第7章-光电技术的典型应用

第7章

光电技术的典型应用光存储光读写光电显示技术光加工综合实训项目

7.1光存储【任务要求】

通过对光存储内容的学习，使学生了解光储存的定义，掌握光存储的工作原理，并了解现在最新的光存储技术。光存储技术是采用激光照射介质，激光与介质相互作用，导致介质的性质发生变化而将信息存储下来的。读出信息是用激光扫描介质，识别出存储单元性质的变化。7.1.1光盘存储光盘存储是指用激光将信息记录到一张金属圆盘的技术。约在1978年，研究人员开始把声音信号变成“0”与“1”表示的二进制数字，然后记录到以塑料为基片的金属圆盘上，即最早的光盘模型。后来随着光电技术的发展，光盘家族中逐步出现了CD、DVD、CD-R、DVD-R、BD等类型。1.CD系列CD（CompactedDisk），叫做压缩盘片，通常将激光唱盘、CD-ROM、数字激光视盘等统称为CD盘。CD盘片主要由透明漆模保护层、铝反射层、刻槽和聚碳酸脂衬垫组成。CD-R盘上除了含有聚碳酸酯层与漆膜保护层外，将反射用的铝层改用金反射层（也可能是纯银材料)；另外再加上有机染料记录层和轨道凹坑。2.DCD系列DVD原名是DigitalVideoDisc的缩写，意思是“数字电视光盘(系统)”DVD盘的存储容量可提高到4.7GB，它的容量是CD的7倍。DVD-R/RW的刻录原理和普通CD-R/RW刻录类似，采用CLV（恒定线速度）的刻录方式。其中DVD-R能做一次性写入数据的操作，DVD-RW采用变相式读写技术，可以重复擦写数据。7.1.2光盘驱动器1.光盘驱动器的工作原理光盘驱动器就是用来读取CD或DVD盘片数据的设备。光盘驱动器一般由光学读出头、光学读出头驱动机构、光盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。光学读出头主要负责数据的读取工作。它由光电检测器（一般为光电二极管）、透镜、激光束分离器、激光器等组成。2023/2/1光盘上压制了许多凹坑，激光束在凹坑部分反射的光的强度，要比从非凹坑部分反射的光的强度来得弱，光盘就是利用这个极其简单的原理来区分“1”和“0”的。凹坑的边缘代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”，凹坑的长度和非凹坑的长度代表有多少个“0”，从而得到光盘中存储的编码信息，编码信息再经过译码后，便可以得到所存的信息状态。2023/2/12.可擦写光盘驱动器可擦写型光盘驱动器主要由光学头、读写擦通道、聚焦伺服、跟踪伺服、主轴电机伺服和微处理器等部分组成。3.光盘驱动器的分类光盘驱动器主要分为：CD-ROM光驱，DVD光驱，COMBO光驱和刻录光驱。

2023/2/17.1.3蓝光刻录蓝光(Blu-ray）这一名称是所用激光的颜色“蓝色”与“光线”两个词组合而成，是DVD之后下一世代的高画质影音储存光盘媒体。而蓝光盘是（Blu-rayDisc，BD）利用波长较短（405nm）的蓝色激光读取和写入数据，并因此而得名。蓝光极大地提高了光盘的存储容量，对于光存储产品来说，蓝光提供了一个跳跃式发展的机会。2023/2/11.蓝光存储技术的优点(1)蓝光是最先进的大容量光碟格式。(2)读写速度快，蓝光的单倍1X速率为36Mbps，即4.5MB/S，允许1X～12X倍速的记录速度，即每秒4.5MB/S~54MB/S的记录速度。

