光與信息技術(shù)

第一頁，共八十三頁，2022年，8月28日光與信息技術(shù)1光與現(xiàn)代科技講座云南大學(xué)信息學(xué)院通信工程系

宗容第七章光與信息技術(shù)中的應(yīng)用光與現(xiàn)代科技第二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/132光與現(xiàn)代科技講座第一章緒論2第二章光源與激光器2第三章光纖與光學(xué)傳感技術(shù)4第四章激光在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用4第五章激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用4第六章激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用4第七章光與信息技術(shù)4第八章光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)6第九章光學(xué)成像、全息與顯示技術(shù)2第十章光電集成與納米技術(shù)2第三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/133第七章光與信息技術(shù)中的應(yīng)用§7.1激光掃描器7.1.1激光掃描器(1)低慣量掃描器(2)全息掃描器7.1.2激光掃描器的應(yīng)用實(shí)例(1)激光照排機(jī)(2)激光縮微機(jī)(3)條形碼掃描器

§7.2激光打印機(jī)1.激光打印機(jī)原理及組成2.激光打印機(jī)的基本工作過程及控制系統(tǒng)3.激光打印機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r簡介§7.3激光存儲技術(shù)7.3.1激光存儲的基本原理、分類及特點(diǎn)7.3.2激光光盤存儲7.3.3激光體全息光存儲7.3.4激光存儲技術(shù)的新進(jìn)展第四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/134光與信息技術(shù)從技術(shù)角度看，信息領(lǐng)域是一個十分廣闊的領(lǐng)域，它包括信息的產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸、探測、存儲、顯示等許多方面。激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，包括以激光為信息載體，將聲音、圖像、數(shù)據(jù)等各種信息通過激光傳送出去；通過激光存儲在光學(xué)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(lǐng)域。這些領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生許多成熟的技術(shù)和應(yīng)用，有著光明、廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前途，是21世紀(jì)最活躍的激光應(yīng)用領(lǐng)域。本章將簡要地介紹激光在上述各方面的有關(guān)應(yīng)用概況，特別是一些新思想、新概念、新技術(shù)、新進(jìn)展等。第五頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/135§7.1激光掃描激光掃描是激光技術(shù)在諸多應(yīng)用中很活躍的一個領(lǐng)域，計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和日益普及同時促進(jìn)了激光掃描技術(shù)的發(fā)展，它被廣泛地應(yīng)用于近代復(fù)雜的光、機(jī)、電儀器中。例如，印刷板曝光，激光打印機(jī)，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(zhuǎn)器，激光掃描檢眼鏡，激光微調(diào)機(jī)，激光標(biāo)記機(jī)，尺寸檢測儀，條形碼掃描器等。下面主要介紹現(xiàn)有的激光掃描器及其基本特點(diǎn)和成功的應(yīng)用。第六頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1367.1.1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(zhuǎn)光束并具有低轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)子的掃描器，它具有靈活、體積小等優(yōu)點(diǎn)。全息掃描器是以全息術(shù)為基礎(chǔ)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(yīng)用的需要，且結(jié)構(gòu)較為簡單，成本也較低。第七頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/137(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(chǎn)生穩(wěn)定狀態(tài)的偏轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)的、典型檢流計型掃描器如圖7-1所示，主要由電磁驅(qū)動(包括帶滾球軸承的轉(zhuǎn)子)和位置傳感器兩個主要部分組成。圖7-1動鐵低慣量掃描儀的結(jié)構(gòu)

