光電子技術(shù)第九講-光束掃描技術(shù)資料

《光電子技術(shù)》PhotoelectronicTechnique第九講光束掃描技術(shù)周自剛

本講主要內(nèi)容一、機械掃描二、電光掃描三、聲光掃描27光束掃描技術(shù)是指對激光光束方向精確限制和定位的技術(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如：激光雷達、激光顯示、光信息存儲和處理以及自由空間光通信等。光束掃描技術(shù)機械式掃描微機電式掃描純電控非機械式掃描旋轉(zhuǎn)平面反射鏡、三棱鏡等電光掃描聲光掃描全息液晶（電光效應(yīng)）（聲光效應(yīng)）一、機械掃描26超市運用的手持旋轉(zhuǎn)棱鏡條碼掃描器結(jié)構(gòu)示意圖在掃描光路中，每一個平面鏡和棱形旋轉(zhuǎn)鏡的多個鏡面（6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(zhuǎn)鏡面的組合構(gòu)成三個方向上的多線掃描。而掃描光點經(jīng)平面鏡、旋轉(zhuǎn)鏡面原路返回，再由復合物鏡匯聚到光電探測器上。

實例1假如只須要變更光束的方向，可接受機械掃描方法。機械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學元件的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。一、機械掃描25實例2激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生變更，達到光束掃描的目的。

入射光束

掃描光束

反射鏡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，光的損耗小，而且適用于各種光波長的掃描。一、機械掃描24

入射光束

掃描光束

反射鏡

機械掃描裝置示意圖一、機械掃描由于有較大的慣性，當轉(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)角速度的兩倍。這類光偏轉(zhuǎn)器的優(yōu)點是偏轉(zhuǎn)線性好、通光口徑大、偏轉(zhuǎn)速率高等。23電光掃描是利用電光效應(yīng)來變更光束在空間傳播方向。LdBAyxBA光束的偏轉(zhuǎn)方向電光掃描原理圖二、電光掃描22光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，假如晶體的折射率是坐標x的線性函數(shù)，即

用折射率的線性變化代替二、電光掃描設(shè)則偏轉(zhuǎn)角可依據(jù)折射定律負號是由坐標系引進的，即由y轉(zhuǎn)向x為負。21LdBAyxBA光束的偏轉(zhuǎn)方向

一種雙KDP楔形棱鏡掃描器由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x、y和z軸方向，但兩塊晶體的z軸反向平行，其他兩軸取向相同。光線沿y方向傳播且沿x方向偏振。外電場沿Z方向（橫向電光效應(yīng)）。二、電光掃描dzEyx入射光雙KDP楔形棱鏡掃描器20上部的A線完全在上棱鏡中傳播，“閱歷”的折射率為二、電光掃描由于下棱鏡中電場方向與z軸反向，故B線“閱歷”的折射率為于是上、下部分的折射率之差得dzEyx入射光雙KDP楔形棱鏡掃描器19舉例：取L=d=h=1cm，

γ63=10.510-12m／V，no=1.51，V=1000V。解：依據(jù)公式：二、電光掃描計算獲得光束的偏轉(zhuǎn)角?？梢婋姽馄D(zhuǎn)角是很小的，很難達到好用的要求。得18為了使偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不致太高二、電光掃描常將若干個KDP棱鏡在光路上串聯(lián)起來，構(gòu)成長為mL、寬為d、高為h的偏轉(zhuǎn)器。17hmLd兩端的兩塊有一個角為/2，中間的幾塊頂角為的等腰三角棱鏡，它們的z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向，電場沿z軸方向。二、電光掃描16n-nn-nhn+nxyn+nzEz實際應(yīng)用時一般m取4～10

二、電光掃描其中各棱鏡的折射率交替為和故光束通過掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級（一對棱鏡）偏轉(zhuǎn)角的m倍15由于激光束有確定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏出h之外。為什么m不能無限??？電光數(shù)字式掃描由電光晶體和雙折射晶體組合而成。S為KDP晶體，B為方解石雙折射晶體（分別棱鏡），它能使線偏振光分成相互平行、振動方垂直的兩束光，其間隔b為分裂度，為分裂角（也稱離散角）。二、電光掃描入射光rSBV/2~eob數(shù)字式掃描原理14

