（横向电光效应）。方向（横向电光效应）。 二、电光扫描二、电光扫描 d z E y x 入射光入射光 双双KDP楔形棱镜扫描器楔形棱镜扫描器 20 上部的上部的A线完全在上棱镜中传播，线完全在上棱镜中传播，“经历经历”的折射率的折射率 为为 zooA Ennn 63 3 2 1 zooB Ennn 63 3 2 1 zo En d L 63 3 二、电光扫描二、电光扫描 由于下棱镜中由于下棱镜中电场方向与电场方向与z轴反向轴反向，故，故B线线“经历经历”的折射率的折射率 为为 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 z E y x 入射光入射光 双双KDP

8、楔形棱镜扫描器楔形棱镜扫描器 19 zoAB Ennnn 63 3 d n L 举例：举例： 取取 L=d=h=1cm， 63=10.5 10-12mV，no=1.51，V= 1000V。 解：根据公式：解：根据公式： 二、电光扫描二、电光扫描 计算获得光束的偏转角计算获得光束的偏转角 。 zo Ern d L 63 3 可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。 rad 6123 106 .3 01.0 1000 105 .1051.1 01.0 01.0 得得 18 为了使偏转角加大，而电压又不致太高为了使偏转角加大，而电压又不致太高 二、电光

9、扫描二、电光扫描 常将若干个常将若干个KDP棱镜在光路上串联起来，构成长为棱镜在光路上串联起来，构成长为mL、宽为、宽为d、 高为高为h的偏转器。的偏转器。 17 h mL d 两端的两块有一个角为两端的两块有一个角为 /2，中间的几块顶角为，中间的几块顶角为 的等腰三角棱镜，它的等腰三角棱镜，它 们的们的z轴垂直于图面，棱镜的宽度与轴垂直于图面，棱镜的宽度与z轴平行，前后相邻的二棱镜的光轴反轴平行，前后相邻的二棱镜的光轴反 向，电场沿向，电场沿z轴方向。轴方向。 二、电光扫描二、电光扫描 16 n-nn-n h n+ n x y n+ n z Ez Enn o63 3 2 1 hd VmLn

10、 m o63 3 总 实际应用时一般实际应用时一般m取取410 二、电光扫描二、电光扫描 其中其中 各棱镜的折射率交替为各棱镜的折射率交替为nnonno和和 故光束通过扫描器后，总的偏转角为每级（一对棱镜）偏转角的故光束通过扫描器后，总的偏转角为每级（一对棱镜）偏转角的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。 为什么为什么m不能不能 无限取？无限取？ 电光数字式扫描电光数字式扫描 由由电光晶体电光晶体和和双折射晶体双折射晶体组合而成。组合而成。 S为为KDP晶体，晶体，B为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能

11、使为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能使线偏振光分线偏振光分 成互相平行、振动方垂直成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔的两束光，其间隔b为分裂度，为分裂度， 为分裂角（也称离为分裂角（也称离 散角）。散角）。 二、电光扫描二、电光扫描 入射光入射光 r SB V /2 e o b 数字式扫描原理数字式扫描原理 14 电光晶体和双折射晶体就构成了一个电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级一级 数字扫描器数字扫描器，入射的线偏振光随电光晶体上加，入射的线偏振光随电光晶体上加 和不加半波电压而分别占据两个和不加半波电压而分别占据两个“地址地址”之一，之一， 分别代表分别代表“0”和和“l”状态状态

12、 。 电光数字式扫描电光数字式扫描 二、电光扫描二、电光扫描 13 入射光入射光 r SB V /2 e o b 数字式扫描原理数字式扫描原理 1 0 S 若把若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式扫描级数字式扫描。一个。一个 三级数字式扫描器，使入射光分离为三级数字式扫描器，使入射光分离为23个扫描点。个扫描点。 电光数字式扫描电光数字式扫描 二、电光扫描二、电光扫描 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 三级数字式电光扫描器三级数字式电光扫描器 1

13、2 S1 S2 S3 要使可扫描的位置分布在二维方向上，只要用两个彼此垂直的要使可扫描的位置分布在二维方向上，只要用两个彼此垂直的n级扫级扫 描器组合起来就可以实现。这样就可以得到描器组合起来就可以实现。这样就可以得到2n 2n个二维可控扫描位置。个二维可控扫描位置。 电光数字式扫描电光数字式扫描 二、电光扫描二、电光扫描 11 三、声光扫描三、声光扫描 声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在 于调制器是改变衍射光的强度，而扫描器则是利用改变于调制器是改变衍射光的强度，而扫描器则是利用改变声波频率声波频率来改来改 变变衍