第八頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/138(1)低慣量掃描器檢流計的動態(tài)特性要求電磁驅(qū)動部分具有低慣量、大轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)的控制下實(shí)現(xiàn)任意波形的掃描。動鐵低慣量掃描儀的轉(zhuǎn)子是實(shí)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子引接電極帶來的麻煩，相對提高轉(zhuǎn)子的防振性。它的轉(zhuǎn)矩是由永久磁鐵和固定線圈產(chǎn)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(chǎn)生磁力線，這一磁場使轉(zhuǎn)子的兩個對角一邊加強(qiáng)，而另一邊減弱，從而產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩。第九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/139(1)低慣量掃描器為了保證檢流計偏轉(zhuǎn)的精度，檢流計掃描器采用閉環(huán)電路，用傳感器精確測量檢流計偏轉(zhuǎn)角，并與其控制值進(jìn)行比較，把比較信號反饋到驅(qū)動電路中，從而使閉環(huán)控制電路獲得檢流計的高精度偏轉(zhuǎn)。傳感器的質(zhì)量決定了掃描器和系統(tǒng)的精度。光學(xué)傳感器通常使用干涉法和光柵法，并與系統(tǒng)結(jié)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(fā)生變化而導(dǎo)致感應(yīng)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(jīng)常應(yīng)用在檢流計掃描器中，如圖7-34所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子角度發(fā)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(zhuǎn)子和定子間相對角度變化的信息。第十頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1310(1)低慣量掃描器常用的感應(yīng)驅(qū)動線圈諧振鏡掃描器典型結(jié)構(gòu)如圖7-2所示，包括平衡的扭力桿和電感轉(zhuǎn)矩驅(qū)動部分。反射鏡被扭力桿T1和T2完全對稱懸掛，當(dāng)反射鏡運(yùn)動時，不會引起扭力擾動。圖7-2感應(yīng)驅(qū)動線圈諧振鏡掃描器結(jié)構(gòu)諧振鏡掃描器只能工作在很窄的頻率范圍內(nèi)，它的振蕩是一種簡單、周期性的諧振運(yùn)動，但若采用諧振放大器，掃描器將具有很高的掃描頻率和很大的掃描角。第十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1311(1)低慣量掃描器與變壓器的工作原理一樣，驅(qū)動線圈的磁場通過軟鐵芯與轉(zhuǎn)子的相互作用而產(chǎn)生。感應(yīng)驅(qū)動線圈諧振鏡掃描器的轉(zhuǎn)子是長方形的金屬環(huán)，在環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，它的動圈通過感應(yīng)加載。低慣量掃描器系統(tǒng)的選擇取決于對掃描器應(yīng)用的要求。在不同的應(yīng)用中對掃描器的參數(shù)要求是不一樣的，它的主要參數(shù)有：光斑的尺寸，光斑的質(zhì)量，光點(diǎn)掃描的速度和回掃時間，光斑在掃描場中的線性；掃描角的大小和鏡面反射的質(zhì)量等。第十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1312

低慣量掃描器常用于二維平面場掃描，其結(jié)構(gòu)主要有簡單的雙鏡系統(tǒng)、中繼透鏡系統(tǒng)和槳形雙鏡系統(tǒng)等。簡單雙鏡系統(tǒng)的光路圖如圖7-3所示，X軸和Y軸反射鏡的中心分別為點(diǎn)a和點(diǎn)b。掃描點(diǎn)c的坐標(biāo)為(0,Yi)。d是點(diǎn)b到輸出平面坐標(biāo)中心(0,0)點(diǎn)的距離。X軸和Y軸的掃描角分別為θx和θy。像平面上任意點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xi，Yi)，當(dāng)Xi=Yi=0時，有θx=θy=0°。圖7-3簡單雙鏡系統(tǒng)光路圖第十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1313第一、二個中繼透鏡的焦距分別為f1、f2，兩透鏡相距f1+f2。第二個掃描器的掃描軸與第一個掃描器的掃描軸正交，并與光軸交于B點(diǎn)。當(dāng)入射細(xì)光束打在A點(diǎn)上時，則有二維掃描的細(xì)光束從B點(diǎn)出射，如圖7-1(a)俯視圖的情況；如果入射光束是一束準(zhǔn)直光束，當(dāng)它通過第二個中繼透鏡后，出射光束也是準(zhǔn)直光束，如圖7-1(b)側(cè)視圖所示。圖7-4中繼透鏡系統(tǒng)光路圖

中繼透鏡系統(tǒng)的光路圖如圖7-4所示。第一個掃描器的掃描軸(即鏡面的轉(zhuǎn)動中心)與光軸相交于A點(diǎn)第十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1314槳形雙鏡系統(tǒng)的光路圖如圖7-5所示，兩根掃描軸正交、共面，形成一個X-Y平面。以X軸旋轉(zhuǎn)的反射鏡(X鏡)轉(zhuǎn)軸在反射鏡的一邊，以Y軸旋轉(zhuǎn)的反射鏡(Y軸)轉(zhuǎn)軸在反射鏡的中間，兩個鏡面在與X-Y平面相交都為45°。當(dāng)入射光束以平行Y軸的方向入射，且在X鏡轉(zhuǎn)角很小的一級近似的情況下，由X鏡反射的光束在Y鏡上的位置基本保持不變，它只改變了出射光束的方向。