電光晶體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個一級數(shù)字掃描器，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“地址”之一，分別代表“0”和“l(fā)”狀態(tài)。電光數(shù)字式掃描二、電光掃描13入射光rSBV/2~eob數(shù)字式掃描原理10S若把n個這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級數(shù)字式掃描。一個三級數(shù)字式掃描器，使入射光分別為23個掃描點。電光數(shù)字式掃描二、電光掃描S1B1S2B2S3B3

100010111001101011110000三級數(shù)字式電光掃描器12S1S2S3

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級掃描器組合起來就可以實現(xiàn)。這樣就可以得到2n2n個二維可控掃描位置。電光數(shù)字式掃描二、電光掃描11三、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，所不同之處在于調(diào)制器是變更衍射光的強度，而掃描器則是利用變更聲波頻率來變更衍射光的方向。10三、聲光掃描光束以i角入射產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布拉格條件⑴聲光掃描原理布拉格角一般很小和衍射光與入射光間的夾角（偏轉(zhuǎn)角）等于布拉格角B的2倍即9三、聲光掃描變更超聲波的頻率fs，就可變更偏轉(zhuǎn)角，達到限制光束傳播方向的目的。⑴聲光掃描原理超聲頻率變更fs引起光束偏轉(zhuǎn)角的變更為id聲頻為fs+fs的衍射光聲頻為fs的衍射光idOkskskdkiBA聲光掃描器原理8三、聲光掃描A、可辨別點數(shù)N(2)性能參量

偏轉(zhuǎn)角和入射光束本身發(fā)散角之比w為入射光束的寬度（光束的直徑）；R為常數(shù)，確定于所用光束的性質(zhì)（勻整光束或高斯光束）和可辨別判據(jù)（瑞利判據(jù)或可辨別判據(jù)）?？杀鎰e點數(shù)的作用：確定掃描器的容量7三、聲光掃描(2)性能參量

案例一：顯示或記錄用的掃描器，瑞利判據(jù)R=1.0~1.3案例二：光存儲器用的掃描器，瑞利判據(jù)R=1.8~2.5則掃描可辨別點數(shù)為A、可辨別點數(shù)N6三、聲光掃描(2)性能參量

——超聲波渡越時間，用τ表示，也就是掃描器的偏轉(zhuǎn)時間B、偏轉(zhuǎn)時間τ偏轉(zhuǎn)時間的作用：其倒數(shù)(1/τ)確定掃描器的速度5三、聲光掃描C、工作帶寬Δfs(2)性能參量

由——聲光掃描器的工作帶寬與容量-速度積成正比。其中容量-速度積表征單位時間內(nèi)光束可以指向的可辨別位置的數(shù)目。工作帶寬的作用：確定掃描器的辨別率4三、聲光掃描(2)性能參量

例題：假如在光存儲器中入射光束直徑為1cm，聲速為4ⅹ105cm/s，當可辨別點數(shù)為200時，須要掃描器的工作帶寬是多少？解答：由已知條件其超聲波渡越時間為該器件的工作帶寬為3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(shù)；在連續(xù)偏轉(zhuǎn)器、數(shù)字偏轉(zhuǎn)器、智能識別和物聯(lián)網(wǎng)中有電光掃描技術(shù)；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(shù)。三種掃描特點及相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W問補充2機械掃描：偏轉(zhuǎn)線性好、通光口徑大、偏轉(zhuǎn)速率高

電光掃描：掃描速度快，可控性好，體積小，重量輕，靈敏度高，無慣性聲光掃描：消光比高(一般大于1000:1)，驅(qū)動功率低，溫度穩(wěn)定性優(yōu)良，光點質(zhì)量好，光束偏轉(zhuǎn)角度大本講小結(jié)