第7章-光電技術的典型應用

第7章

光電技術的典型應用光存儲光讀寫光電顯示技術光加工綜合實訓項目

7.1光存儲【任務要求】

通過對光存儲內容的學習，使學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。光存儲技術是采用激光照射介質，激光與介質相互作用，導致介質的性質發(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，識別出存儲單元性質的變化。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。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能做一次性寫入數據的操作，DVD-RW采用變相式讀寫技術，可以重復擦寫數據。7.1.2光盤驅動器1.光盤驅動器的工作原理光盤驅動器就是用來讀取CD或DVD盤片數據的設備。光盤驅動器一般由光學讀出頭、光學讀出頭驅動機構、光盤驅動機構、控制線路以及處理光學讀出頭讀出信號的電子線路等組成。光學讀出頭主要負責數據的讀取工作。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。2023/2/1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，編碼信息再經過譯碼后，便可以得到所存的信息狀態(tài)。2023/2/12.可擦寫光盤驅動器可擦寫型光盤驅動器主要由光學頭、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.光盤驅動器的分類光盤驅動器主要分為：CD-ROM光驅，DVD光驅，COMBO光驅和刻錄光驅。

2023/2/17.1.3藍光刻錄藍光(Blu-ray）這一名稱是所用激光的顏色“藍色”與“光線”兩個詞組合而成，是DVD之后下一世代的高畫質影音儲存光盤媒體。而藍光盤是（Blu-rayDisc，BD）利用波長較短（405nm）的藍色激光讀取和寫入數據，并因此而得名。藍光極大地提高了光盤的存儲容量，對于光存儲產品來說，藍光提供了一個跳躍式發(fā)展的機會。2023/2/11.藍光存儲技術的優(yōu)點(1)藍光是最先進的大容量光碟格式。(2)讀寫速度快，藍光的單倍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)數據安全性高，藍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，以保證藍光產品的存儲質量和數據安全。(4)兼容性強，在技術上，藍光刻錄機系統(tǒng)可以兼容此前出現(xiàn)的各種光盤產品。2023/2/12.藍光存儲的原理(1)光頭發(fā)出的激光，波長越小，其激光越細。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據。(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涂層構成。此外，藍光光盤還將軌距從0.74縮小到0.32。2023/2/12023/2/17.2光讀寫【任務目標】通過對光讀寫內容的學習，使學生了解光讀寫的定義，掌握光讀寫器件（數碼相機、掃描儀、傳真機、復印機等）的工作原理，并了解現(xiàn)在最新的光讀寫技術。光讀寫，即用光來進行“讀”和“寫”，是指光光輸入輸出設備。所謂輸入設備是指將文件、圖片、風景之類人眼能看得見的東西，轉變?yōu)殡娔X能理解的電信號的設備。而另一方面，所謂光輸出設備是指將存儲在電腦中的數據（文件或圖片等）通過顯示器顯示或印刷到紙上，使人能看能讀的設備。2023/2/17.2.1數碼相機數碼相機，簡稱DC，是集機械、光電技術于一體的光讀寫產品，是一種通過光學系統(tǒng)進行拍攝，并且通過內部的電子系統(tǒng)把拍攝到的光學影像轉換成電子影像，并以數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，進行化學處理，然后曝光在相紙上。2023/2/12023/2/11.數碼照相機的結構及工作原理數碼相機是由鏡頭、CCD/CMOS、A/D（模/數轉換器）、MPU（微處理器）、內置存儲器、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。2023/2/12.數碼照相機的性能指標（1）ISO與圖片質量（2）快門（3）光圈（4）曝光（5）焦距（6）光學變焦與數碼變焦2023/2/17.2.2掃描儀掃描儀是一種光電一體化的高科技產品，它是將各種形式的圖像信息輸入計算機的重要工具，是繼鍵盤和鼠標之后的第三代計算機輸入設備。掃描儀具有比鍵盤和鼠標更強的功能，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，配合光學字符識別軟件OCR（OpticCharacterRecognize）還能將掃描的文稿轉換成計算機的文本形式。2023/2/11.掃描儀的組成結構掃描儀主要由機蓋、原稿臺、光學成像部分、光電轉換部分、機械傳動部分組成。2023/2/12.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為光電轉換元件的掃描、以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE)為光電轉換元件的的掃描和以光電倍增管PMT為光電轉換元件的掃描。（1）以CCD為光電轉換元件的掃描2023/2/1（2）以接觸式圖像傳感器CIS為光電轉換元件的掃描儀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化為電信號的傳感器，廣泛用于圖形式掃描器、傳真機、標志識別器及辦公自動化設備等領域。CIS由光源、柱狀透鏡、玻璃、外殼及感光電路組成。2023/2/1（3）以光電倍增管PMT為光電轉換元件的掃描儀主要組成部件有旋轉電機、透明滾筒、機械傳動機構、控制電路和成像裝置等。2023/2/13.掃描儀的工作過程利用光電元件將檢測到的光信號轉換成電信號，再將電信號通過模擬/數字轉換器轉化為數字信號傳輸到計算機中。無論何種類型的掃描儀，它們的工作過程都是將光信號轉變?yōu)殡娦盘?。所以，光電轉換是它們的核心工作原理。2023/2/17.2.3復印機復印機是集靜電技術、光電技術、機械技術為一體的設備，它能把書寫、繪制或印刷等的原稿得到等倍、放大或縮小的復印品。復印機復印的速度快，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)別是無需經過其他制版等中間手段，而能直接從原稿獲得復印品。在1800年代，英國的詹姆斯·瓦特就發(fā)明了文字復制機，是今日復印機的前身。復印機按工作原理，可分為模擬復印和數碼激光復印兩大類。2023/2/11.模擬復印機模擬復印機是通過曝光、掃描將原稿的光學模擬圖像通過光學系統(tǒng)直接投射到已被充電的感光鼓上產生靜電潛像，再經過顯影、轉印、定影等步驟，完成復印過程的復印機產品。2023/2/12023/2/12023/2/12.數碼復印機數碼復印機則是指首先通過CCD（電荷耦合器件）傳感器對通過曝光、掃描產生的原稿的光學模擬圖像信號進行光電轉換，然后將經過數字技術處理的圖像信號輸入到激光調制器，調制后的激光束對被充電的感光鼓進行掃描，在感光鼓上產生有點組成的靜電潛像，再經過顯影、轉印、定影等步驟，完成復印過程的產品。數碼復印機基本上相當于把掃描儀和激光打機的功能融合在一起了。2023/2/1數碼復印機的工作原理2023/2/1模擬機和數碼機的轉印區(qū)別2023/2/17.3光電顯示技術【任務目標】