圖7-5槳形雙鏡系統(tǒng)光路圖第十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1315(2)全息掃描器-4全息掃描器是以全息術(shù)為基礎(chǔ)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(yīng)用的需要，且結(jié)構(gòu)較為簡單，成本也較低。全息掃描器是激光全息掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它主要應(yīng)用了全息技術(shù)的波前變換，以復(fù)雜波前的記錄和再現(xiàn)實(shí)現(xiàn)光束的控制。第十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1316當(dāng)全息透鏡在位置l時，再現(xiàn)光照在全息透鏡的右側(cè)，衍射的會聚光聚焦在像平面位置1處。如果把全息透鏡從位置1移動到位置2，再現(xiàn)光在全息透鏡上的位置也從右側(cè)移到左側(cè)，如圖中虛線所示，這時衍射會聚光的焦點(diǎn)也從像平面的位置l移動到位置2。因此把全息透鏡從位置1移動到位置2時，在像平面上就出現(xiàn)了一根掃描線。圖7-7全息掃描原理全息掃描的基本原理如圖7-7所示，用發(fā)散的細(xì)光束作為再現(xiàn)光，照明全息透鏡的一個小區(qū)域。第十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1317全息掃描器-6用上述全息掃描的基本概念來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的掃描過程時有許多實(shí)際問題需要解決，如在全息掃描器設(shè)計中應(yīng)考慮光學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性。光學(xué)結(jié)構(gòu)首先是選擇全息圖的類型，是采用反射全息圖或采用透射全息圖，然后設(shè)計全息圖的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求滿足光學(xué)結(jié)構(gòu)的要求并簡單可行。不同類型的全息圖在掃描器中有不同的要求，對于透射全息圖，全息材料的均勻性和襯底基片的質(zhì)量要求較高，而對機(jī)械振動的要求相對比較低。相反地，對于反射全息圖，由于再現(xiàn)光不通過基片，所以只要求全息圖的表面質(zhì)量好，對基片的均勻性要求不高，但對軸承的要求比用透射全息圖時要高，即要求高精度和高穩(wěn)定性的軸承。第十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1318全息掃描器-7全息掃描器的設(shè)計要綜合考慮各方面的因素，其中包括：對掃描線質(zhì)量的要求，全息掃描器參數(shù)(包括掃描參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)兩類，掃描參數(shù)有光斑尺寸、掃描線長度、焦距、掃描的線性、場曲、掃描速度、全息圖的尺寸和子全息圖的數(shù)目等；運(yùn)行參數(shù)有工作距離、角寬度、子全息圖數(shù)、旋轉(zhuǎn)軸與全息圖上再現(xiàn)激光光斑之間的距離、記錄和再現(xiàn)波前的取向及形狀和旋轉(zhuǎn)速度等)的要求，以及全息掃描器制作和使用的可行性等。全息掃描器各參數(shù)間有很強(qiáng)的依賴關(guān)系，在許多情況下甚至相互矛盾，因此經(jīng)常采用折衷的方案達(dá)到實(shí)用的目的。第十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1319全息掃描器-8全息掃描器具有一些突出的優(yōu)點(diǎn)：首先是全息圖作為偏轉(zhuǎn)元件，具有聚焦和偏轉(zhuǎn)兩個功能。它的焦距的長短和偏轉(zhuǎn)的方向可以通過記錄光路和再現(xiàn)光路的參數(shù)來確定，因此在一個掃描器中用不同參數(shù)的全息圖能實(shí)現(xiàn)多方位、多焦距的掃描，這是全息掃描器最突出的優(yōu)點(diǎn)。其次是全息圖作為掃描元件時能夠收集被掃描物體的散射光。在散射光中包含被掃描物體的信息，全息圖把帶有信息的散射光會聚到探測器，對于不需要的環(huán)境光具有濾波作用，因此全息掃描器能應(yīng)用在環(huán)境較差的場合。第二十頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1320全息掃描器-9再次是全息圖可以裝配在各種基片上，它的重量與底座相比可以忽略，因此很容易實(shí)現(xiàn)小型化。最后是全息圖能大量地制造或復(fù)制，與一般光學(xué)元件相比價格較低廉。當(dāng)然全息掃描器在應(yīng)用中也有一些不足：首先是寬帶的記錄材料比較缺乏，因此記錄和再現(xiàn)中要使用不同波長的激光，會引入一些像差。為了得到高質(zhì)量的光斑，要進(jìn)行一些像差校正工作。其次是全息圖的衍射效率也是一個較大的限制。第二十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13212.激光掃描器的應(yīng)用實(shí)例激光掃描器的應(yīng)用十分廣泛，前面已經(jīng)對它的應(yīng)用范圍作了簡單地介紹，這里僅結(jié)合三個具體的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹。(1)激光照排機(jī)圖7-8給出了一激光照排機(jī)的原理。圖7-8激光照片機(jī)的原理第二十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1322(1)激光照排機(jī)-1圖7-8給出了一激光照排機(jī)的原理，采用He-Ne激光器作為光源；聲光調(diào)制器作為激光的高速開關(guān)，由計算機(jī)的文圖信息控制；密度盤用于調(diào)整對膠片的最佳曝光量；擴(kuò)束器用于改善激光的發(fā)散角；由點(diǎn)擊驅(qū)動轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光束的主掃描；在同一軸上安裝光柵作為像元時鐘，提高光點(diǎn)的位置精度。