3.6 光束扫描技术概述

用折射率的线性
dn dx
变化代替
n d
偏转角 可根据折射定律
设
sin / sin n
负号是由坐标系引进的， 即 由y转向x为负。
sin 1
则
n dn n L L d dx
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二、电光扫描
一种双KDP楔形棱镜扫描器由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边 分别沿x、y和z轴方向，但两块晶体的z轴反向平行，其他两轴取向相同。 光线沿y方向传播且沿x方向偏振。外电场沿Z方向（横向电光效应）。
反射镜 扫描光束
入射光束
机械扫描装置示意图
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一、机械扫描
反射镜 扫描光束 入射光束 机械扫描装置示意图
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 ，由光的反射定律知偏转光束的扫描角速度是转镜旋转角速度的两倍。这类 光偏转器的优点是偏转线性好、通光口径大、偏转速率高等。
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二、电光扫描
n
1 3 no 63 E 2
3 mLno 63V m hd
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
总
为什么m不能 无限取？
实际应用时一般m取4～10
由于激光束有一定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏出h之外。
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二、电光扫描
电光数字式扫描
入射光
S
r
B

L 3 no r63 E z d
得
0.01 1000 3 12 1.51 10.5 10 3.6 10 6 rad 0.01 0.01
可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。
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二、电光扫描
为了使偏转角加大，而电压又不致太高 常将若干个KDP棱镜在光路上串联起来，构成长为mL、宽为d、 高为h的偏转器。
d
h
mL
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二、电光扫描
两端的两块有一个角为/2，中间的几块顶角为的等腰三角棱镜，它 们的z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
向，电场沿z轴方向。 n-n
h n+n n+n n-n

x
z Ez
y
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二、电光扫描
各棱镜的折射率交替为
其中
no n
和
no n
~
V/2
数字式扫描原理
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二、电光扫描
电光数字式扫描 若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式扫描。一个 三级数字式扫描器，使入射光分离为23个扫描点。 S1 B1 S2 B2 S3 B3
S1 S2 S 3


1 0 1 0 1 0 1 0

vs 4 103 m / s
R 1.8 ~ 2.5
w 0.01 2.5 106 s 2.5s 3 vs 4 10 NR 200 7 该器件的工作带宽为 f s R 8 10 R 144 MHz ~ 200 MHz 6 2.5 10
2
知识补充
光束扫描技术
微机电式扫描
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一、机械扫描
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 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 电探测器上。
实例 分析
超市使用的手持旋转棱镜条码扫描器结构示意图
入射光
1 3 no 63 E z 2
d
L
n d

x z y
得
L 3 θ no 63 E z d
双KDP楔形棱镜扫描器
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二、电光扫描
举例： 取 L=d=h=1cm， γ63=10.510-12m／V，no=1.51，V= 1000V。 计算获得光束的偏转角。 解：根据公式：
7
三、声光扫描
(2)性能参量 A、可分辨点数N 偏转角和入射光束本身发散角之比
N
,
( Rw)
w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 （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
6
三、声光扫描
E 入射光
d

x z y
双KDP楔形棱镜扫描器
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二、电光扫描
上部的A线完全在上棱镜中传播，“经历”的折射率 n A no 为 由于下棱镜中电场方向与z轴反向，故B线“经历”的折射率 1 3 n B no no 63 E z 为 2 于是上、下部分的折射率之差 E
3 n n B n A no 63 E z

nvs
fs
8
三、声光扫描
⑴声光扫描原理 改变超声波的频率fs，就可改变偏转角，达到控制光束传播方向的目的。 超声频率改变fs引起光束偏转角的变化为
声频为fs+fs的衍射光 A 声频为fs的衍射光 B ks


nvs
d
kd ks
f s
i
d
O
i
ki
声光扫描器原理
三种扫描特点及相应应用领域
机械扫描：偏转线性好、通光口径大、偏转速率高 电光扫描：扫描速度快，可控性好，体积小，重量轻，灵敏度高，无惯性
声光扫描：消光比高(一般大于1000:1)，驱动功率低，温度稳定性优良，光
点质量好，光束偏转角度大
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；
电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间传播方向。 x A B d y 电光扫描原理图 L
A B
光束的偏转方向