通過對光電顯示技術內容的學習，使學生了解光電顯示技術的定義，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。光電顯示技術是將電子設備輸出的電信號轉換成視覺可見的圖像、圖形、數碼以及字符等光信號的一門技術。從顯示原理的本質看，它利用了發(fā)光和電光效應兩種物理現(xiàn)象。所謂電光效應是指加上電壓后物質的光學性質（如折射率、反射率、透射率等）發(fā)生改變的現(xiàn)象。2023/2/1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。

2023/2/17.3.1液晶顯示器液晶顯示器LCD（LiquidCrystalDisplay）的主要構成材料為液晶。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用領域。2023/2/11.液晶顯示器的構造2023/2/12.液晶顯示器的顯像原理（1）液晶的物理特性當通電時導通，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。2023/2/1（2）單色液晶顯示器的原理LCD技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間，這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。2023/2/13.液晶顯示器的分類2023/2/17.3.2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)光是指有機半導體發(fā)光材料在電場驅動下，通過載流子注入、傳輸、電子和空穴結合形成激子、進而輻射復合導致發(fā)光的現(xiàn)象。OLED是基于有機材料的一種電流型半導體發(fā)光器件，是自20世紀中期發(fā)展起來的一種新型顯示器技術。2023/2/1OLED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、藍三種有機發(fā)光材料，因此發(fā)光層為三層結構；采用藍色有機發(fā)光材料，再用顏色轉換材料獲得全彩。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、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世紀最具前途的產品之一。2023/2/17.4光加工【任務目標】通過對光加工內容的學習，使學生了解光加工技術的定義，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。2023/2/17.4.1激光加工激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應用，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已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經濟重要部門，對提高產品質量、勞動生產率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。2023/2/11.激光加工的原理