F-8物鏡將激光會聚在膠片上，膠片由輸片機(jī)構(gòu)帶動，作垂直于掃描方向的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)副掃描，激光通過轉(zhuǎn)鏡掃描和膠片運(yùn)動實(shí)現(xiàn)二維掃描，在膠片上形成一幅完整的文字和圖像。激光束掃描和膠片運(yùn)動要求嚴(yán)格保持同步，即激光掃描完一條線之后，膠片剛好移動一條線寬的距離。在圖中膠片的上方一側(cè)有一個光電器件，作為行起始的基準(zhǔn)。第二十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1323(1)激光照排機(jī)-2隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有多種激光照排機(jī)，主要有絞盤式激光照排機(jī)、外滾筒激光照排機(jī)、平臺式激光照排機(jī)、內(nèi)滾筒式激光照排機(jī)和虛擬滾筒式激光照排機(jī)。這幾類激光照排機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們的比較如表7-1所示。對于希望生產(chǎn)效率高、操作方便、節(jié)省膠片的印刷(包括中檔彩色印刷)，一般采用絞盤式；而對于高精度、高分辨率、大幅面的精細(xì)彩色印刷，則采用內(nèi)滾筒式或外滾筒式。激光照排機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是光源、聲光調(diào)制器、激光掃描、副掃描技術(shù)和電路控制技術(shù)。從技術(shù)發(fā)展來看，激光照排機(jī)有向激光直接制版機(jī)發(fā)展的趨勢.激光制版機(jī)是激光直接掃描在印刷版材上，激光直接制版的原理和激光照排機(jī)相同，只是感光介質(zhì)不同，即用版材代替激光照排機(jī)中的膠片。第二十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1324表7-1激光照排機(jī)的類型分析比較平臺式外滾筒式內(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜復(fù)雜幅面中大大中中膠片成卷單片成卷成卷成卷附屬設(shè)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(zhì)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(huán)境一般嚴(yán)格一般一般一般類型項(xiàng)目第二十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1325(2)激光縮微機(jī)激光縮微機(jī)是用激光掃描器把計算存儲的信息直接制作到縮微膠片上的機(jī)器。

圖7-9激光縮微機(jī)原理

圖7-9給出了激光縮微機(jī)的原理，圖中有兩個掃描器，沿x方向掃描的叫行掃描器，沿Y方向掃描的稱為頁掃描器。第二十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1326(2)激光縮微機(jī)-1激光光源輸出的單光束經(jīng)聲光調(diào)制器產(chǎn)生9個不同頻率(40MHz~50MHz)的時序調(diào)制，得到9個被調(diào)整的時分復(fù)用光束。掃描器同時用9根激光束掃描，字符可以由這9根激光束的調(diào)制信號得到，每行像素的總數(shù)1500個。9根光束用一個激光源，但它們在不同瞬間被不同的頻率調(diào)制，因此每根光束的調(diào)制信號是獨(dú)立的。行掃描器的周期為4.8ms，回掃時間為1ms。掃描器掃描的位置精度可達(dá)萬分之一。第二十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1327(3)條形碼掃描器激光條形碼掃描器由激光源、光學(xué)掃描、光學(xué)接收、光電轉(zhuǎn)換、信號放大、整形、量化和譯碼等部分組成。早期的掃描器大多采用He-Ne激光器，而采用MOVPE(金屬氧化物氣相外延)技術(shù)制造的可見光半導(dǎo)體激光器具有低功耗、可直接調(diào)制、體積小、重量輕、固體化、可靠性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，它一出現(xiàn)很快就替代了原來使用的He--Ne激光器。從激光源發(fā)出的激光束需通過掃描系統(tǒng)形成掃描線或掃描圖案。條碼掃描器的掃描系統(tǒng)一般采用旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描和全息掃描兩種方案。第二十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1328(3)條形碼掃描器-1全息掃描系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和造價低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)，自從IBM公司在3687型掃描器(其光學(xué)系統(tǒng)如圖7-10所示)上首先應(yīng)用以來得到了廣泛的應(yīng)用，且不斷推陳出新。圖7-10IBM3687型條形碼掃描器光學(xué)系統(tǒng)第二十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1329(3)條形碼掃描器-2全角度掃描這個概念是為了提高超級市場的流通速度而提出的，并設(shè)計了與之相應(yīng)的UPC(UniversalProductCode)條碼。