光與現代科技講座第六章光與信息技術中的應用2023/1/191光與現代科技講座云南大學信息學院通信工程系

宗容第六章光與信息技術中的應用光與現代科技2023/1/192光與現代科技講座第一章概述2第二章

光源與激光器2第三章激光在現代醫學中的應用4第四章激光在軍事技術中的應用4第五章激光在現代工業和加工中的應用4第六章光與信息技術4第七章光通信技術與網絡4第八章光學傳感技術與網絡2第九章光學成像、全息與顯示技術4第十章光電集成與納米技術42023/1/193第六章光與信息技術中的應用§6.1激光掃描器6.1.1激光掃描器(1)低慣量掃描器(2)全息掃描器6.1.2激光掃描器的應用實例(1)激光照排機(2)激光縮微機(3)條形碼掃描器

§6.2激光打印機1.激光打印機原理及組成2.激光打印機的基本工作過程及控制系統3.激光打印機的國內外發展狀況簡介§6.3激光存儲技術6.3.1激光存儲的基本原理、分類及特點6.3.2激光光盤存儲6.3.3激光體全息光存儲6.3.4激光存儲技術的新進展2023/1/194光與信息技術從技術角度看，信息領域是一個十分廣闊的領域，它包括信息的產生、發送、傳輸、探測、存儲、顯示等許多方面。激光在信息領域的應用，包括以激光為信息載體，將聲音、圖像、數據等各種信息通過激光傳送出去；通過激光存儲在光學存儲器里；通過激光將信息打印或顯示出來等等。因此，本章將涉及激光通信、激光顯示、激光存儲以及激光打印等許多童要的領域。這些領域已經產生許多成熟的技術和應用，有著光明、廣闊的應用和發展前途，是21世紀最活躍的激光應用領域。本章將簡要地介紹激光在上述各方面的有關應用概況，特別是一些新思想、新概念、新技術、新進展等。2023/1/195§6.1激光掃描激光掃描是激光技術在諸多應用中很活躍的一個領域，計算機技術的不斷進步和日益普及同時促進了激光掃描技術的發展，它被廣泛地應用于近代復雜的光、機、電儀器中。例如，印刷板曝光，激光打印機，圖像傳真，圖像處理，激光照排，制作微縮膠片，大屏幕圖像投影儀，掃描光柵頻譜儀，紅外探測儀，激光掃描顯微鏡，激光掃描超聲顯微鏡，三維視覺模擬偏轉器，激光掃描檢眼鏡，激光微調機，激光標記機，尺寸檢測儀，條形碼掃描器等。下面主要介紹現有的激光掃描器及其基本特點和成功的應用。2023/1/1966.1.1激光掃描器激光掃描器可分為低慣量掃描器(LowInertiaScanner)和全息掃描器。低慣量掃描器是指采用反射鏡偏轉光束并具有低轉動慣量轉子的掃描器，它具有靈活、體積小等優點。全息掃描器是以全息術為基礎的掃描器，它能夠提供多方位和多焦距的掃描，滿足一些特定應用的需要，且結構較為簡單，成本也較低。2023/1/197(1)低慣量掃描器低慣量掃描器又可以分為檢流計掃描器和諧振鏡掃描器。檢流計掃描器能產生穩定狀態的偏轉，高保真度的正弦掃描以及非正弦的鋸齒、三角或任意形式的掃描。采用活動鐵芯結構的、典型檢流計型掃描器如圖6-1所示，主要由電磁驅動(包括帶滾球軸承的轉子)和位置傳感器兩個主要部分組成。圖6-1動鐵低慣量掃描儀的結構

2023/1/198(1)低慣量掃描器檢流計的動態特性要求電磁驅動部分具有低慣量、大轉矩和寬頻率特性。在滿足上述要求的情況下，它可以在伺服機構的控制下實現任意波形的掃描。動鐵低慣量掃描儀的轉子是實心的鐵芯，定子由永久磁鐵盒加載線圈組成。線圈繞在定子上，具有很好的散熱性，同時也避免了動圈結構轉子引接電極帶來的麻煩，相對提高轉子的防振性。它的轉矩是由永久磁鐵和固定線圈產生的電磁回路之間的相互作用獲得的。兩塊永久磁鐵通過軟磁鐵在四個空氣隙中建立控制磁力線。線圈加載后在磁路中產生磁力線，這一磁場使轉子的兩個對角一邊加強，而另一邊減弱，從而產生機械轉矩。2023/1/199(1)低慣量掃描器為了保證檢流計偏轉的精度，檢流計掃描器采用閉環電路，用傳感器精確測量檢流計偏轉角，并與其控制值進行比較，把比較信號反饋到驅動電路中，從而使閉環控制電路獲得檢流計的高精度偏轉。傳感器的質量決定了掃描器和系統的精度。光學傳感器通常使用干涉法和光柵法，并與系統結合在一起，它的分辨率主要受波長和溫度的影響。磁位置傳感器是傳感元件在磁路中由于位置發生變化而導致感應電壓變化的傳感器件，它不適用于高性能的掃描器。電容傳感器經常應用在檢流計掃描器中，如圖6-34所示。當轉子角度發生變化時，電容傳感器輸出附件一個不平衡的小電容，給出轉子和定子間相對角度變化的信息。2023/1/1910(1)低慣量量掃描描器常用的的感應應驅動動線圈圈諧振振鏡掃掃描器器典型型結構構如圖圖6-2所示，，包括括平衡衡的扭扭力桿桿和電電感轉轉矩驅驅動部部分。。反射射鏡被被扭力力桿T1和T2完全對對稱懸懸掛，，當反反射鏡鏡運動動時，，不會會引起起扭力力擾動動。圖6-2感應驅驅動線線圈諧諧振鏡鏡掃描描器結結構諧振鏡鏡掃描描器只能工作在在很窄窄的頻頻率范范圍內內，它的的振蕩蕩是一一種簡簡單、、周期期性的的諧振振運動動，但但若采采用諧諧振放放大器器，掃掃描器器將具具有很很高的的掃描描頻率率和很很大的的掃描描角。。2023/1/111(1)低低慣量掃掃描器與變壓器器的工作作原理一一樣，驅驅動線圈圈的磁場場通過軟軟鐵芯與與轉子的的相互作作用而產產生。