(3)数据安全性高，蓝光光盘拥有一个异常坚固的层面，可以保护光盘里面重要的记录层，以保证蓝光产品的存储质量和数据安全。(4)兼容性强，在技术上，蓝光刻录机系统可以兼容此前出现的各种光盘产品。2023/2/12.蓝光存储的原理(1)光头发出的激光，波长越小，其激光越细。通常来说波长越短的激光，能够在单位面积上记录或读取更多的信息。在同样大小的盘片上就能够存更多数据。(2)透镜孔径越大，激光穿过透镜后的聚焦点越小，目前，DVD果用0.6NA透镜，而BD采用0.85NA透镜，聚焦点只有DVD红光聚焦点面积的19%，即1/5的面积。(3)BD采用下层1.1mm树脂基板，中间为记录层，记录层上有0.1mm涂层构成。此外，蓝光光盘还将轨距从0.74缩小到0.32。2023/2/12023/2/17.2光读写【任务目标】通过对光读写内容的学习，使学生了解光读写的定义，掌握光读写器件（数码相机、扫描仪、传真机、复印机等）的工作原理，并了解现在最新的光读写技术。光读写，即用光来进行“读”和“写”，是指光光输入输出设备。所谓输入设备是指将文件、图片、风景之类人眼能看得见的东西，转变为电脑能理解的电信号的设备。而另一方面，所谓光输出设备是指将存储在电脑中的数据（文件或图片等）通过显示器显示或印刷到纸上，使人能看能读的设备。2023/2/17.2.1数码相机数码相机，简称DC，是集机械、光电技术于一体的光读写产品，是一种通过光学系统进行拍摄，并且通过内部的电子系统把拍摄到的光学影像转换成电子影像，并以数字格式加以保存的照相机。而传统的照相机，是通过照相镜头将被摄物体成像在底片上，拍完后，在暗室中将底片显影，进行化学处理，然后曝光在相纸上。2023/2/12023/2/11.数码照相机的结构及工作原理数码相机是由镜头、CCD/CMOS、A/D（模/数转换器）、MPU（微处理器）、内置存储器、LCD（液晶显示器）、PC卡（可移动存储器）和接口（计算机接口、电视机接口）等部分组成。2023/2/12.数码照相机的性能指标（1）ISO与图片质量（2）快门（3）光圈（4）曝光（5）焦距（6）光学变焦与数码变焦2023/2/17.2.2扫描仪扫描仪是一种光电一体化的高科技产品，它是将各种形式的图像信息输入计算机的重要工具，是继键盘和鼠标之后的第三代计算机输入设备。扫描仪具有比键盘和鼠标更强的功能，从最原始的图片、照片、胶片到各类文稿资料都可用扫描仪输入到计算机中，进而实现对这些图像形式的信息的处理、管理、使用、存储、输出等，配合光学字符识别软件OCR（OpticCharacterRecognize）还能将扫描的文稿转换成计算机的文本形式。2023/2/11.扫描仪的组成结构扫描仪主要由机盖、原稿台、光学成像部分、光电转换部分、机械传动部分组成。2023/2/12.扫描仪的工作原理扫描仪扫描图像的方式大至有三种，即：以电荷耦合器CCD为光电转换元件的扫描、以接触式图像传感器CIS(或LIDE)为光电转换元件的的扫描和以光电倍增管PMT为光电转换元件的扫描。（1）以CCD为光电转换元件的扫描2023/2/1（2）以接触式图像传感器CIS为光电转换元件的扫描仪CIS是英文ContactImageSensor（接触式图像传感器）的缩写，它是一种将光信号转化为电信号的传感器，广泛用于图形式扫描器、传真机、标志识别器及办公自动化设备等领域。CIS由光源、柱状透镜、玻璃、外壳及感光电路组成。2023/2/1（3）以光电倍增管PMT为光电转换元件的扫描仪主要组成部件有旋转电机、透明滚筒、机械传动机构、控制电路和成像装置等。2023/2/13.扫描仪的工作过程利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟/数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理。2023/2/17.2.3复印机复印机是集静电技术、光电技术、机械技术为一体的设备，它能把书写、绘制或印刷等的原稿得到等倍、放大或缩小的复印品。复印机复印的速度快，操作简便，与传统的铅字印刷、蜡纸油印、胶印等的主要区别是无需经过其他制版等中间手段，而能直接从原稿获得复印品。在1800年代，英国的詹姆斯·瓦特就发明了文字复制机，是今日复印机的前身。复印机按工作原理，可分为模拟复印和数码激光复印两大类。2023/2/11.模拟复印机模拟复印机是通过曝光、扫描将原稿的光学模拟图像通过光学系统直接投射到已被充电的感光鼓上产生静电潜像，再经过显影、转印、定影等步骤，完成复印过程的复印机产品。2023/2/12023/2/12023/2/12.数码复印机数码复印机则是指首先通过CCD（电荷耦合器件）传感器对通过曝光、扫描产生的原稿的光学模拟图像信号进行光电转换，然后将经过数字技术处理的图像信号输入到激光调制器，调制后的激光束对被充电的感光鼓进行扫描，在感光鼓上产生有点组成的静电潜像，再经过显影、转印、定影等步骤，完成复印过程的产品。数码复印机基本上相当于把扫描仪和激光打机的功能融合在一起了。2023/2/1数码复印机的工作原理2023/2/1模拟机和数码机的转印区别2023/2/17.3光电显示技术【任务目标】