對于UPC碼兩個掃描方向的“X’’掃描圖案已能實(shí)現(xiàn)全角度掃描。手持單線掃描器由于掃描速度低、掃描角度較小等原因，產(chǎn)生了多種實(shí)現(xiàn)光束掃描的方案。除采用旋轉(zhuǎn)棱鏡、擺鏡外，還能通過運(yùn)動光學(xué)系統(tǒng)中的很多部件來進(jìn)行光束掃描。如通過運(yùn)動半導(dǎo)體激光器、運(yùn)動準(zhǔn)直透鏡等來實(shí)現(xiàn)光束掃描。掃描光束射到條碼符號上后被散射，由接收系統(tǒng)接收足夠多的散射光。第三十頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1330(3)條形碼掃描器-3在激光全角度掃描器中，普遍采用反向接收系統(tǒng)。它的的瞬時視場極小，可以極大地提高信噪比，還能提高對條碼符號鏡面反射的抑制能力，并且對接收透鏡的要求亦很低。此外，它還能使接收器的敏感面較小，接收器成本亦較低。它的缺點(diǎn)是當(dāng)掃描光束位于掃描系統(tǒng)各元件邊緣時要產(chǎn)生漸暈現(xiàn)象。接收到的光信號需要經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號。全角度掃描器中的條碼信號頻率比較高(幾兆赫到幾十兆赫)，要求光電轉(zhuǎn)換器采用具有高頻率響應(yīng)能力的雪崩光電二極管(APD)或PIN光電二極管。為了長時間連續(xù)操作人員的安全，要求激光源出射能量較小，這使得最后接收到的能量極弱。第三十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1331(3)條形碼掃描器-4為了得到較高的信噪比，通常采用前置放大電路來低噪聲地放大信號。在手持槍式掃描器中一般采用硅光電池、光電二極管或光電三極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，它的出射光能量相對較強(qiáng)，信號頻率較低，因此對電子元器件特性要求不是很高。整形后的電信號經(jīng)過量化后，由譯碼單元譯出其中所含信息。全角度掃描器由于數(shù)據(jù)率高，且得到的大多數(shù)為非條碼信號和不完整條碼信號，要求譯碼器有自動識別有效條碼信號的能力。這對譯碼單元的要求較高(較高的數(shù)據(jù)處理能力和較大的數(shù)據(jù)吞吐量)，目前普遍采用軟、硬件緊密結(jié)合的方法來解決。第三十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1332§7.2

激光打印機(jī)

隨著計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)的處理速度日益加快。傳統(tǒng)的擊打式打印機(jī)在打印質(zhì)量、打印速度、工作噪聲等方面都存在這嚴(yán)重的不足，迫切需要一種速度高、噪聲低的新型打印機(jī);同時由于激光掃描技術(shù)和電子照相技術(shù)的快速發(fā)展，一種新型打印機(jī)——激光打印機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并成為激光掃描技術(shù)的又一突出應(yīng)用。第三十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13331．激光打印機(jī)原理及組成不同的廠家已生產(chǎn)出多種不同型號的激光打印機(jī)，但它們的基本原理、基本組成和工作過程大致相同。激光打印機(jī)的基本原理是：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再調(diào)制激光束在感光鼓上掃描，感光鼓將吸附的墨粉轉(zhuǎn)印到紙上，通過控制激光束的開與關(guān)使感光鼓吸與不吸墨粉，感光鼓在紙上滾動從而形成文字。第三十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13341．激光打印機(jī)原理及組成-1

7-11激光打印機(jī)的基本組成

激光器——產(chǎn)生激光。激光掃描系統(tǒng)——負(fù)責(zé)將接口電路送來的二進(jìn)制點(diǎn)陣信息調(diào)制到激光束上，然后掃描到感光鼓上.感光鼓和電子照相轉(zhuǎn)印機(jī)構(gòu)——負(fù)責(zé)將掃描到感光鼓上的圖文映像轉(zhuǎn)印到打印紙上，故兩者又合稱為電子成像系統(tǒng)。第三十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13351．激光打印機(jī)原理及組成-2除了以上主要組件外，還要有電源系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的密切配合，才能完成整個打印過程。電源系統(tǒng)提供各種電源電壓，使激光打印機(jī)的各個組件正常工作。機(jī)械系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成打印紙在打印機(jī)中的各種動作，又稱之為打印紙傳送系統(tǒng)。從信號輸入激光打印機(jī)到激光掃描系統(tǒng)把其調(diào)制在激光束上，這一部分有時也稱為視頻控制器，主要從計算機(jī)接收要打印的信息，并進(jìn)一步產(chǎn)生視頻信號，然后送到激光掃描系統(tǒng)對激光束進(jìn)行調(diào)制。第三十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13362．