感感應驅動動線圈諧諧振鏡掃掃描器的的轉子是是長方形形的金屬屬環，在在環中產產生感應應電流，，它的動動圈通過過感應加加載。低慣量掃掃描器系系統的選選擇取決決于對掃掃描器應應用的要要求。在不同的的應用中中對掃描描器的參參數要求求是不一一樣的，，它的主主要參數數有：光光斑的尺尺寸，光光斑的質質量，光光點掃描描的速度度和回掃掃時間，，光斑在在掃描場場中的線線性；掃掃描角的的大小和和鏡面反反射的質質量等。。2023/1/112低慣量掃描描器常用于于二維平面面場掃描，其結構主主要有簡單單的雙鏡系系統、中繼繼透鏡系統統和槳形雙雙鏡系統等等。簡單雙鏡系系統的光路路圖如圖6-3所示，X軸和Y軸反射鏡的的中心分別別為點a和點b。掃描點c的坐標為(0,Yi)。d是點b到輸出平面面坐標中心心(0,0)點的距離。。X軸和Y軸的掃描角角分別為θx和θy。像平面上上任意點的的坐標為(Xi，Yi)，當Xi=Yi=0時，有θx=θy=0°。圖6-3簡單雙鏡系系統光路圖圖2023/1/113第一、二個個中繼透鏡鏡的焦距分分別為f1、f2，兩透鏡相相距f1+f2。第二個掃描描器的掃描描軸與第一一個掃描器器的掃描軸軸正交，并并與光軸交交于B點。當入射射細光束打打在A點上時，則則有二維掃掃描的細光光束從B點出射，如如圖6-1(a)俯視圖的情情況；如果果入射光束束是一束準準直光束，，當它通過過第二個中中繼透鏡后后，出射光光束也是準準直光束，，如圖6-1(b)側視圖所示示。圖6-4中繼透鏡系系統光路圖圖中繼透鏡系系統的光路路圖如圖6-4所示。第一個掃描描器的掃描描軸(即鏡面的轉轉動中心)與光軸相交交于A點2023/1/114槳形雙雙鏡系系統的的光路路圖如如圖6-5所示，，兩根根掃描描軸正正交、、共面面，形形成一一個X-Y平面。。以X軸旋轉轉的反反射鏡鏡(X鏡)轉軸在在反射射鏡的的一邊邊，以以Y軸旋轉轉的反反射鏡鏡(Y軸)轉軸在在反射射鏡的的中間間，兩兩個鏡鏡面在在與X-Y平面相相交都都為45°°。當入射射光束束以平平行Y軸的方方向入入射，，且在在X鏡轉角角很小小的一一級近近似的的情況況下，，由X鏡反射射的光光束在在Y鏡上的的位置置基本本保持持不變變，它它只改改變了了出射射光束束的方方向。。圖6—5槳形雙雙鏡系系統光光路圖圖2023/1/115(2)全息掃掃描器-4全息掃描器是是以全息術為為基礎的掃描描器，它能夠夠提供多方位位和多焦距的的掃描，滿足足一些特定應應用的需要，，且結構較為為簡單，成本本也較低。全息掃描器器是激光全全息掃描系系統的關鍵鍵元件，它它主要應用用了全息技技術的波前前變換，以以復雜波前前的記錄和和再現實現現光束的控控制。2023/1/116當全全息息透透鏡鏡在在位位置置l時，，再再現現光光照照在在全全息息透透鏡鏡的的右右側側，，衍衍射射的的會會聚聚光光聚聚焦焦在在像像平平面面位位置置1處。。如果果把把全全息息透透鏡鏡從從位位置置1移動動到到位位置置2，再再現現光光在在全全息息透透鏡鏡上上的的位位置置也也從從右右側側移移到到左左側側，，如如圖圖中中虛虛線線所所示示，，這這時時衍衍射射會會聚聚光光的的焦焦點點也也從從像像平平面面的的位位置置l移動動到到位位置置2。因此此把把全全息息透透鏡鏡從從位位置置1移動動到到位位置置2時，，在在像像平平面面上上就就出出現現了了一一根根掃掃描描線線。。圖6-7全息息掃掃描描原原理理全息息掃掃描描的的基基本本原原理理如如圖圖6-7所示示，，用用發發散散的的細細光光束束作作為為再再現現光光，，照照明明全全息息透透鏡鏡的的一一個個小小區區域域。。2023/1/117全息掃描器-6用上述全息掃掃描的基本概概念來實現復復雜的掃描過過程時有許多多實際問題需需要解決，如如在全息掃描描器設計中應應考慮光學結結構和機械結結構的合理性性。光學結構首先先是選擇全息息圖的類型，，是采用反射射全息圖或采采用透射全息息圖，然后設設計全息圖的的光學結構參參數。機械結構的設設計要求滿足足光學結構的的要求并簡單單可行。不同類型的全全息圖在掃描描器中有不同同的要求，對對于透射全息息圖，全息材材料的均勻性性和襯底基片片的質量要求求較高，而對對機械振動的的要求相對比比較低。相反地，對于于反射全息圖圖，由于再現現光不通過基基片，所以只只要求全息圖圖的表面質量量好，對基片片的均勻性要要求不高，但但對軸承的要要求比用透射射全息圖時要要高，即要求求高精度和高高穩定性的軸軸承。2023/1/118全息掃描器-7全息掃描器的的設計要綜合合考慮各方面面的因素，其其中包括：對對掃描線質量量的要求，全全息掃描器參參數(包括掃描參數數和運行參數數兩類，掃描描參數有光斑斑尺寸、掃描描線長度、焦焦距、掃描的的線性、場曲曲、掃描速度度、全息圖的的尺寸和子全全息圖的數目目等；運行參參數有工作距距離、角寬度度、子全息圖圖數、旋轉軸軸與全息圖上上再現激光光光斑之間的距距離、記錄和和再現波前的的取向及形狀狀和旋轉速度度等)的要求，以及及全息掃描器器制作和使用用的可行性等等。全息掃描器各各參數間有很很強的依賴關關系，在許多多情況下甚至至相互矛盾，，因此經常采采用折衷的方方案達到實用用的目的。