通过对光电显示技术内容的学习，使学生了解光电显示技术的定义，掌握光电显示器件（液晶显示器、有机发光器件等）的工作原理，并了解现在最新的光电显示技术。光电显示技术是将电子设备输出的电信号转换成视觉可见的图像、图形、数码以及字符等光信号的一门技术。从显示原理的本质看，它利用了发光和电光效应两种物理现象。所谓电光效应是指加上电压后物质的光学性质（如折射率、反射率、透射率等）发生改变的现象。2023/2/1主动发光型：在外加电信号作用下，主动发光型器件本身产生光辐射刺激人眼而实现显示。比如CRT、PDP、ELD、激光显示器等。被动显示型：在外加电信号作用下，被动显示型器件单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示目的。自1897年德国人布劳恩发明阴极射线管(CRT:CathodeRayTube)以来，显示器件产业取得了极大的进步。主要的光电显示器件有阴极射线管(CRT)、真空荧光管(VFD)、辉光放电管（GDD）、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、发光二极管(LED)、场致发射显示器(FED)、电致发光显示器(ELD)、电致变色显示器（ECD）、激光显示器(LPD)、电泳显示器(EPD)、铁电陶瓷显示器(PLZT)等。

2023/2/17.3.1液晶显示器液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）的主要构成材料为液晶。液晶显示是利用液晶的光变化进行显示，属于非主动发光型显示。液晶显示器与传统的CRT相比，不但体积小，厚度薄（14.1英寸的整机厚度可做到只有5cm），重量轻、耗能少（1到10µW/cm2）、工作电压低（1.5到6V）且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。2023/2/11.液晶显示器的构造2023/2/12.液晶显示器的显像原理（1）液晶的物理特性当通电时导通，排列有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。液晶的这种物理特性正是其用于显示器件、光电器件、传感器件的基础。2023/2/1（2）单色液晶显示器的原理LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间，这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。2023/2/13.液晶显示器的分类2023/2/17.3.2有机发光显示器有机发光二极管或有机发光显示器（OrganicLightEmittingDiode，OLED）本质上属于有机电致发光（OEL）显示器件。有机电致发光是指有机半导体发光材料在电场驱动下，通过载流子注入、传输、电子和空穴结合形成激子、进而辐射复合导致发光的现象。OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，是自20世纪中期发展起来的一种新型显示器技术。2023/2/1OLED要获得全彩有三种方法：采用白色发光层加滤色片。这是获得全色显示最简单的方法；采用红、绿、蓝三种有机发光材料，因此发光层为三层结构；采用蓝色有机发光材料，再用颜色转换材料获得全彩。OLED具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、低成本、低功耗、快速响应、宽视角、工作温度范围宽、易于柔性显示等诸多优点，被视为21世纪最具前途的产品之一。2023/2/17.4光加工【任务目标】通过对光加工内容的学习，使学生了解光加工技术的定义，掌握光加工（激光切割、激光焊接、激光打孔等）的工作原理，并了解现在最新的光加工技术。2023/2/17.4.1激光加工激光加工是激光系统最常用的应用，它是利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化气化而进行穿孔、切割和焊接等的特种加工。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。2023/2/11.激光加工的原理

根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。

激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，主要包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程，也叫做冷加工。主要包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。2023/2/12.激光加工技术的分类

（1）激光焊接以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头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间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得105--1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔。2023/2/1（4）激光打标激光打标是在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。（5）激光热处理激光热处理是一种表面热处理技术，即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。2023/2/1（6）激光快速成型激光快速成型（LaserRapidPrototyping：LRP）是将计算机辅助设计、计算机辅助制作、计算机数控技术、激光技术、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技，多用于模具和模型行业。（7）激光涂敷激光涂敷是一种特殊的金属表面强化工艺，其原理是通过运用源自激光的可控热量，将某种粉末金属材料涂敷到基体表面上以达到表面强化效果。2023/2/17.4.2近视眼手术1.人的眼睛眼睛是人类感官中最重要的器官，大脑中大约有80%的知识都是通过眼睛获取的。眼睛能辨别不同的颜色和亮度的光线，并将这些信息转变成神经信号，传送给大脑。2023/2/1正视眼：眼球在调节静止的状态下，来自物体反射来的平等光线经过眼的屈光后，焦点恰好落在视网膜上，能形成清晰的像。近视眼：但当焦点落在视网膜前，不能准确地在视网膜上形成清晰的像，称为近视。近视的原因是眼睛的前后径变长。远视眼：当焦点落在视网膜后方，一样不能准确地在视网膜上形成清晰的像，这种情况称为远视。远视的原因是眼球的前后径变短。散光：是一种非球对称折光系统。散光眼在角膜的不同子午面上具有不同的折光力。2023/2/12.近视眼激光手术“近视眼激光手术”即是人们常说的“准分子激光手术”，爱尔用准分子激光通过对角膜瓣下基质层进行屈光性切削，从而降低瞳孔区的角膜曲率，达到矫正近视的目的。此项技术经历了四个发展阶段：准分子激光角膜表面切削术(PRK)、准分子激光角膜切削术IK、准分子激光上皮下角膜磨镶术EK、宇宙飞秒FK四个发展阶段，经过二十年的发展达到了一定的水平。2023/2/12023/2/17.5综合实训【任务要求】通过由简到难的几个不同的光电综合实训项目，进一步加强学生对光电综合系统的认识，并培养学生能实际解决日常生活中一些有问题的光电系统的能力。2023/2/17.5.1实训一光电鼠标的拆装