激光打印機(jī)的基本工作過程及控制系統(tǒng)簡介(1)激光掃描系統(tǒng)工作過程激光掃描系統(tǒng)由光調(diào)制器、掃描器、光偏轉(zhuǎn)器、同步器和高頻驅(qū)動電路等組成，它的基本工作過程如下：激光器產(chǎn)生激光束經(jīng)反射鏡反射進(jìn)入光調(diào)制器，同時計算機(jī)送來二進(jìn)制圖文點(diǎn)陣信息由接口電路送到字型發(fā)生器，產(chǎn)生所需要的二進(jìn)制脈沖信號，經(jīng)過頻率合成器和功率放大器進(jìn)行合成、放大后也送入光調(diào)制器，并對反射鏡反射過來的激光束進(jìn)行調(diào)制。由光調(diào)制器輸出的調(diào)制光入射到多面轉(zhuǎn)鏡，再通過廣角聚焦鏡后掃描到感光鼓上，從而把多面轉(zhuǎn)鏡的角速度掃描變成感光鼓上的線速度掃描，這樣就完成了整個激光掃描過程。由上可知，通過視頻信號可以控制激光束的有和無，通過控制激光束的強(qiáng)弱，可以控制打印的對比度，即所謂的“調(diào)制”。再配合感光鼓的轉(zhuǎn)動，可以實(shí)現(xiàn)角速度掃描到線速度掃描的轉(zhuǎn)變，完成行掃描和列掃描，、形成一幅二維的電子潛像。第三十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1337電子成像是將感光鼓上的二維電子潛像經(jīng)炭粉投影方式顯影，然后轉(zhuǎn)印到打印紙上，再經(jīng)加熱加壓定影，使粉末狀的墨粉微粒熔化滲入紙纖維中，成為永久性的打印輸出。整個工作過程可簡單概括為：充電—掃描曝光—墨粉顯影—轉(zhuǎn)印到紙上—加熱加壓定影輸出—消電—清掃剩余墨粉—光照再次充電的循環(huán)過程。首先，當(dāng)機(jī)械部件開始動作時，感光鼓上方的主電暈中一根屏蔽的鎢絲被充電到數(shù)千伏的高壓，使主電暈產(chǎn)生電暈放電，周圍的空氣被電離?？諝庵械呢?fù)電荷被遷移到感光鼓表面，均勻地分布在鼓的上面，使感光鼓表面充滿電荷。(2)電子成像工作過程第三十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1338然后，調(diào)制后的激光束(由激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)生)掃描到感光鼓，使布滿電荷的感光鼓被激光束照射的部分曝光，從而使感光鼓帶有不可視的靜電潛像——靜電電荷陣列。用墨粉對其進(jìn)行顯影，使墨粉附著在靜電潛像上。顯影后，感光鼓通過傳輸電暈作用把墨粉圖像轉(zhuǎn)印到打印紙上。再對其加熱加壓定影，使其熔化滲入到紙纖維中。這樣就把需要打印的文字或圖像轉(zhuǎn)印到打印紙上，成為永久性的打印輸出。在打印下一幅圖文信息之前，要將感光鼓上的剩余電荷及墨粉清除干凈。(2)電子成像工作過程-1第三十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1339一臺好的打印機(jī)不僅需要好的掃描系統(tǒng)、電子成像系統(tǒng)和可觀賞的外殼，還需要好的機(jī)械系統(tǒng)與之配合以完成各種機(jī)械動作。機(jī)械系統(tǒng)最主要的工作是負(fù)責(zé)打印紙在激光打印機(jī)中的傳送，此外圖像生成也需要機(jī)械系統(tǒng)的配合。當(dāng)一個打印循環(huán)開始時，主電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，機(jī)械連軸器驅(qū)動感光鼓、融解輥并把打印紙送入打印機(jī)的送紙輥。卷紙輥和定位輥保持打開并由螺線管驅(qū)動的離合器調(diào)整。在接收一張紙時，卷紙輥離合器嚙合，刻有V形凹痕的卷紙輥轉(zhuǎn)動帶動偏心輪，并把它拖入打印機(jī)約7.5cm。(3)機(jī)械系統(tǒng)工作過程第四十頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1340轉(zhuǎn)動一周后，卷紙輥離合器釋放，打印紙停留在定位輥上等待同步信號。當(dāng)同步信號到來時，咬合齒輪捕捉到定位輥中的紙并傳送到位，和感光鼓上碳粉圖像的起始位置對齊。顯影后的炭粉圖像和打印紙面同步后，定位輥離合器嚙合，把打印紙送入圖像生成系統(tǒng)。定位輥啟動后保持嚙合，直到打印紙退出打印機(jī)，顯影后的碳粉圖像被固定。在打印紙從熔結(jié)輥間退出時，驅(qū)動一張打印紙退出傳感器，傳感器恢復(fù)到其初始狀態(tài)。打印機(jī)的電子控制包知道打印紙離開了打印機(jī)，主電動機(jī)可停止工作；或一張新的打印紙可進(jìn)入，開始下一個打印循環(huán)。(3)機(jī)械系統(tǒng)工作過程-2第四十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1341激光打印機(jī)的整體控制系統(tǒng)包括激光掃描系統(tǒng)的控制、電子成像系統(tǒng)的控制、與計算機(jī)接口的控制、緩存及脫機(jī)自檢等控制。激光掃描的控制主要完成多面轉(zhuǎn)鏡的穩(wěn)速驅(qū)動、行同步信號的檢測、處理，半導(dǎo)體激光器的調(diào)制與驅(qū)動等。每次打印開始，打印機(jī)從計算機(jī)接收數(shù)據(jù)信號。要將這些數(shù)據(jù)信號(包括整頁打印內(nèi)容的代碼)變成調(diào)制激光的視頻信號，或者儲存在某些計算機(jī)較大容量的緩沖區(qū)內(nèi)；或者在送往打印機(jī)前先編譯出來形成點(diǎn)陣信息。電子成像系統(tǒng)的控制主要是控制和協(xié)調(diào)充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、進(jìn)紙、定影、消電、清潔等工作步驟，保證打印出高質(zhì)量的字符和圖形。和其他外部輸出設(shè)備一樣，激光打印機(jī)的接口控制部分負(fù)責(zé)接收和處理主機(jī)發(fā)來的各種信號，并向主機(jī)發(fā)回打印機(jī)狀態(tài)的信號，協(xié)調(diào)兩者的工作。(4)控制系統(tǒng)簡介第四十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13423.