2023/1/119全息掃描器-8全息掃描器具具有一些突出出的優點：首先是全息圖圖作為偏轉元元件，具有聚聚焦和偏轉兩兩個功能。它它的焦距的長長短和偏轉的的方向可以通通過記錄光路路和再現光路路的參數來確確定，因此在在一個掃描器器中用不同參參數的全息圖圖能實現多方方位、多焦距距的掃描，這這是全息掃描描器最突出的的優點。其次是全息圖圖作為掃描元元件時能夠收收集被掃描物物體的散射光光。在散射光光中包含被掃掃描物體的信信息，全息圖圖把帶有信息息的散射光會會聚到探測器器，對于不需需要的環境光光具有濾波作作用，因此全全息掃描器能能應用在環境境較差的場合合。2023/1/120全息掃掃描器器-9再次是是全息息圖可可以裝裝配在在各種種基片片上，，它的的重量量與底底座相相比可可以忽忽略，，因此此很容容易實實現小小型化化。最后是是全息息圖能能大量量地制制造或或復制制，與與一般般光學學元件件相比比價格格較低低廉。。當然全全息掃掃描器器在應應用中中也有有一些些不足足：首先是是寬帶帶的記記錄材材料比比較缺缺乏，，因此此記錄錄和再再現中中要使使用不不同波波長的的激光光，會會引入入一些些像差差。為為了得得到高高質量量的光光斑，，要進進行一一些像像差校校正工工作。。其次是是全息息圖的的衍射射效率率也是是一個個較大大的限限制。。2023/1/1212.激激光光掃掃描描器器的的應應用用實實例例激光光掃掃描描器器的的應應用用十十分分廣廣泛泛，，前前面面已已經經對對它它的的應應用用范范圍圍作作了了簡簡單單地地介介紹紹，，這這里里僅僅結結合合三三個個具具體體的的應應用用實實例例進進行行介介紹紹。。(1)激光光照照排排機機圖6-8給出出了了一一激激光光照照排排機機的的原原理理。。圖6-8激光光照照片片機機的的原原理理2023/1/122(1)激光光照照排排機機-1圖6-8給出出了了一一激激光光照照排排機機的的原原理理，，采用用He-Ne激光光器器作作為為光源源；聲聲光光調調制制器器作作為為激激光光的的高速速開開關關，由由計計算算機機的的文文圖圖信信息息控制制；密密度度盤盤用用于于調調整整對對膠膠片片的的最最佳佳曝光光量量；擴擴束束器器用用于于改改善善激激光光的的發散散角角；由由點點擊擊驅驅動動轉轉鏡鏡旋旋轉轉實實現現激激光光束束的的主掃掃描描；在在同同一一軸軸上上安安裝裝光光柵柵作作為為像像元元時鐘鐘，提提高高光光點點的的位位置置精精度度。。F-8物鏡鏡將將激激光光會會聚聚在在膠膠片片上上，，膠膠片片由由輸輸片片機機構構帶帶動動，，作作垂垂直直于于掃掃描描方方向向的的運運動動實實現現副副掃掃描描，，激激光光通通過過轉轉鏡鏡掃掃描描和和膠膠片片運運動動實實現現二二維維掃掃描描，，在在膠膠片片上上形形成成一一幅幅完完整整的的文文字字和和圖圖像像。。激光束掃掃描和膠膠片運動動要求嚴嚴格保持持同步，，即激光光掃描完完一條線線之后，，膠片剛剛好移動動一條線線寬的距距離。在圖中膠膠片的上上方一側側有一個個光電器器件，作作為行起起始的基基準。2023/1/123(1)激光照照排機機-2隨著技技術的的發展展，現現已有有多種種激光光照排排機，，主要要有絞絞盤式式激光光照排排機、、外滾滾筒激激光照照排機機、平平臺式式激光光照排排機、、內滾滾筒式式激光光照排排機和和虛擬擬滾筒筒式激激光照照排機機。這幾類類激光光照排排機各各有優優缺點點，它它們的的比較較如表表6-1所示。。對于希希望生生產效效率高高、操操作方方便、、節省省膠片片的印印刷(包括中中檔彩彩色印印刷)，一般般采用用絞盤盤式；；而對于于高精精度、、高分分辨率率、大大幅面面的精精細彩彩色印印刷，，則采采用內內滾筒筒式或或外滾滾筒式式。激光照照排機機的關關鍵技技術是是光源源、聲聲光調調制器器、激激光掃掃描、、副掃掃描技技術和和電路路控制制技術術。從技術術發展展來看看，激激光照照排機機有向向激光光直接接制版版機發發展的的趨勢勢.激光制制版機機是激激光直直接掃掃描在在印刷刷版材材上，，激光光直接接制版版的原原理和和激光光照排排機相相同，，只是是感光光介質質不同同，即即用版版材代代替激激光照照排機機中的的膠片片。2023/1/124表6-1激光照排機機的類型分分析比較平臺式外滾筒式內滾筒式虛擬滾筒式絞盤式掃描速度快慢快快快定位精度高高高高中、高結構復雜復雜復雜復雜復雜幅面中大大中中膠片成卷單片成卷成卷成卷附屬設備真空泵真空泵無無無噪聲大大小小小成本高高高低低體積大大大小小重量大大大小小適用介質膠片相紙版材膠片膠片相紙版材膠片相紙版材膠片相紙版材工作環境一般嚴格一般一般一般類型項目2023/1/125(2)激光光縮縮微微機機激光光縮縮微微機機是是用用激激光光掃掃描描器器把把計計算算存存儲儲的的信信息息直直接接制制作作到到縮縮微微膠膠片片上上的的機機器器。。圖6-9激光光縮縮微微機機原原理理圖6-9給出出了了激激光光縮縮微微機機的的原原理理，，圖圖中中有有兩兩個個掃掃描描器器，，沿沿x方向向掃掃描描的的叫叫行行掃掃描描器器，，沿沿Y方向向掃掃描描的的稱稱為為頁頁掃掃描描器器。。2023/1/126(2)激光光縮微微機-1激光光光源輸輸出的的單光光束經經聲光光調制制器產產生9個不同同頻率率(40MHz~50MHz)的時序序調制制，得得到9個被調調整的的時分分復用用光束束。