第7章

光電技術(shù)的典型應(yīng)用光存儲光讀寫光電顯示技術(shù)光加工綜合實訓(xùn)項目

7.1光存儲【任務(wù)要求】

通過對光存儲內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解光儲存的定義，掌握光存儲的工作原理，并了解現(xiàn)在最新的光存儲技術(shù)。光存儲技術(shù)是采用激光照射介質(zhì)，激光與介質(zhì)相互作用，導(dǎo)致介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化而將信息存儲下來的。讀出信息是用激光掃描介質(zhì)，識別出存儲單元性質(zhì)的變化。7.1.1光盤存儲光盤存儲是指用激光將信息記錄到一張金屬圓盤的技術(shù)。約在1978年，研究人員開始把聲音信號變成“0”與“1”表示的二進制數(shù)字，然后記錄到以塑料為基片的金屬圓盤上，即最早的光盤模型。后來隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光盤家族中逐步出現(xiàn)了CD、DVD、CD-R、DVD-R、BD等類型。1.CD系列CD（CompactedDisk），叫做壓縮盤片，通常將激光唱盤、CD-ROM、數(shù)字激光視盤等統(tǒng)稱為CD盤。CD盤片主要由透明漆模保護層、鋁反射層、刻槽和聚碳酸脂襯墊組成。CD-R盤上除了含有聚碳酸酯層與漆膜保護層外，將反射用的鋁層改用金反射層（也可能是純銀材料)；另外再加上有機染料記錄層和軌道凹坑。2.DCD系列DVD原名是DigitalVideoDisc的縮寫，意思是“數(shù)字電視光盤(系統(tǒng))”DVD盤的存儲容量可提高到4.7GB，它的容量是CD的7倍。DVD-R/RW的刻錄原理和普通CD-R/RW刻錄類似，采用CLV（恒定線速度）的刻錄方式。其中DVD-R能做一次性寫入數(shù)據(jù)的操作，DVD-RW采用變相式讀寫技術(shù)，可以重復(fù)擦寫數(shù)據(jù)。7.1.2光盤驅(qū)動器1.光盤驅(qū)動器的工作原理光盤驅(qū)動器就是用來讀取CD或DVD盤片數(shù)據(jù)的設(shè)備。光盤驅(qū)動器一般由光學(xué)讀出頭、光學(xué)讀出頭驅(qū)動機構(gòu)、光盤驅(qū)動機構(gòu)、控制線路以及處理光學(xué)讀出頭讀出信號的電子線路等組成。光學(xué)讀出頭主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取工作。它由光電檢測器（一般為光電二極管）、透鏡、激光束分離器、激光器等組成。2023/10/18光盤上壓制了許多凹坑，激光束在凹坑部分反射的光的強度，要比從非凹坑部分反射的光的強度來得弱，光盤就是利用這個極其簡單的原理來區(qū)分“1”和“0”的。凹坑的邊緣代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑的長度和非凹坑的長度代表有多少個“0”，從而得到光盤中存儲的編碼信息，編碼信息再經(jīng)過譯碼后，便可以得到所存的信息狀態(tài)。2023/10/182.可擦寫光盤驅(qū)動器可擦寫型光盤驅(qū)動器主要由光學(xué)頭、讀寫擦通道、聚焦伺服、跟蹤伺服、主軸電機伺服和微處理器等部分組成。3.光盤驅(qū)動器的分類光盤驅(qū)動器主要分為：CD-ROM光驅(qū)，DVD光驅(qū)，COMBO光驅(qū)和刻錄光驅(qū)。

2023/10/187.1.3藍(lán)光刻錄藍(lán)光(Blu-ray）這一名稱是所用激光的顏色“藍(lán)色”與“光線”兩個詞組合而成，是DVD之后下一世代的高畫質(zhì)影音儲存光盤媒體。而藍(lán)光盤是（Blu-rayDisc，BD）利用波長較短（405nm）的藍(lán)色激光讀取和寫入數(shù)據(jù)，并因此而得名。藍(lán)光極大地提高了光盤的存儲容量，對于光存儲產(chǎn)品來說，藍(lán)光提供了一個跳躍式發(fā)展的機會。2023/10/181.藍(lán)光存儲技術(shù)的優(yōu)點(1)藍(lán)光是最先進的大容量光碟格式。(2)讀寫速度快，藍(lán)光的單倍1X速率為36Mbps，即4.5MB/S，允許1X～12X倍速的記錄速度，即每秒4.5MB/S~54MB/S的記錄速度。