激光打印機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r簡介二十世紀(jì)70年代中期，美國率先將激光引入打印機(jī)領(lǐng)域，綜合利用激光掃描技術(shù)和電子照相技術(shù)，研制出激光打印機(jī)。早期的激光打印機(jī)主要采用He-Ne激光器，是一種與大型計算機(jī)配套的高速輸出設(shè)備，它體積大、成本高、價格昂貴，應(yīng)用面不廣，然而它在打印質(zhì)量、打印速度、打印精度、穩(wěn)定性和圖像質(zhì)量方面具有突出的優(yōu)勢。隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展、設(shè)計水平的不斷進(jìn)步、生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，激光打印機(jī)從采用氣體激光器的大型結(jié)構(gòu)發(fā)展到采用半導(dǎo)體激光器的小型臺式結(jié)構(gòu)，其體積日益縮小，成本越來越低。日本、美國等國相繼研制出多功能、低價格、高質(zhì)量的臺式激光打印機(jī)，激光打印機(jī)迅速達(dá)到了普及程度，它為越來越多的計算機(jī)用戶所青睞，已從計算機(jī)的主要輸出設(shè)備拓寬到各個領(lǐng)域。第四十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13433.激光打印機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r簡介進(jìn)入二十世紀(jì)90年代以來，由于大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展和計算機(jī)控制的廣泛應(yīng)用，激光打印技術(shù)日益成熟，成本不斷下降，其市場份額已超過針式打印機(jī)，成為打印市場的主流產(chǎn)品之一。盡管我國激光打印技術(shù)發(fā)展迅速，重慶華蜀公司、聯(lián)想集團(tuán)、中科院計算機(jī)所中計公司、紫金公司、科海公司等都研制生產(chǎn)了自己的漢字激光打印機(jī)產(chǎn)品，憑借漢字處理優(yōu)勢在我國打印機(jī)市場上爭占一席之地。但國內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)批量小、成本難以下降，很難與國外進(jìn)口的低價打印機(jī)競爭，因此國內(nèi)目前使用的打印機(jī)大多數(shù)為國外產(chǎn)品。第四十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13443.激光打印機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r簡介激光打印機(jī)的發(fā)展趨勢：首先是臺式低速打印機(jī)向著小型化、高速度和高分辨率方向發(fā)展，即打印速度由20頁／分提高到50-60頁／分、分辨率由300dpi提高到1000dpi以上，能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)報刊印刷所要求的分辨率；其次是激光打印機(jī)和其他CA(CharmelAdapter)機(jī)器相結(jié)合，朝兼容、集成化方向發(fā)展，如Cannon和Ricoh的激光打印機(jī)—傳真機(jī)和Ricoh公司的激光打印機(jī)—復(fù)印機(jī)—傳真機(jī)三合一的機(jī)種等；此外，激光打印機(jī)的彩色化發(fā)展也是一個重要的方向。第四十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13457.3激光存儲技術(shù)隨著社會進(jìn)步、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對信息的依賴程度日益加深，需要處理、傳輸和存儲的信息急劇增加，這對信息的存儲和管理提出了越來越高的要求。為滿足信息社會的發(fā)展需求，光存儲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并成為現(xiàn)代信息社會中不可缺少的存儲技術(shù)之一。早期人們用縮微膠片來存儲文檔資料，這是光存儲的最早形式。上世紀(jì)60年代激光問世后，激光全息技術(shù)的發(fā)展使具有更大存儲容量的三維圖象存儲得以實(shí)現(xiàn)，但其不能進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)存取，無法與磁存儲相比較。上世紀(jì)70年代，光盤存儲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并迅猛發(fā)展.第四十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13467.3激光存儲技術(shù)-1第一代光盤存儲用GaAlAs半導(dǎo)體激光器，波長為0.78um(近紅外)，5寸光盤的存儲容量為0.76GB，即CD系列光盤；第二代光盤存儲用GaAlInP激光器，波長為0.65um(紅光)，存儲容量為4.7GB，即數(shù)字多功能光盤(DVD)系列；第三代光盤存儲已經(jīng)興起，使用GaN半導(dǎo)體激光器，波長為0.41um(藍(lán)光)，存儲容量可達(dá)27GB，為高密度數(shù)字多功能光盤即HD-DVD光盤(藍(lán)碟)。上世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的磁光盤(MO)技術(shù)和90年代初期出現(xiàn)的相變光盤(PC)技術(shù)也得到了飛快的發(fā)展，并且已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用時期。