掃描器器同時時用9根激光光束掃掃描，，字符符可以以由這這9根激光光束的的調制制信號號得到到，每每行像像素的的總數數1500個。9根光束束用一一個激激光源源，但但它們們在不不同瞬瞬間被被不同同的頻頻率調調制，，因此此每根根光束束的調調制信信號是是獨立立的。。行掃描描器的的周期期為4.8ms，回掃掃時間間為1ms。掃描描器掃掃描的的位置置精度度可達達萬分分之一一。2023/1/127(3)條形形碼掃掃描器器激光條條形碼碼掃描描器由由激光光源、、光學學掃描描、光光學接接收、、光電電轉換換、信信號放放大、、整形形、量量化和和譯碼碼等部部分組組成。。早期的的掃描描器大大多采采用He-Ne激光器器，而而采用用MOVPE(金屬氧氧化物物氣相相外延延)技術制制造的的可見見光半半導體體激光光器具具有低低功耗耗、可可直接接調制制、體體積小小、重重量輕輕、固固體化化、可可靠性性高、、效率率高等等優點點，它它一出出現很很快就就替代代了原原來使使用的的He--Ne激光器器。從激光光源發發出的的激光光束需需通過過掃描描系統統形成成掃描描線或或掃描描圖案案。條碼掃掃描器器的掃掃描系系統一一般采采用旋旋轉棱棱鏡掃掃描和和全息息掃描描兩種種方案案。2023/1/128(3)條形碼掃描描器-1全息掃描系系統具有結結構緊湊、、可靠性高高和造價低低廉等顯著著優點，自自從IBM公司在3687型掃描器(其光學系統統如圖6-10所示)上首先應用用以來得到到了廣泛的的應用，且且不斷推陳陳出新。圖6-10IBM3687型條形碼掃掃描器光學學系統2023/1/129(3)條形碼碼掃描器-2全角度掃描這這個概念是為為了提高超級級市場的流通通速度而提出出的，并設計計了與之相應應的UPC(UniversalProductCode)條碼。對于UPC碼兩個掃描方方向的“X’’掃描圖案已能能實現全角度度掃描。手持單線掃描描器由于掃描描速度低、掃掃描角度較小小等原因，產產生了多種實實現光束掃描描的方案。除采用旋轉棱棱鏡、擺鏡外外，還能通過過運動光學系系統中的很多多部件來進行行光束掃描。。如通過運動動半導體激光光器、運動準準直透鏡等來來實現光束掃掃描。掃描光光束射到條碼碼符號上后被被散射，由接接收系統接收收足夠多的散散射光。2023/1/130(3)條形形碼掃掃描器器-3在激光光全角角度掃掃描器器中，，普遍遍采用用反向向接收收系統統。它它的的的瞬時時視場場極小小，可可以極極大地地提高高信噪噪比，，還能能提高高對條條碼符符號鏡鏡面反反射的的抑制制能力力，并并且對對接收收透鏡鏡的要要求亦亦很低低。此此外，，它還還能使使接收收器的的敏感感面較較小，，接收收器成成本亦亦較低低。它的缺缺點是是當掃掃描光光束位位于掃掃描系系統各各元件件邊緣緣時要要產生生漸暈暈現象象。接收到到的光光信號號需要要經光光電轉轉換器器轉換換成電電信號號。全全角度度掃描描器中中的條條碼信信號頻頻率比比較高高(幾兆赫赫到幾幾十兆兆赫)，要求求光電電轉換換器采采用具具有高高頻率率響應應能力力的雪雪崩光光電二二極管管(APD)或PIN光電二二極管管。為為了長長時間間連續續操作作人員員的安安全，，要求求激光光源出出射能能量較較小，，這使使得最最后接接收到到的能能量極極弱。。2023/1/131(3)條條形形碼碼掃掃描描器器-4為了了得得到到較較高高的的信信噪噪比比，，通通常常采采用用前前置置放放大大電電路路來來低低噪噪聲聲地地放放大大信信號號。。在在手手持持槍槍式式掃掃描描器器中中一一般般采采用用硅硅光光電電池池、、光光電電二二極極管管或或光光電電三三極極管管作作為為光光電電轉轉換換器器件件，，它它的的出出射射光光能能量量相相對對較較強強，，信信號號頻頻率率較較低低，，因因此此對對電電子子元元器器件件特特性性要要求求不不是是很很高高。。整形形后后的的電電信信號號經經過過量量化化后后，，由由譯譯碼碼單單元元譯譯出出其其中中所所含含信信息息。。全角角度度掃掃描描器器由由于于數數據據率率高高，，且且得得到到的的大大多多數數為為非非條條碼碼信信號號和和不不完完整整條條碼碼信信號號，，要要求求譯譯碼碼器器有有自自動動識識別別有有效效條條碼碼信信號號的的能能力力。。這對對譯譯碼碼單單元元的的要要求求較較高高(較高高的的數數據據處處理理能能力力和和較較大大的的數數據據吞吞吐吐量量)，目目前前普普遍遍采采用用軟軟、、硬硬件件緊緊密密結結合合的的方方法法來來解解決決。。2023/1/132§6.2激光打印印機隨著計算算機技術術和電子子技術的的不斷發發展，計計算機系系統的處處理速度度日益加加快。傳統的擊擊打式打打印機在在打印質質量、打打印速度度、工作作噪聲等等方面都都存在這這嚴重的的不足，，迫切需需要一種種速度高高、噪聲聲低的新新型打印印機;同時由于于激光掃掃描技術術和電子子照相技技術的快快速發展展，一種種新型打打印機——激光打印印機應運運而生，，并成為為激光掃掃描技術術的又一一突出應應用。2023/1/1331．激光光打印機機原理及及組成不同的廠廠家已生生產出多多種不同同型號的的激光打打印機，，但它們們的基本本原理、、基本組組成和工工作過程程大致相相同。