根據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反應加工兩類。

激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程，主要包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等。光化學加工指當激光束加于物體時，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學反應的加工過程，也叫做冷加工。主要包括光化學沉積、立體光刻、激光刻蝕等。2023/2/12.激光加工技術的分類

（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2023/2/1（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。2023/2/1（4）激光打標激光打標是在激光焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應用技術之后發(fā)展起來的一門新型加工技術，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標記工藝。（5）激光熱處理激光熱處理是一種表面熱處理技術，即利用激光加熱金屬材料表面實現(xiàn)表面熱處理。2023/2/1（6）激光快速成型激光快速成型（LaserRapidPrototyping：LRP）是將計算機輔助設計、計算機輔助制作、計算機數控技術、激光技術、精密伺服驅動和新材料等先進技術集成的一種全新制造技，多用于模具和模型行業(yè)。（7）激光涂敷激光涂敷是一種特殊的金屬表面強化工藝，其原理是通過運用源自激光的可控熱量，將某種粉末金屬材料涂敷到基體表面上以達到表面強化效果。2023/2/17.4.2近視眼手術1.人的眼睛眼睛是人類感官中最重要的器官，大腦中大約有80%的知識都是通過眼睛獲取的。眼睛能辨別不同的顏色和亮度的光線，并將這些信息轉變成神經信號，傳送給大腦。2023/2/1正視眼：眼球在調節(jié)靜止的狀態(tài)下，來自物體反射來的平等光線經過眼的屈光后，焦點恰好落在視網膜上，能形成清晰的像。近視眼：但當焦點落在視網膜前，不能準確地在視網膜上形成清晰的像，稱為近視。近視的原因是眼睛的前后徑變長。遠視眼：當焦點落在視網膜后方，一樣不能準確地在視網膜上形成清晰的像，這種情況稱為遠視。遠視的原因是眼球的前后徑變短。散光：是一種非球對稱折光系統(tǒng)。散光眼在角膜的不同子午面上具有不同的折光力。2023/2/12.近視眼激光手術“近視眼激光手術”即是人們常說的“準分子激光手術”，愛爾用準分子激光通過對角膜瓣下基質層進行屈光性切削，從而降低瞳孔區(qū)的角膜曲率，達到矯正近視的目的。此項技術經歷了四個發(fā)展階段：準分子激光角膜表面切削術(PRK)、準分子激光角膜切削術IK、準分子激光上皮下角膜磨鑲術EK、宇宙飛秒FK四個發(fā)展階段，經過二十年的發(fā)展達到了一定的水平。2023/2/12023/2/17.5綜合實訓【任務要求】通過由簡到難的幾個不同的光電綜合實訓項目，進一步加強學生對光電綜合系統(tǒng)的認識，并培養(yǎng)學生能實際解決日常生活中一些有問題的光電系統(tǒng)的能力。2023/2/17.5.1實訓一光電鼠標的拆裝

【實訓目的】1.掌握光電鼠標的工作原理；2.掌握光電鼠標的拆裝技巧，能對光電鼠標的故障進

行正確維修。

【實訓內容】1.光電鼠標的拆裝2.光電鼠標的故障維修

【實訓儀器】

光電鼠標、螺絲刀、電烙鐵2023/2/1

【實訓原理】1.光電鼠標的原理通過發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標底部表面，然后將底部表面反射回來的一部分光線，經過一組光學透鏡，傳輸到光感應器件內成像。當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標內部的一塊專用圖像分析芯片對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。2023/2/1光電鼠標通常由以下部分組成：光學感應器、光學透鏡、發(fā)光二極管、接口微處理器、輕觸式按鍵、滾輪、連線、PS/2或USB接口、外殼等。2023/2/12.光電鼠標的維修

