6章光与信息技术

光与现代科技2019/8/21光与现代科技讲座第六章光与信息技术中的应用光与现代科技2019/8/23光与现代科技讲座第一章概述2第二章光源与激光器2第三章激光在现代医学中的应用4第四章激光在军事技术中的应用4第五章激光在现代工业和加工中的应用4第六章光与信息技术4第七章光通信技术与网络4第八章光学传感技术与网络2第九章光学成像、全息与显示技术4第十章光电集成与纳米技术4光与现代科技2019/8/24第六章光与信息技术中的应用§6.1激光扫描器6.1.1激光扫描器(1)低惯量扫描器(2)全息扫描器6.1.2激光扫描器的应用实例(1)激光照排机(2)激光缩微机(3)条形码扫描器§6.2激光打印机1.激光打印机原理及组成2.激光打印机的基本工作过程及控制系统3.激光打印机的国内外发展状况简介§6.3激光存储技术6.3.1激光存储的基本原理、分类及特点6.3.2激光光盘存储6.3.3激光体全息光存储6.3.4激光存储技术的新进展光与现代科技2019/8/25光与信息技术从技术角度看，信息领域是一个十分广阔的领域，它包括信息的产生、发送、传输、探测、存储、显示等许多方面。激光在信息领域的应用，包括以激光为信息载体，将声音、图像、数据等各种信息通过激光传送出去；通过激光存储在光学存储器里；通过激光将信息打印或显示出来等等。因此，本章将涉及激光通信、激光显示、激光存储以及激光打印等许多童要的领域。这些领域已经产生许多成熟的技术和应用，有着光明、广阔的应用和发展前途，是21世纪最活跃的激光应用领域。本章将简要地介绍激光在上述各方面的有关应用概况，特别是一些新思想、新概念、新技术、新进展等。光与现代科技2019/8/26§6.1激光扫描激光扫描是激光技术在诸多应用中很活跃的一个领域，计算机技术的不断进步和日益普及同时促进了激光扫描技术的发展，它被广泛地应用于近代复杂的光、机、电仪器中。例如，印刷板曝光，激光打印机，图像传真，图像处理，激光照排，制作微缩胶片，大屏幕图像投影仪，扫描光栅频谱仪，红外探测仪，激光扫描显微镜，激光扫描超声显微镜，三维视觉模拟偏转器，激光扫描检眼镜，激光微调机，激光标记机，尺寸检测仪，条形码扫描器等。下面主要介绍现有的激光扫描器及其基本特点和成功的应用。光与现代科技2019/8/276.1.1激光扫描器激光扫描器可分为低惯量扫描器(LowInertiaScanner)和全息扫描器。低惯量扫描器是指采用反射镜偏转光束并具有低转动惯量转子的扫描器，它具有灵活、体积小等优点。全息扫描器是以全息术为基础的扫描器，它能够提供多方位和多焦距的扫描，满足一些特定应用的需要，且结构较为简单，成本也较低。光与现代科技2019/8/28(1)低惯量扫描器低惯量扫描器又可以分为检流计扫描器和谐振镜扫描器。检流计扫描器能产生稳定状态的偏转，高保真度的正弦扫描以及非正弦的锯齿、三角或任意形式的扫描。采用活动铁芯结构的、典型检流计型扫描器如图6-1所示，主要由电磁驱动(包括带滚球轴承的转子)和位置传感器两个主要部分组成。图6-1动铁低惯量扫描仪的结构光与现代科技2019/8/29(1)低惯量扫描器检流计的动态特性要求电磁驱动部分具有低惯量、大转矩和宽频率特性。在满足上述要求的情况下，它可以在伺服机构的控制下实现任意波形的扫描。动铁低惯量扫描仪的转子是实心的铁芯，定子由永久磁铁盒加载线圈组成。线圈绕在定子上，具有很好的散热性，同时也避免了动圈结构转子引接电极带来的麻烦，相对提高转子的防振性。它的转矩是由永久磁铁和固定线圈产生的电磁回路之间的相互作用获得的。两块永久磁铁通过软磁铁在四个空气隙中建立控制磁力线。线圈加载后在磁路中产生磁力线，这一磁场使转子的两个对角一边加强，而另一边减弱，从而产生机械转矩。光与现代科技2019/8/210(1)低惯量扫描器为了保证检流计偏转的精度，检流计扫描器采用闭环电路，用传感器精确测量检流计偏转角，并与其控制值进行比较，把比较信号反馈到驱动电路中，从而使闭环控制电路获得检流计的高精度偏转。