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二、电光扫描
光束沿 y方向入射到长度为 L，厚度为 d 的电光晶体，如果晶体的折射 x 率是坐标x的线性函数，即
n n( x ) n x d
A B d y L A B
光束的偏转方向
Leabharlann Baidu
w ——超声波渡越时间，用τ表示，也就是扫描器的偏转时间 vs
偏转时间的作用：其倒数(1/ τ)决定扫描器的速度
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三、声光扫描
(2)性能参量 C、工作带宽Δfs 由
w f s N vs R
f s N R f s N 1

R
——声光扫描器的工作带宽与容量-速度积成正比。
0 1 1 0 0 1 1 0
0 0 1 1 1 1 0 0
三级数字式电光扫描器
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二、电光扫描
电光数字式扫描
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 描器组合起来就可以实现。这样就可以得到2n2n个二维可控扫描位置。
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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 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来改 变衍射光的方向。
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光束扫描技术 周自刚
本讲主要内容
一、机械扫描 二、电光扫描 三、声光扫描
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光束扫描技术是指对激光光束方向精确控制和定位的技术。 该技术被广泛应用于多个领域，如：激光雷达、激光显示、光信息存 储和处理以及自由空间光通信等。 机械式扫描 旋转平面反射镜、三棱镜等 电光扫描 （电光效应） 声光扫描 （声光效应） 全息 液晶 纯电控非机械式扫描
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三、声光扫描
⑴声光扫描原理 光束以i 角入射产生衍射极值应满足布拉格条件
sin B
布拉格角一般很小
2ns
和
B
i d B
fs 2ns 2v s
衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角B的2倍 即
i d 2 B
(2)性能参量 A、可分辨点数N
N
,
( Rw)
案例一：显示或记录用的扫描器，瑞利判据R=1.0~1.3
案例二：光存储器用的扫描器，瑞利判据R=1.8~2.5
则扫描可分辨点数为
N w f s vs R
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三、声光扫描
(2)性能参量 B、偏转时间τ
N w f s vs R
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； 在雷达、光点检流计、光学图像记录及显示等中有声光扫描技术。
1
本讲小结
1、机械扫描的基本原理（反射定律）及其特征 2、电光扫描的基本原理（横向电光效应），双KDP棱镜扫描器的 特征（折射率变化改变光的变化），以及三级数字式电光扫描的特征 和规律 3、声光扫描中基本原理（布拉格条件，声频率改变光衍射方向），可 分辨点数、偏转时间、工作带宽等性能参量的特点、相互关系 启示： 用到电光和声光扫描技术时，就要考虑电光效应和声光效应的特点。
e b


o

由电光晶体和双折射晶体组合而成。
~
V/2
数字式扫描原理
S为KDP晶体，B为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能使线偏振光分 成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔b为分裂度，为分裂角（也称离 散角）。
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二、电光扫描
电光数字式扫描
S B r e b
S
入射光


o

1 0
电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级 数字扫描器，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“地址”之一， 分别代表“0”和“l”状态 。
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一、机械扫描
如果只需要改变光束的方向，可采用 机械扫描方法。 机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等 光学元件的旋转或振动实现光束扫描。
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一、机械扫描
激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射 的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。 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。
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。
工作带宽的作用：决定扫描器的分辨率
3
三、声光扫描
(2)性能参量 例题： 如果在光存储器中入射光束直径为1cm，声速为4ⅹ105cm/s，当可分辨 点数为200时，需要扫描器的工作带宽是多少？
解答： 由已知条件
其超声波渡越时间为
w 0.01m