(3)數(shù)據(jù)安全性高，藍(lán)光光盤擁有一個異常堅固的層面，可以保護光盤里面重要的記錄層，以保證藍(lán)光產(chǎn)品的存儲質(zhì)量和數(shù)據(jù)安全。(4)兼容性強，在技術(shù)上，藍(lán)光刻錄機系統(tǒng)可以兼容此前出現(xiàn)的各種光盤產(chǎn)品。2023/10/182.藍(lán)光存儲的原理(1)光頭發(fā)出的激光，波長越小，其激光越細(xì)。通常來說波長越短的激光，能夠在單位面積上記錄或讀取更多的信息。在同樣大小的盤片上就能夠存更多數(shù)據(jù)。(2)透鏡孔徑越大，激光穿過透鏡后的聚焦點越小，目前，DVD果用0.6NA透鏡，而BD采用0.85NA透鏡，聚焦點只有DVD紅光聚焦點面積的19%，即1/5的面積。(3)BD采用下層1.1mm樹脂基板，中間為記錄層，記錄層上有0.1mm涂層構(gòu)成。此外，藍(lán)光光盤還將軌距從0.74縮小到0.32。2023/10/182023/10/187.2光讀寫【任務(wù)目標(biāo)】通過對光讀寫內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解光讀寫的定義，掌握光讀寫器件（數(shù)碼相機、掃描儀、傳真機、復(fù)印機等）的工作原理，并了解現(xiàn)在最新的光讀寫技術(shù)。光讀寫，即用光來進行“讀”和“寫”，是指光光輸入輸出設(shè)備。所謂輸入設(shè)備是指將文件、圖片、風(fēng)景之類人眼能看得見的東西，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔X能理解的電信號的設(shè)備。而另一方面，所謂光輸出設(shè)備是指將存儲在電腦中的數(shù)據(jù)（文件或圖片等）通過顯示器顯示或印刷到紙上，使人能看能讀的設(shè)備。2023/10/187.2.1數(shù)碼相機數(shù)碼相機，簡稱DC，是集機械、光電技術(shù)于一體的光讀寫產(chǎn)品，是一種通過光學(xué)系統(tǒng)進行拍攝，并且通過內(nèi)部的電子系統(tǒng)把拍攝到的光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成電子影像，并以數(shù)字格式加以保存的照相機。而傳統(tǒng)的照相機，是通過照相鏡頭將被攝物體成像在底片上，拍完后，在暗室中將底片顯影，進行化學(xué)處理，然后曝光在相紙上。2023/10/182023/10/181.數(shù)碼照相機的結(jié)構(gòu)及工作原理數(shù)碼相機是由鏡頭、CCD/CMOS、A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）、MPU（微處理器）、內(nèi)置存儲器、LCD（液晶顯示器）、PC卡（可移動存儲器）和接口（計算機接口、電視機接口）等部分組成。2023/10/182.數(shù)碼照相機的性能指標(biāo)（1）ISO與圖片質(zhì)量（2）快門（3）光圈（4）曝光（5）焦距（6）光學(xué)變焦與數(shù)碼變焦2023/10/187.2.2掃描儀掃描儀是一種光電一體化的高科技產(chǎn)品，它是將各種形式的圖像信息輸入計算機的重要工具，是繼鍵盤和鼠標(biāo)之后的第三代計算機輸入設(shè)備。掃描儀具有比鍵盤和鼠標(biāo)更強的功能，從最原始的圖片、照片、膠片到各類文稿資料都可用掃描儀輸入到計算機中，進而實現(xiàn)對這些圖像形式的信息的處理、管理、使用、存儲、輸出等，配合光學(xué)字符識別軟件OCR（OpticCharacterRecognize）還能將掃描的文稿轉(zhuǎn)換成計算機的文本形式。2023/10/181.掃描儀的組成結(jié)構(gòu)掃描儀主要由機蓋、原稿臺、光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分、機械傳動部分組成。2023/10/182.掃描儀的工作原理掃描儀掃描圖像的方式大至有三種，即：以電荷耦合器CCD為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描、以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)為光電轉(zhuǎn)換元件的的掃描和以光電倍增管PMT為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描。（1）以CCD為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描2023/10/18（2）以接觸式圖像傳感器CIS為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描儀CIS是英文ContactImageSensor（接觸式圖像傳感器）的縮寫，它是一種將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器，廣泛用于圖形式掃描器、傳真機、標(biāo)志識別器及辦公自動化設(shè)備等領(lǐng)域。CIS由光源、柱狀透鏡、玻璃、外殼及感光電路組成。2023/10/18（3）以光電倍增管PMT為光電轉(zhuǎn)換元件的掃描儀主要組成部件有旋轉(zhuǎn)電機、透明滾筒、機械傳動機構(gòu)、控制電路和成像裝置等。2023/10/183.掃描儀的工作過程利用光電元件將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中。無論何種類型的掃描儀，它們的工作過程都是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。所以，光電轉(zhuǎn)換是它們的核心工作原理。2023/10/187.2.3復(fù)印機復(fù)印機是集靜電技術(shù)、光電技術(shù)、機械技術(shù)為一體的設(shè)備，它能把書寫、繪制或印刷等的原稿得到等倍、放大或縮小的復(fù)印品。復(fù)印機復(fù)印的速度快，操作簡便，與傳統(tǒng)的鉛字印刷、蠟紙油印、膠印等的主要區(qū)別是無需經(jīng)過其他制版等中間手段，而能直接從原稿獲得復(fù)印品。在1800年代，英國的詹姆斯·瓦特就發(fā)明了文字復(fù)制機，是今日復(fù)印機的前身。復(fù)印機按工作原理，可分為模擬復(fù)印和數(shù)碼激光復(fù)印兩大類。2023/10/181.模擬復(fù)印機模擬復(fù)印機是通過曝光、掃描將原稿的光學(xué)模擬圖像通過光學(xué)系統(tǒng)直接投射到已被充電的感光鼓上產(chǎn)生靜電潛像，再經(jīng)過顯影、轉(zhuǎn)印、定影等步驟，完成復(fù)印過程的復(fù)印機產(chǎn)品。2023/10/182023/10/182023/10/182.數(shù)碼復(fù)印機數(shù)碼復(fù)印機則是指首先通過CCD（電荷耦合器件）傳感器對通過曝光、掃描產(chǎn)生的原稿的光學(xué)模擬圖像信號進行光電轉(zhuǎn)換，然后將經(jīng)過數(shù)字技術(shù)處理的圖像信號輸入到激光調(diào)制器，調(diào)制后的激光束對被充電的感光鼓進行掃描，在感光鼓上產(chǎn)生有點組成的靜電潛像，再經(jīng)過顯影、轉(zhuǎn)印、定影等步驟，完成復(fù)印過程的產(chǎn)品。數(shù)碼復(fù)印機基本上相當(dāng)于把掃描儀和激光打機的功能融合在一起了。2023/10/18數(shù)碼復(fù)印機的工作原理2023/10/18模擬機和數(shù)碼機的轉(zhuǎn)印區(qū)別2023/10/187.3光電顯示技術(shù)【任務(wù)目標(biāo)】