传感器的质量决定了扫描器和系统的精度。光学传感器通常使用干涉法和光栅法，并与系统结合在一起，它的分辨率主要受波长和温度的影响。磁位置传感器是传感元件在磁路中由于位置发生变化而导致感应电压变化的传感器件，它不适用于高性能的扫描器。电容传感器经常应用在检流计扫描器中，如图6-34所示。当转子角度发生变化时，电容传感器输出附件一个不平衡的小电容，给出转子和定子间相对角度变化的信息。光与现代科技2019/8/211(1)低惯量扫描器常用的感应驱动线圈谐振镜扫描器典型结构如图6-2所示，包括平衡的扭力杆和电感转矩驱动部分。反射镜被扭力杆T1和T2完全对称悬挂，当反射镜运动时，不会引起扭力扰动。图6-2感应驱动线圈谐振镜扫描器结构谐振镜扫描器只能工作在很窄的频率范围内，它的振荡是一种简单、周期性的谐振运动，但若采用谐振放大器，扫描器将具有很高的扫描频率和很大的扫描角。光与现代科技2019/8/212(1)低惯量扫描器与变压器的工作原理一样，驱动线圈的磁场通过软铁芯与转子的相互作用而产生。感应驱动线圈谐振镜扫描器的转子是长方形的金属环，在环中产生感应电流，它的动圈通过感应加载。低惯量扫描器系统的选择取决于对扫描器应用的要求。在不同的应用中对扫描器的参数要求是不一样的，它的主要参数有：光斑的尺寸，光斑的质量，光点扫描的速度和回扫时间，光斑在扫描场中的线性；扫描角的大小和镜面反射的质量等。光与现代科技2019/8/213低惯量扫描器常用于二维平面场扫描，其结构主要有简单的双镜系统、中继透镜系统和桨形双镜系统等。简单双镜系统的光路图如图6-3所示，X轴和Y轴反射镜的中心分别为点a和点b。扫描点c的坐标为(0,Yi)。d是点b到输出平面坐标中心(0,0)点的距离。X轴和Y轴的扫描角分别为θx和θy。像平面上任意点的坐标为(Xi，Yi)，当Xi=Yi=0时，有θx=θy=0°。图6-3简单双镜系统光路图光与现代科技2019/8/214第一、二个中继透镜的焦距分别为f1、f2，两透镜相距f1+f2。第二个扫描器的扫描轴与第一个扫描器的扫描轴正交，并与光轴交于B点。当入射细光束打在A点上时，则有二维扫描的细光束从B点出射，如图6-1(a)俯视图的情况；如果入射光束是一束准直光束，当它通过第二个中继透镜后，出射光束也是准直光束，如图6-1(b)侧视图所示。图6-4中继透镜系统光路图中继透镜系统的光路图如图6-4所示。第一个扫描器的扫描轴(即镜面的转动中心)与光轴相交于A点光与现代科技2019/8/215桨形双镜系统的光路图如图6-5所示，两根扫描轴正交、共面，形成一个X-Y平面。以X轴旋转的反射镜(X镜)转轴在反射镜的一边，以Y轴旋转的反射镜(Y轴)转轴在反射镜的中间，两个镜面在与X-Y平面相交都为45°。当入射光束以平行Y轴的方向入射，且在X镜转角很小的一级近似的情况下，由X镜反射的光束在Y镜上的位置基本保持不变，它只改变了出射光束的方向。图6—5桨形双镜系统光路图光与现代科技2019/8/216(2)全息扫描器-4全息扫描器是以全息术为基础的扫描器，它能够提供多方位和多焦距的扫描，满足一些特定应用的需要，且结构较为简单，成本也较低。全息扫描器是激光全息扫描系统的关键元件，它主要应用了全息技术的波前变换，以复杂波前的记录和再现实现光束的控制。光与现代科技2019/8/217当全息透镜在位置l时，再现光照在全息透镜的右侧，衍射的会聚光聚焦在像平面位置1处。如果把全息透镜从位置1移动到位置2，再现光在全息透镜上的位置也从右侧移到左侧，如图中虚线所示，这时衍射会聚光的焦点也从像平面的位置l移动到位置2。因此把全息透镜从位置1移动到位置2时，在像平面上就出现了一根扫描线。图6-7全息扫描原理全息扫描的基本原理如图6-7所示，用发散的细光束作为再现光，照明全息透镜的一个小区域。