激光打印印機的基基本原理理是：將將數據轉轉換為數數字信號號，再調調制激光光束在感感光鼓上上掃描，，感光鼓鼓將吸附附的墨粉粉轉印到到紙上，，通過控控制激光光束的開開與關使使感光鼓鼓吸與不不吸墨粉粉，感光光鼓在紙紙上滾動動從而形形成文字字。2023/1/1341．激光光打印機機原理及及組成-16-11激光打印印機的基基本組成成激光器——產生激光光。激光掃描描系統——負責將接接口電路路送來的的二進制制點陣信信息調制制到激光光束上，，然后掃掃描到感感光鼓上上.感光鼓和和電子照照相轉印印機構——負責將掃掃描到感感光鼓上上的圖文文映像轉轉印到打打印紙上上，故兩兩者又合合稱為電電子成像像系統。。2023/1/1351．激光打印印機原理及組組成-2除了以上主要要組件外，還還要有電源系系統和機械系系統的密切配配合，才能完完成整個打印印過程。電源源系統提供各各種電源電壓壓，使激光打打印機的各個個組件正常工工作。機械系統負責責完成打印紙紙在打印機中中的各種動作作，又稱之為為打印紙傳送送系統。從信號輸入激激光打印機到到激光掃描系系統把其調制制在激光束上上，這一部分分有時也稱為為視頻控制器器，主要從計計算機接收要要打印的信息息，并進一步步產生視頻信信號，然后送送到激光掃描描系統對激光光束進行調制制。2023/1/1362．激光打印印機的基本本工作過程程及控制系系統簡介(1)激光掃描系系統工作過過程激光掃描系系統由光調調制器、掃掃描器、光光偏轉器、、同步器和和高頻驅動動電路等組組成，它的的基本工作作過程如下下：激光器產生生激光束經經反射鏡反反射進入光光調制器，，同時計算算機送來二二進制圖文文點陣信息息由接口電電路送到字字型發生器器，產生所所需要的二二進制脈沖沖信號，經經過頻率合合成器和功功率放大器器進行合成成、放大后后也送入光光調制器，，并對反射射鏡反射過過來的激光光束進行調調制。由光光調制器輸輸出的調制制光入射到到多面轉鏡鏡，再通過過廣角聚焦焦鏡后掃描描到感光鼓鼓上，從而而把多面轉轉鏡的角速速度掃描變變成感光鼓鼓上的線速速度掃描，，這樣就完完成了整個個激光掃描描過程。由上可知，，通過視頻頻信號可以以控制激光光束的有和和無，通過過控制激光光束的強弱弱，可以控控制打印的的對比度，，即所謂的的“調制””。再配合合感光鼓的的轉動，可可以實現角角速度掃描描到線速度度掃描的轉轉變，完成成行掃描和和列掃描，，、形成一一幅二維的的電子潛像像。2023/1/137電子成像是將將感光鼓上的的二維電子潛潛像經炭粉投投影方式顯影影，然后轉印印到打印紙上上，再經加熱熱加壓定影，，使粉末狀的的墨粉微粒熔熔化滲入紙纖纖維中，成為為永久性的打打印輸出。整個工作過程程可簡單概括括為：充電一掃描曝曝光一墨粉顯顯影一轉印到到紙上一加熱熱加壓定影輸輸出一消電一一清掃剩余墨墨粉一光照再再次充電的循循環過程。首先，當機械械部件開始動動作時，感光光鼓上方的主主電暈中一根根屏蔽的鎢絲絲被充電到數千伏的高高壓，使主電電暈產生電暈暈放電，周圍圍的空氣被電電離。空氣中中的負電荷被被遷移到感光光鼓表面，均均勻地分布在在鼓的上面，，使感光鼓表表面充滿電荷荷。(2)電子成像工作作過程2023/1/138然后，調制制后的激光光束(由激光掃描描系統產生生)掃描到感光鼓，，使布滿電電荷的感光光鼓被激光光束照射的的部分曝光，從而使感感光鼓帶有有不可視的的靜電潛像像——靜電電荷陣陣列。用墨粉對其其進行顯影，使墨粉附附著在靜電電潛像上。。顯影后，感感光鼓通過過傳輸電暈暈作用把墨墨粉圖像轉印到打印印紙上。再對其加熱熱加壓定影，使其熔化化滲入到紙紙纖維中。。這樣就把需需要打印的的文字或圖圖像轉印到到打印紙上上，成為永永久性的打印輸出。在打印下一一幅圖文信信息之前，，要將感光光鼓上的剩余電荷及及墨粉清除除干凈。(2)電子成像工工作過程-12023/1/139一臺好的打打印機不僅僅需要好的的掃描系統統、電子成成像系統和和可觀賞的的外殼，還還需要好的的機械系統統與之配合合以完成各各種機械動動作。機械系統最最主要的工工作是負責責打印紙在在激光打印印機中的傳傳送，此外外圖像生成成也需要機機械系統的的配合。當一個打印印循環開始始時，主電電動機旋轉轉，機械連連軸器驅動動感光鼓、、融解輥并并把打印紙紙送入打印印機的送紙紙輥。卷紙輥和定定位輥保持持打開并由由螺線管驅驅動的離合合器調整。。在接收一張張紙時，卷卷紙輥離合合器嚙合，，刻有V形凹痕的卷卷紙輥轉動動帶動偏心心輪，并把把它拖入打打印機約7.5cm。(3)機械系統工工作過程2023/1/140轉動一周周后，卷卷紙輥離離合器釋釋放，打打印紙停停留在定定位輥上上等待同同步信號號。當同步信信號到來來時，咬咬合齒輪輪捕捉到到定位輥輥中的紙紙并傳送送到位，，和感光光鼓上碳碳粉圖像像的起始始位置對對齊。顯顯影后的的炭粉圖圖像和打打印紙面面同步后后，定位位輥離合合器嚙合合，把打打印紙送送入圖像像生成系系統。定位輥啟啟動后保保持嚙合合，直到到打印紙紙退出打打印機，，顯影后后的碳粉粉圖像被被固定。。在打印印紙從熔熔結輥間間退出時時，驅動動一張打打印紙退退出傳感感器，傳傳感器恢恢復到其其初始狀狀態。打印機的的電子控控制包知知道打印印紙離開開了打印印機，主主電動機機可停止止工作；；或一張張新的打打印紙可可進入，，開始下下一個打打印循環環。