【实训目的】1.掌握光电鼠标的工作原理；2.掌握光电鼠标的拆装技巧，能对光电鼠标的故障进

行正确维修。

【实训内容】1.光电鼠标的拆装2.光电鼠标的故障维修

【实训仪器】

光电鼠标、螺丝刀、电烙铁2023/2/1

【实训原理】1.光电鼠标的原理通过发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面，然后将底部表面反射回来的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到光感应器件内成像。当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。2023/2/1光电鼠标通常由以下部分组成：光学感应器、光学透镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口、外壳等。2023/2/12.光电鼠标的维修

光电鼠标使用光电传感器替代机械鼠标中的机械元件，因而维修方法具有独特性。光电鼠标故障是的90%以上为断线、按键接触不良、光学系统脏污造成，少数劣质产品也常有虚焊和元件损坏的情况出现。（1）灵敏度变差（2）光电板磨损或位置不正（3）鼠标定位不准2023/2/1【实训步骤】1.光电鼠标的拆装2023/2/12.光电鼠标的维修找出几个有问题的光电鼠标的问题所在，将其维修好，将维修记录填入表格7-2。【思考】光电鼠标的工作寿命取决于什么？光电鼠标和传统机械式鼠标在结构上有什么不同？2023/2/17.5.2实训二光纤端面处理耦合及熔接

【实训目的】1.掌握光纤头平端面的处理技术；2.掌握光纤之间的耦合、调试技术，了解光纤横向和纵向偏差对光纤耦合损耗的影响；

3.了解光纤熔接的基本技术。【实训内容】1.光纤端面处理基本操作实验2.光纤耦合技术基本操作实验3.光纤熔接技术基本操作实验4.光功率耗损法对光纤熔接质量测试2023/2/1【实训仪器】光纤熔接机、光纤切割刀、光纤剥皮钳、裸光纤、裸纤适配器、1310/1550稳定光源、光功率计、单模光跳线【实训原理】1.光纤的简介光纤，是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。2023/2/12023/2/12.光纤端面的处理光纤端面的处理是一项基本技术，其形式有两种：平面光纤头和微透镜光纤头。前者多用于各种光无源器件与光纤之间的接续；后者主要用于光纤与光源、光探测器之间的耦合。光纤端面处理质量的好坏直接影响到接续后的光纤损耗和光纤与光源或光探测器的耦合效率。2023/2/1光线端面处理的基本步骤为：（1）光纤涂覆层的剥除；（2）光纤头的制备；（3）光纤头的检验；（4）光纤的连接；（5）光纤熔接质量测试。【注意事项】1.实验操作之前，请详细阅读光纤熔接机使用说明书；2.学生进实验操作进，请严格按照实验指导老师的要求进行操作，以免造成不必要的损失；3.注意节约使用裸光纤。2023/2/1【实训操作】1.光纤端面处理基本操作实验2.光纤耦合技术基本操作实验3.光纤熔接技术基本操作实验4.光功率耗损法对光纤熔接质量测试【思考】1.光纤的纵向与横向偏差哪种对光纤耦合效率的影响大？结合实训谈谈感性认识，并作理论解释。2.就本实训而言，以上测得的焊点损耗是否就是焊点的实际耗损？2023/2/17.5.3实训三太阳能光伏电站的认识【实训目的】1.掌握太阳能光伏电站的结构和工作原理；2.了解太阳能电池板的性能参数和电池板的安装；

3.熟练掌握太阳能光伏电源系统的组装。【实训内容】1.太阳能电池板安装实验2.太阳能光伏电源系统的拆解与组装【实训仪器】太阳能电池板、控制器、蓄电池、直流/交流逆变器、交流负载和直流负载、电烙铁、吸盘等【实训原理】1.太阳能光伏电站的简介通过太阳能电池方阵将太阳能辐射能转换为电能的发电站称为太阳能光伏电站。太阳能光伏电站按照运行方式可分为离