光与现代科技2019/8/218全息扫描器-6用上述全息扫描的基本概念来实现复杂的扫描过程时有许多实际问题需要解决，如在全息扫描器设计中应考虑光学结构和机械结构的合理性。光学结构首先是选择全息图的类型，是采用反射全息图或采用透射全息图，然后设计全息图的光学结构参数。机械结构的设计要求满足光学结构的要求并简单可行。不同类型的全息图在扫描器中有不同的要求，对于透射全息图，全息材料的均匀性和衬底基片的质量要求较高，而对机械振动的要求相对比较低。相反地，对于反射全息图，由于再现光不通过基片，所以只要求全息图的表面质量好，对基片的均匀性要求不高，但对轴承的要求比用透射全息图时要高，即要求高精度和高稳定性的轴承。光与现代科技2019/8/219全息扫描器-7全息扫描器的设计要综合考虑各方面的因素，其中包括：对扫描线质量的要求，全息扫描器参数(包括扫描参数和运行参数两类，扫描参数有光斑尺寸、扫描线长度、焦距、扫描的线性、场曲、扫描速度、全息图的尺寸和子全息图的数目等；运行参数有工作距离、角宽度、子全息图数、旋转轴与全息图上再现激光光斑之间的距离、记录和再现波前的取向及形状和旋转速度等)的要求，以及全息扫描器制作和使用的可行性等。全息扫描器各参数间有很强的依赖关系，在许多情况下甚至相互矛盾，因此经常采用折衷的方案达到实用的目的。光与现代科技2019/8/220全息扫描器-8全息扫描器具有一些突出的优点：首先是全息图作为偏转元件，具有聚焦和偏转两个功能。它的焦距的长短和偏转的方向可以通过记录光路和再现光路的参数来确定，因此在一个扫描器中用不同参数的全息图能实现多方位、多焦距的扫描，这是全息扫描器最突出的优点。其次是全息图作为扫描元件时能够收集被扫描物体的散射光。在散射光中包含被扫描物体的信息，全息图把带有信息的散射光会聚到探测器，对于不需要的环境光具有滤波作用，因此全息扫描器能应用在环境较差的场合。光与现代科技2019/8/221全息扫描器-9再次是全息图可以装配在各种基片上，它的重量与底座相比可以忽略，因此很容易实现小型化。最后是全息图能大量地制造或复制，与一般光学元件相比价格较低廉。当然全息扫描器在应用中也有一些不足：首先是宽带的记录材料比较缺乏，因此记录和再现中要使用不同波长的激光，会引入一些像差。为了得到高质量的光斑，要进行一些像差校正工作。其次是全息图的衍射效率也是一个较大的限制。光与现代科技2019/8/2222.激光扫描器的应用实例激光扫描器的应用十分广泛，前面已经对它的应用范围作了简单地介绍，这里仅结合三个具体的应用实例进行介绍。(1)激光照排机图6-8给出了一激光照排机的原理。图6-8激光照片机的原理光与现代科技2019/8/223(1)激光照排机-1图6-8给出了一激光照排机的原理，采用He-Ne激光器作为光源；声光调制器作为激光的高速开关，由计算机的文图信息控制；密度盘用于调整对胶片的最佳曝光量；扩束器用于改善激光的发散角；由点击驱动转镜旋转实现激光束的主扫描；在同一轴上安装光栅作为像元时钟，提高光点的位置精度。F-8物镜将激光会聚在胶片上，胶片由输片机构带动，作垂直于扫描方向的运动实现副扫描，激光通过转镜扫描和胶片运动实现二维扫描，在胶片上形成一幅完整的文字和图像。激光束扫描和胶片运动要求严格保持同步，即激光扫描完一条线之后，胶片刚好移动一条线宽的距离。在图中胶片的上方一侧有一个光电器件，作为行起始的基准。光与现代科技2019/8/224(1)激光照排机-2随着技术的发展，现已有多种激光照排机，主要有绞盘式激光照排机、外滚筒激光照排机、平台式激光照排机、内滚筒式激光照排机和虚拟滚筒式激光照排机。这几类激光照排机各有优缺点，它们的比较如表6-1所示。对于希望生产效率高、操作方便、节省胶片的印刷(包括中档彩色印刷)，一般采用绞盘式；而对于高精度、高分辨率、大幅面的精细彩色印刷，则采用内滚筒式或外