光電鼠標使用光電傳感器替代機械鼠標中的機械元件，因而維修方法具有獨特性。光電鼠標故障是的90%以上為斷線、按鍵接觸不良、光學系統(tǒng)臟污造成，少數劣質產品也常有虛焊和元件損壞的情況出現(xiàn)。（1）靈敏度變差（2）光電板磨損或位置不正（3）鼠標定位不準2023/2/1【實訓步驟】1.光電鼠標的拆裝2023/2/12.光電鼠標的維修找出幾個有問題的光電鼠標的問題所在，將其維修好，將維修記錄填入表格7-2?！舅伎肌抗怆娛髽说墓ぷ鲏勖Q于什么？光電鼠標和傳統(tǒng)機械式鼠標在結構上有什么不同？2023/2/17.5.2實訓二光纖端面處理耦合及熔接

【實訓目的】1.掌握光纖頭平端面的處理技術；2.掌握光纖之間的耦合、調試技術，了解光纖橫向和縱向偏差對光纖耦合損耗的影響；

3.了解光纖熔接的基本技術。【實訓內容】1.光纖端面處理基本操作實驗2.光纖耦合技術基本操作實驗3.光纖熔接技術基本操作實驗4.光功率耗損法對光纖熔接質量測試2023/2/1【實訓儀器】光纖熔接機、光纖切割刀、光纖剝皮鉗、裸光纖、裸纖適配器、1310/1550穩(wěn)定光源、光功率計、單模光跳線【實訓原理】1.光纖的簡介光纖，是光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。2023/2/12023/2/12.光纖端面的處理光纖端面的處理是一項基本技術，其形式有兩種：平面光纖頭和微透鏡光纖頭。前者多用于各種光無源器件與光纖之間的接續(xù)；后者主要用于光纖與光源、光探測器之間的耦合。光纖端面處理質量的好壞直接影響到接續(xù)后的光纖損耗和光纖與光源或光探測器的耦合效率。2023/2/1光線端面處理的基本步驟為：（1）光纖涂覆層的剝除；（2）光纖頭的制備；（3）光纖頭的檢驗；（4）光纖的連接；（5）光纖熔接質量測試。【注意事項】1.實驗操作之前，請詳細閱讀光纖熔接機使用說明書；2.學生進實驗操作進，請嚴格按照實驗指導老師的要求進行操作，以免造成不必要的損失；3.注意節(jié)約使用裸光纖。2023/2/1【實訓操作】1.光纖端面處理基本操作實驗2.光纖耦合技術基本操作實驗3.光纖熔接技術基本操作實驗4.光功率耗損法對光纖熔接質量測試【思考】1.光纖的縱向與橫向偏差哪種對光纖耦合效率的影響大？結合實訓談談感性認識，并作理論解釋。2.就本實訓而言，以上測得的焊點損耗是否就是焊點的實際耗損？2023/2/17.5.3實訓三太陽能光伏電站的認識【實訓目的】1.掌握太陽能光伏電站的結構和工作原理；2.了解太陽能電池板的性能參數和電池板的安裝；

3.熟練掌握太陽能光伏電源系統(tǒng)的組裝?！緦嵱杻热荨?.太陽能電池板安裝實驗2.太陽能光伏電源系統(tǒng)的拆解與組裝【實訓儀器】太陽能電池板、控制器、蓄電池、直流/交流逆變器、交流負載和直流負載、電烙鐵、吸盤等【實訓原理】1.太陽能光伏電站的簡介通過太陽能電池方陣將太陽能輻射能轉換為電能的發(fā)電站稱為太陽能光伏電站。太陽能光伏電站按照運行方式可分為離