(3)機械系統統工作過過程-22023/1/141激光打印印機的整整體控制制系統包包括激光光掃描系系統的控控制、電電子成像像系統的的控制、、與計算算機接口口的控制制、緩存存及脫機機自檢等等控制。。激光掃描描的控制制主要完完成多面面轉鏡的的穩速驅驅動、行行同步信信號的檢檢測、處處理，半半導體激激光器的的調制與與驅動等等。每次打印印開始，，打印機機從計算算機接收收數據信信號。要要將這些些數據信信號(包括整頁頁打印內內容的代代碼)變成調制制激光的的視頻信信號，或或者儲存存在某些些計算機機較大容容量的緩緩沖區內內；或者者在送往往打印機機前先編編譯出來來形成點點陣信息息。電子成像像系統的的控制主主要是控控制和協協調充電電、曝光光、顯影影、轉印印、進紙紙、定影影、消電電、清潔潔等工作作步驟，，保證打打印出高高質量的的字符和和圖形。。和其他外外部輸出出設備一一樣，激激光打印印機的接接口控制制部分負負責接收收和處理理主機發發來的各各種信號號，并向向主機發發回打印印機狀態態的信號號，協調調兩者的的工作。。(4)控制系統統簡介2023/1/1423.激光光打打印印機機的的國國內內外外發發展展狀狀況況簡簡介介二十十世世紀紀70年代代中中期期，，美美國國率率先先將將激激光光引引入入打打印印機機領領域域，，綜綜合合利利用用激激光光掃掃描描技技術術和和電電子子照照相相技技術術，，研研制制出出激激光光打打印印機機。。早期期的的激激光光打打印印機機主主要要采采用用He-Ne激光光器器，，是是一一種種與與大大型型計計算算機機配配套套的的高高速速輸輸出出設設備備，，它它體體積積大大、、成成本本高高、、價價格格昂昂貴貴，，應應用用面面不不廣廣，，然然而而它它在在打打印印質質量量、、打打印印速速度度、、打打印印精精度度、、穩穩定定性性和和圖圖像像質質量量方方面面具具有有突突出出的的優優勢勢。。隨著著半半導導體體激激光光技技術術的的發發展展、、設設計計水水平平的的不不斷斷進進步步、、生生產產工工藝藝的的不不斷斷改改進進，，激激光光打打印印機機從從采采用用氣氣體體激激光光器器的的大大型型結結構構發發展展到到采采用用半半導導體體激激光光器器的的小小型型臺臺式式結結構構，，其其體體積積日日益益縮縮小小，，成成本本越越來來越越低低。。日本本、、美美國國等等國國相相繼繼研研制制出出多多功功能能、、低低價價格格、、高高質質量量的的臺臺式式激激光光打打印印機機，，激激光光打打印印機機迅迅速速達達到到了了普普及及程程度度，，它它為為越越來來越越多多的的計計算算機機用用戶戶所所青青睞睞，，已已從從計計算算機機的的主主要要輸輸出出設設備備拓拓寬寬到到各各個個領領域域。。2023/1/1433.激光打印機機的國內外外發展狀況況簡介進入二十世世紀90年代以來，，由于大功功率半導體體激光器的的發展和計計算機控制制的廣泛應應用，激光光打印技術術日益成熟熟，成本不不斷下降，，其市場份份額已超過過針式打印印機，成為為打印市場場的主流產產品之一。。盡管我國激激光打印技技術發展迅迅速，重慶慶華蜀公司司、聯想集集團、中科科院計算機機所中計公公司、紫金金公司、科科海公司等等都研制生生產了自己己的漢字激激光打印機機產品，憑憑借漢字處處理優勢在在我國打印印機市場上上爭占一席席之地。但國內產品品生產批量量小、成本本難以下降降，很難與與國外進口口的低價打打印機競爭爭，因此國國內目前使使用的打印印機大多數數為國外產產品。2023/1/1443.激光光打打印印機機的的國國內內外外發發展展狀狀況況簡簡介介激光光打打印印機機的的發發展展趨趨勢勢：：首先先是是臺臺式式低低速速打打印印機機向向著著小小型型化化、、高高速速度度和和高高分分辨辨率率方方向向發發展展，，即即打打印印速速度度由由20頁／／分分提提高高到到50-60頁／／分分、、分分辨辨率率由由300dpi提高高到到1000dpi以上上，，能能夠夠達達到到標標準準報報刊刊印印刷刷所所要要求求的的分分辨辨率率；；其次次是是激激光光打打印印機機和和其其他他CA(CharmelAdapter)機器器相相結結合合，，朝朝兼兼容容、、集集成成化化方方向向發發展展，，如如Cannon和Ricoh的激激光光打打印印機機一一傳傳真真機機和和Ricoh公司司的的激激光光打打印印機機—復印印機機—傳真真機機三三合合一一的的機機種種等等；；此外外，，激激光光打打印印機機的的彩彩色色化化發發展展也也是是一一個個重重要要的的方方向向。。2023/1/1456.3激激光存儲儲技術隨著社會進進步、生產產和科學技技術的不斷斷發展，人人類對信息息的依賴程程度日益加加深，需要要處理、傳傳輸和存儲儲的信息急急劇增加，，這對信息息的存儲和和管理提出出了越來越越高的要求求。為滿足足信息社會會的發展需需求，光存存儲技術應應運而生，，并成為現現代信息社社會中不可可缺少的存存儲技術之之一。早期人們用用縮微膠片片來存儲文文檔資料，，這是光存存儲的最早早形式。上世紀60年代激光問問世后，激激光全息技技術的發展展使具有更更大存儲容容量的三維維圖象存儲儲得以實現現，但其不不能進行實實時數據存存取，無法法與磁存儲儲相比較。。