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

2、全息 液晶液晶 （電光效應）（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

3、。電探測器上。 實例實例1 如果只需要改變光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生就會發生改變改變，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

4、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

5、器的優點是光偏轉器的優點是偏轉線性好偏轉線性好、通光口徑大通光口徑大、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 d B A y x B A 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 x d n nxn )( 用折射率的線性用折射率的線性 變化代替變化代替 dx dn d n nsin/s

6、in 1sin dx dn L d n Ln 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。 21 L d B A y x B A 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。

7、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 z E y 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 zooA Ennn 63 3 2 1 zooB Ennn 63 3 2 1 zo En d L 63 3 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 z E y x 入射光入射光 雙雙KDP

8、楔形棱鏡掃描器楔形棱鏡掃描器 19 zoAB Ennnn 63 3 d n L 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、電光掃描 計算獲得光束的偏轉角計算獲得光束的偏轉角 。 zo Ern d L 63 3 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。 rad 6123 106 .3 01.0 1000 105 .1051.1 01.0 01.0 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

9、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。 17 h mL d 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 16 n-nn-n h n+ n x y n+ n z Ez Enn o63 3 2 1 hd VmLn

10、 m o63 3 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 無限取？無限取？ 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

11、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 r SB V /2 e o b 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”狀態狀態

12、 。 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 r SB V /2 e o b 數字式掃描原理數字式掃描原理 1 0 S 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 1

13、2 S1 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

14、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 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 s s Bdi f nv 2 9 三、聲光掃描三、聲光掃描 改變超聲波的頻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

15、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 s s f nv 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 d O ks ks kd ki B A 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 和入射光束本身發散角和入射光束本身發散角 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）

16、。（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=1.82.5 R f v w N s s 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N 6 三、聲光掃描三、聲光掃描 (2)性能參量性能參量 R f v w N s s s v w 超聲波渡越時間，用超聲波

17、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 R f v w N s s 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。 R f N s RNfs 1 工作帶寬的作用：決定掃描器的分辨率工作帶寬的作用：決定掃描器的分辨

18、率 4 三、聲光掃描三、聲光掃描 (2)性能參量性能參量 mw01. 0 smvs/104 3 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？ MHzMHzRR NR fs200144108 105 . 2 200 7 6 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ss v w s 5 . 2105 . 2 104 01. 0 6 3 該器件的工作帶寬為該器件的工作帶寬為 5 . 28 . 1R 3 p 在高速攝影機、微型圖激光加工、顯示器、打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 在連續偏轉器、數字偏轉器、智能識別和物聯網中有在連續偏轉器、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