通過對光電顯示技術(shù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解光電顯示技術(shù)的定義，掌握光電顯示器件（液晶顯示器、有機發(fā)光器件等）的工作原理，并了解現(xiàn)在最新的光電顯示技術(shù)。光電顯示技術(shù)是將電子設(shè)備輸出的電信號轉(zhuǎn)換成視覺可見的圖像、圖形、數(shù)碼以及字符等光信號的一門技術(shù)。從顯示原理的本質(zhì)看，它利用了發(fā)光和電光效應(yīng)兩種物理現(xiàn)象。所謂電光效應(yīng)是指加上電壓后物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)（如折射率、反射率、透射率等）發(fā)生改變的現(xiàn)象。2023/10/18主動發(fā)光型：在外加電信號作用下，主動發(fā)光型器件本身產(chǎn)生光輻射刺激人眼而實現(xiàn)顯示。比如CRT、PDP、ELD、激光顯示器等。被動顯示型：在外加電信號作用下，被動顯示型器件單純依靠對光的不同反射呈現(xiàn)的對比度達到顯示目的。自1897年德國人布勞恩發(fā)明陰極射線管(CRT:CathodeRayTube)以來，顯示器件產(chǎn)業(yè)取得了極大的進步。主要的光電顯示器件有陰極射線管(CRT)、真空熒光管(VFD)、輝光放電管（GDD）、液晶顯示器(LCD)、等離子體顯示器(PDP)、發(fā)光二極管(LED)、場致發(fā)射顯示器(FED)、電致發(fā)光顯示器(ELD)、電致變色顯示器（ECD）、激光顯示器(LPD)、電泳顯示器(EPD)、鐵電陶瓷顯示器(PLZT)等。