上世紀70年代，光盤盤存儲技術術應運而生生并迅猛發發展.2023/1/1466.3激激光存儲儲技術-1第一代光盤盤存儲用GaAlAs半導體激光光器，波長長為0.78um(近紅外)，5寸光盤的存存儲容量為為0.76GB，即CD系列光盤；；第二代光盤盤存儲用GaAlInP激光器，波波長為0.65um(紅光)，存儲容量量為4.7GB，即數字多多功能光盤盤(DVD)系列；第三代光盤盤存儲已經經興起，使使用GaN半導體激光光器，波長長為0.41um(藍光)，存儲容量量可達27GB，為高密度度數字多功功能光盤即即HD—DVD光盤(藍碟)。上世紀80年代后期出出現的磁光光盤(MO)技術和90年代初期出出現的相變變光盤(PC)技術也得到到了飛快的的發展，并并且已經進進入實用時時期。由此可見，，激光技術術的發明和和發展在光光存儲技術術的發展中中起了重要要的作用。。2023/1/147激光存儲的基基本原理、分分類及特點1、激光存儲的的基本原理激光存儲是利利用材料的某某種性質對光光敏感。帶有信息的光光照射材料時時，該性質發發生改變，且且能夠在材料料中記錄這種種改變，這就就實現了光信信息的存儲。。用激光對存儲儲材料讀取信信息時，讀出出光的性質隨隨存儲材料性性質的改變而而發生相應的的變化，從而而實現已存儲儲光信息的讀讀取。2023/1/148激光存存儲的的基本本原理理、分分類及及特點點2、激光光存儲儲的分分類光存儲儲的分分類有有很多多種，，按數據據存取取方式式可分分為光光打點點式存存儲和和頁面面并行行存儲儲；按存儲儲介質質的厚厚度可可分為為二維維存儲儲和三三維存存儲；；按鑒別別存儲儲數據據的方方式可可分為為位置置選擇擇存儲儲和頻頻率選選擇存存儲等等等。。目前最最普遍遍、最最成熟熟的光光存儲儲技術術就是是光盤盤存儲儲，正正在發發展中中的存存儲技技術還還有全全息存存儲技技術、、光學學雙光光子雙雙穩態態三維維數字字存儲儲技術術、持持續光光譜燒燒孔技技術、、電子子俘獲獲光存存儲技技術等等。2023/1/1493、激激光光存存儲儲的的特特點點現有有的的光光存存儲儲技技術術與與傳傳統統的的磁磁存存儲儲技技術術相相比比有有如如下下特特點點：：1．數數據據存存儲儲密密度度高高、、容容量量大大。。理論論估估計計光光儲儲存存的的面面密密度度為為1／λ2。(其中入是用用于光存儲儲的波長)的數量級，，存儲的體體密度可達達1／λ3。2．壽命長。。磁存儲的信信息一般只只能保留2—3年。而光存存儲只要其其介質穩定定，壽命一一般在10年以上。3．非接觸式式讀／寫和和擦。用光讀／寫寫不會磨損損和劃傷存存儲介質，，這不僅延延長了存儲儲壽命，而而且使存儲儲介質易于于更換、移移動，從而而更易實現現海量存儲儲。4．信息位價價格低。由于光存儲儲密度高，，其信息位位價格可比比磁記錄的的低幾十倍倍。此外，光存存儲還有并行程度高高，抗電磁磁干擾性能能強等優點。正正是由于這這些優點，，光存儲技技術自激光光器發明以以來就一直直受到人們們的極大關關注。2023/1/150激激光光盤存儲儲激光光盤存儲儲技術是目前前最成熟的光光存儲技術，，也是應用最最廣泛的存儲儲技術之一。。1．激光光盤存存儲的基本原原理光盤存儲包括括信息“寫入入”和“讀出出”兩個過程程。在信息的“寫寫入”過程中中，首先用待待存儲信息調調制寫入激光光的強度，并并使激光聚焦焦在記錄介質質中，形成極極微小的光照照微區，其光光照區發生相相應的物理、、化學變化(反射率、折射射率、偏振特特性或其它特特性)，這樣記錄介介質上有無物物理、化學性性質的變化就就代表了信息息的有無，從從而完成信息息的“寫入””。在信息的“讀讀取”過程中中，用低強度度的穩定激光光束掃描信息息軌道，隨著著光盤的高速速旋轉，介質質表面的反射射光強度(或光的其他性性質)隨存儲信息區區域的物理、、化學性質變變化而發生變變化。用光電電探測器檢測測反射光信號號并加以解調調，便可取出出所存儲的信信息。2023/1/151圖6-27為一一基基本本的的光光盤盤系系統統圖圖。。圖6-27基本本的的激激光光光光盤盤系系統統圖圖圖6-28激光光光光盤盤記記錄錄斑斑示示意意圖圖1．激激光光光光盤盤存存儲儲的的基基本本原原理理-12023/1/1521．激光光光盤盤存儲儲的基基本原原理-2光盤是是在襯襯盤上上淀積積了記記錄介介質及及其保保護膜膜的盤盤片，，在記記錄介介質表表面沿沿螺旋旋形軌軌道，，以信信息斑斑的形形式寫寫入大大量的的信息息(參見圖圖6-28)，其記記錄軌軌道的的密度度達1000道／mm左右。。可見見信息息斑越越小，，光盤盤的存存儲密密度越越大。。由于物物鏡衍衍射極極限影影響焦焦點處處光匯匯聚的的最小小直徑徑(約為為λ／(2NA)，其其中中NA為物物鏡鏡的的數數值值孔孔徑徑)，因因此此光光盤盤的的存存儲儲密密度度為為(NA／λ)2。例如如在在采采用用氬氬離離子子激激光光器器(λ=457.9nm)和物物鏡鏡數數值值孔孔徑徑為為0.8的系系統統中中，，信信息息斑斑的的最最小小直直徑徑為為λ／(2NA)=457.9／(2×0.8)=0.29um，則則存存儲儲密密度度為為(NA／λ)2=3××1012m-2。對于于普普通通尺尺寸寸內內徑徑為為70mm、外外徑徑為為145mm的光光盤盤而而言言，，其其有有效效存存儲儲面面積積約約為為5.0×10-2m2，則則它它的的最最大大存存儲儲容容量量為為3×1012×5.0×10-2=1.5×1010bit。