14、射光的方向衍射光的方向。 10 三、声光扫描三、声光扫描 光束以光束以 i 角入射产生衍射极值应满足布拉格条件角入射产生衍射极值应满足布拉格条件 声光扫描原理声光扫描原理 s B n 2 sin Bdi 布拉格角一般很小布拉格角一般很小 和和 s ss B f vn22 衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角 B的的2倍倍 即即 s s Bdi f nv 2 9 三、声光扫描三、声光扫描 改变超声波的频率改变超声波的频率fs，就可改变偏转角，就可改变偏转角 ，达到控制光束传播方向的目的。，达到控制光束传播方向的目的。 声光扫描原理声光扫描原理

15、超声频率改变超声频率改变 fs引起光束偏转角的变化为引起光束偏转角的变化为 s s f nv i d 声频为声频为fs+ fs的衍射光的衍射光 声频为声频为fs的衍射光的衍射光 i d O ks ks kd ki B A 声光扫描器原理声光扫描器原理 8 三、声光扫描三、声光扫描 A、可分辨点数、可分辨点数N (2)性能参量性能参量 偏转角偏转角 和入射光束本身发散角和入射光束本身发散角 之之比比 )(,wRN w为入射光束的宽度（光束的直径）；为入射光束的宽度（光束的直径）；R为常数，决定于所用光束的性质为常数，决定于所用光束的性质 （均匀光束或高斯光束）和可分辨判据（瑞利判据或可分辨判据）

16、。（均匀光束或高斯光束）和可分辨判据（瑞利判据或可分辨判据）。 可分辨点数的作用：决定扫描器的容量可分辨点数的作用：决定扫描器的容量 7 三、声光扫描三、声光扫描 (2)性能参量性能参量 案例一：显示或记录用的扫描器，瑞利判据案例一：显示或记录用的扫描器，瑞利判据R=1.01.3 )(,wRN 案例二：光存储器用的扫描器，瑞利判据案例二：光存储器用的扫描器，瑞利判据R=1.82.5 R f v w N s s 则扫描可分辨点数为则扫描可分辨点数为 A、可分辨点数、可分辨点数N 6 三、声光扫描三、声光扫描 (2)性能参量性能参量 R f v w N s s s v w 超声波渡越时间，用超声波

17、渡越时间，用表示，也就是扫描器的偏转时间表示，也就是扫描器的偏转时间 B、偏转时间、偏转时间 偏转时间的作用：其倒数偏转时间的作用：其倒数(1/ )决定扫描器的速度决定扫描器的速度 5 三、声光扫描三、声光扫描 C、工作带宽、工作带宽fs (2)性能参量性能参量 R f v w N s s 由由 声光扫描器的声光扫描器的工作带宽工作带宽与与容量容量-速度积成正比速度积成正比。 其中容量其中容量-速度积表征单位时间内光束可以指向的可分辨位置的数目。速度积表征单位时间内光束可以指向的可分辨位置的数目。 R f N s RNfs 1 工作带宽的作用：决定扫描器的分辨率工作带宽的作用：决定扫描器的分辨

18、率 4 三、声光扫描三、声光扫描 (2)性能参量性能参量 mw01. 0 smvs/104 3 例题：例题： 如果在光存储器中入射光束直径为如果在光存储器中入射光束直径为1cm，声速为，声速为4105cm/s，当可分辨，当可分辨 点数为点数为200时，需要扫描器的工作带宽是多少？时，需要扫描器的工作带宽是多少？ MHzMHzRR NR fs200144108 105 . 2 200 7 6 解答：解答：由已知条件由已知条件 其超声波渡越时间为其超声波渡越时间为ss v w s 5 . 2105 . 2 104 01. 0 6 3 该器件的工作带宽为该器件的工作带宽为 5 . 28 . 1R 3 p 在高速摄影机、微型图激光加工、显示器、打印机等中有在高速摄影机、微型图激光加工、显示器、打印机等中有机械扫描技术机械扫描技术； p 在连续偏转器、数字偏转器、智能识别和物联网中有在连续偏转器、数字偏转器、智能识别和物联网中有电光扫描技术电光扫描技术； p 在雷达、光点检流计、光学图像记录及显示等中有在雷达、光点检流计、光学图像记录及显示等中有声