2023/10/187.3.1液晶顯示器液晶顯示器LCD（LiquidCrystalDisplay）的主要構(gòu)成材料為液晶。液晶顯示是利用液晶的光變化進行顯示，屬于非主動發(fā)光型顯示。液晶顯示器與傳統(tǒng)的CRT相比，不但體積小，厚度?。?4.1英寸的整機厚度可做到只有5cm），重量輕、耗能少（1到10μW/cm2）、工作電壓低（1.5到6V）且無輻射，無閃爍并能直接與CMOS集成電路匹配。由于優(yōu)點眾多，LCD從1998年開始進入臺式機應(yīng)用領(lǐng)域。2023/10/181.液晶顯示器的構(gòu)造2023/10/182.液晶顯示器的顯像原理（1）液晶的物理特性當(dāng)通電時導(dǎo)通，排列有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。液晶的這種物理特性正是其用于顯示器件、光電器件、傳感器件的基礎(chǔ)。2023/10/18（2）單色液晶顯示器的原理LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個列有細(xì)槽的平面之間，這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。2023/10/183.液晶顯示器的分類2023/10/187.3.2有機發(fā)光顯示器有機發(fā)光二極管或有機發(fā)光顯示器（OrganicLightEmittingDiode，OLED）本質(zhì)上屬于有機電致發(fā)光（OEL）顯示器件。有機電致發(fā)光是指有機半導(dǎo)體發(fā)光材料在電場驅(qū)動下，通過載流子注入、傳輸、電子和空穴結(jié)合形成激子、進而輻射復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。OLED是基于有機材料的一種電流型半導(dǎo)體發(fā)光器件，是自20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種新型顯示器技術(shù)。2023/10/18OLED要獲得全彩有三種方法：采用白色發(fā)光層加濾色片。這是獲得全色顯示最簡單的方法；采用紅、綠、藍(lán)三種有機發(fā)光材料，因此發(fā)光層為三層結(jié)構(gòu)；采用藍(lán)色有機發(fā)光材料，再用顏色轉(zhuǎn)換材料獲得全彩。OLED具有全固態(tài)、主動發(fā)光、高亮度、高對比度、超薄、低成本、低功耗、快速響應(yīng)、寬視角、工作溫度范圍寬、易于柔性顯示等諸多優(yōu)點，被視為21世紀(jì)最具前途的產(chǎn)品之一。2023/10/187.4光加工【任務(wù)目標(biāo)】通過對光加工內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解光加工技術(shù)的定義，掌握光加工（激光切割、激光焊接、激光打孔等）的工作原理，并了解現(xiàn)在最新的光加工技術(shù)。2023/10/187.4.1激光加工激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應(yīng)用，它是利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等的特種加工。激光加工作為先進制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。2023/10/181.激光加工的原理

根據(jù)激光束與材料相互作用的機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。

激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程，主要包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等。光化學(xué)加工指當(dāng)激光束加于物體時，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程，也叫做冷加工。主要包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。2023/10/182.激光加工技術(shù)的分類

（1）激光焊接以高功率聚焦激光束為熱源，熔化材料形成焊接接頭的高精度高效率焊接方法。以高功率聚焦激光束為熱源，熔化材料形成焊接接頭的高精度高效率焊接方法。（2）激光切割2023/10/18（3）激光打孔激光束在空間和時間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級從而獲得105--1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實行激光打孔。2023/10/18（4）激光打標(biāo)激光打標(biāo)是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應(yīng)用技術(shù)之后發(fā)展起來的一門新型加工技術(shù)，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標(biāo)記工藝。（5）激光熱處理激光熱處理是一種表面熱處理技術(shù)，即利用激光加熱金屬材料表面實現(xiàn)表面熱處理。2023/10/18（6）激光快速成型激光快速成型（LaserRapidPrototyping：LRP）是將計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制作、計算機數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、精密伺服驅(qū)動和新材料等先進技術(shù)集成的一種全新制造技，多用于模具和模型行業(yè)。（7）激光涂敷激