可見見采采用用更更短短波波長長的的激激光光器器和和高高數數值值孔孔徑徑的的物物鏡鏡可可以以提提高高光光盤盤的的存存儲儲密密度度。。2023/1/1531．激光光光盤存儲儲的基本本原理-3光盤存儲儲除了具具有存儲儲密度高高、抗電電磁干擾擾、存儲儲壽命長長、非接接觸式讀讀／寫信信息以及及信息位位價格低低廉等優優點外，，還具有有信息載載噪比(CNR：載噪比比是載波波電平與與噪音電電平之比比，以分分貝表示示)高的突出出優點。。光盤載載噪比均均在50dB以上，且且多次讀讀／寫后后不降低低。因而光盤盤多次讀讀出的音音質和圖圖像清晰晰度是磁磁帶和磁磁盤所無無法比擬擬的。另外，光光盤的信信息傳輸輸速率也也比較高高。現有光盤盤的數據據速率可可達50Mb／s以上，通通過改進進光學系系統并選選擇適當當的激光光波長，，數據速速率還可可進一步步提高。。2023/1/1542．激光光盤盤的類型計算機控制制的數字光光盤存儲技技術，按讀讀寫功能劃劃分主要有有如下四種種：(1)只讀存儲(Readonlymemory)光盤只讀式存儲儲光盤的記記錄介質主主要是光刻刻膠，記錄錄方式是先先將信息刻刻錄在介質質上制成母母盤，然后后進行模壓壓復制大量量子盤。這種光盤只只能用來播播放已經記記錄在盤片片上的信息息，用戶不不能自行寫寫入。2023/1/1552．激光光盤盤的類型-1(2)一次寫入光光盤WORM(WriteOnceReadMemory，或稱為DRAW，DirectReadAfterWrite)一次寫人光光盤利用聚聚焦激光在在介質的光光照微區產產生不可逆逆的物理或或化學變化化寫入信息息。其寫入入過程主要要是利用激激光的熱效效應，記錄錄方式有燒燒蝕型、起起泡型、熔熔融型、合合金型、相相變型等很很多種。這類光盤具具有寫、讀讀兩種功能能，用戶可可以自行一一次寫入，，寫完即可可讀，但信信息一經寫寫入便不可可擦除，也也不能反復復使用。這這種光盤可可用于文檔檔和圖像的的存儲。2023/1/1562．激激光光光光盤盤的的類類型型-2(3)可擦擦重重寫寫光光盤盤(Rewrite，或或Erasable--DRAW即EDAW)這類類光光盤盤可可多多次次寫寫入入、、讀讀取取信信息息，，但但寫寫入入前前需需先先將將已已有有的的信信息息擦擦去去，，然然后后再再寫寫入入新新的的信信息息，，即即寫寫、、擦擦信信息息是是分分開開的的兩兩個個過過程程。。寫入入時時先先用用擦擦激激光光將將某某一一信信道道上上的的信信息息擦擦除除，，然然后后再再用用寫寫激激光光將將新新信信息息寫寫入入。。可見見這這種種先先擦擦后后寫寫的的兩兩步步過過程程限限制制了了數數據據的的存存儲儲速速率率，，因因而而尚尚未未應應用用到到計計算算機機系系統統的的隨隨機機存存取取存存儲儲器器(RandomAccessMemory．RAM)，但但它它在在海海量量脫脫機機存存儲儲和和圖圖像像數數字字存存儲儲方方面面應應用用廣廣泛泛。。目前前它它的的記記錄錄介介質質主主要要是是磁磁光光型型(熱磁磁反反轉轉型型)存儲儲材材料料。。2023/1/1572．激激光光光光盤盤的的類類型型-3(4)直接接重重寫寫光光盤盤(overwrite)可擦擦重重寫寫光光盤盤需需要要擦擦、、寫寫兩兩次次動動作作完完成成信信息息的的更更換換，，這這使使光光盤盤數數據據傳傳輸輸速速率率受受到到限限制制。。直接接重重寫寫光光盤盤用用一一束束激激光光，，一一次次動動作作在在完完成成寫寫入入新新信信息息的的同同時時自自動動擦擦除除原原有有信信息息，，這這種種光光盤盤利利用用某某些些材材料料在在激激光光作作用用下下可可實實現現晶晶態態與與非非晶晶態態間間相相互互轉轉化化的的特特性性，，使使記記錄錄介介質質在在寫寫入入激激光光束束的的粒粒子子作作用用下下快快速速晶晶化化，，從從而而實實現現信信息息的的存存儲儲。。這種種光光致致晶晶化化的的可可逆逆相相變變過過程程非非常常快快，，當當擦擦除除激激光光脈脈寬寬與與寫寫入入激激光光脈脈寬寬相相當當時時(20~50ns)，相相變變光光盤盤可可直直接接進進行行重重寫寫，，從從而而大大大大縮縮短短了了數數據據的的存存取取時時間間。。2023/1/1583．激光光光盤盤存儲儲器激光光光盤存存儲器器由光光存儲儲盤片片及其其驅動動器組組成。。驅動動器提提供高高質量量讀出出光束束、引引導精精密光光學頭頭、讀讀出信信息、、給出出檢測測光盤盤聚焦焦誤差差信號號，并并實現現光束束高精精度伺伺服跟跟蹤等等功能能。光盤存存儲器器的光光學系系統一一般都都采以以半導導體激激光器器作為為光源源，采采用一一束激激光、、一套套光路路進行行信息息的寫寫／讀讀(如只讀讀存儲儲器及及一次次寫入入存儲儲器)；或用用兩個個獨立立的光光源、、配置置兩套套光路路，一一套用用來讀讀／寫寫，另另一套套用來來擦除除(如可擦擦重寫寫存儲儲器)。直接重重寫式式相變變光盤盤存儲儲器，，只需需一束束激光光、一一套光光路完完成全全部讀讀、寫寫、擦擦功能能，可可與一一次寫寫入存存儲器器兼容容。2023/1/1593．激光光光盤存儲儲器-1光盤存儲儲器的光光學系統統大致可