由此可見，激光技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展在光存儲技術(shù)的發(fā)展中起了重要的作用。第四十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13477.3.1激光存儲的基本原理、分類及特點(diǎn)1、激光存儲的基本原理激光存儲是利用材料的某種性質(zhì)對光敏感。帶有信息的光照射材料時，該性質(zhì)發(fā)生改變，且能夠在材料中記錄這種改變，這就實(shí)現(xiàn)了光信息的存儲。用激光對存儲材料讀取信息時，讀出光的性質(zhì)隨存儲材料性質(zhì)的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)已存儲光信息的讀取。第四十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13487.3.1激光存儲的基本原理、分類及特點(diǎn)2、激光存儲的分類光存儲的分類有很多種，按數(shù)據(jù)存取方式可分為光打點(diǎn)式存儲和頁面并行存儲；按存儲介質(zhì)的厚度可分為二維存儲和三維存儲；按鑒別存儲數(shù)據(jù)的方式可分為位置選擇存儲和頻率選擇存儲等等。目前最普遍、最成熟的光存儲技術(shù)就是光盤存儲，正在發(fā)展中的存儲技術(shù)還有全息存儲技術(shù)、光學(xué)雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲技術(shù)、持續(xù)光譜燒孔技術(shù)、電子俘獲光存儲技術(shù)等。第四十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13493、激光存儲的特點(diǎn)

現(xiàn)有的光存儲技術(shù)與傳統(tǒng)的磁存儲技術(shù)相比有如下特點(diǎn)：1．?dāng)?shù)據(jù)存儲密度高、容量大。理論估計光儲存的面密度為1／λ2。(其中入是用于光存儲的波長)的數(shù)量級，存儲的體密度可達(dá)1／λ3。2．壽命長。磁存儲的信息一般只能保留2—3年。而光存儲只要其介質(zhì)穩(wěn)定，壽命一般在10年以上。3．非接觸式讀／寫和擦。用光讀／寫不會磨損和劃傷存儲介質(zhì)，這不僅延長了存儲壽命，而且使存儲介質(zhì)易于更換、移動，從而更易實(shí)現(xiàn)海量存儲。4．信息位價格低。由于光存儲密度高，其信息位價格可比磁記錄的低幾十倍。此外，光存儲還有并行程度高，抗電磁干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，光存儲技術(shù)自激光器發(fā)明以來就一直受到人們的極大關(guān)注。第五十頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1350激光光盤存儲激光光盤存儲技術(shù)是目前最成熟的光存儲技術(shù)，也是應(yīng)用最廣泛的存儲技術(shù)之一。1．激光光盤存儲的基本原理光盤存儲包括信息“寫入”和“讀出”兩個過程。在信息的“寫入”過程中，首先用待存儲信息調(diào)制寫入激光的強(qiáng)度，并使激光聚焦在記錄介質(zhì)中，形成極微小的光照微區(qū)，其光照區(qū)發(fā)生相應(yīng)的物理、化學(xué)變化(反射率、折射率、偏振特性或其它特性)，這樣記錄介質(zhì)上有無物理、化學(xué)性質(zhì)的變化就代表了信息的有無，從而完成信息的“寫入”。在信息的“讀取”過程中，用低強(qiáng)度的穩(wěn)定激光束掃描信息軌道，隨著光盤的高速旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)表面的反射光強(qiáng)度(或光的其他性質(zhì))隨存儲信息區(qū)域的物理、化學(xué)性質(zhì)變化而發(fā)生變化。用光電探測器檢測反射光信號并加以解調(diào)，便可取出所存儲的信息。第五十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1351圖7-27為一基本的光盤系統(tǒng)圖。圖7-27基本的激光光盤系統(tǒng)圖

圖7-28激光光盤記錄斑示意圖1．激光光盤存儲的基本原理-1第五十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13521．激光光盤存儲的基本原理-2光盤是在襯盤上淀積了記錄介質(zhì)及其保護(hù)膜的盤片，在記錄介質(zhì)表面沿螺旋形軌道，以信息斑的形式寫入大量的信息(參見圖7-28)，其記錄軌道的密度達(dá)1000道／mm左右?？梢娦畔咴叫?，光盤的存儲密度越大。由于物鏡衍射極限影響焦點(diǎn)處光匯聚的最小直徑(約為λ／(2NA)，其中NA為物鏡的數(shù)值孔徑)，因此光盤的存儲密度為(NA／λ)2。例如在采用氬離子激光器(λ=457.9nm)和物鏡數(shù)值孔徑為0.8的系統(tǒng)中，信息斑的最小直徑為λ／(2NA)=457.9／(2×0.8)=0.29um，則存儲密度為(NA／λ)2=3×1012m-2。對于普通尺寸內(nèi)徑為70mm、外徑為145mm的光盤而言，其有效存儲面積約為5.0×10-2m2，則它的最大存儲容量為3×1012×5.0×10-2=1.5×1010bit?？梢姴捎酶滩ㄩL的激光器和高數(shù)值孔徑的物鏡可以提高光盤的存儲密度。第五十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13531．激光光盤存儲的基本原理-3光盤存儲除了具有存儲密度高、抗電磁干擾、存儲壽命長、非接觸式讀／寫信息以及信息位價格低廉等優(yōu)點(diǎn)外，還具有信息載噪比(CNR：載噪比是載波電平與噪音電平之比，以分貝表示)高的突出優(yōu)點(diǎn)。光盤載噪比均在50dB以上，且多次讀／寫后不降低。因而光盤多次讀出的音質(zhì)和圖像清晰度是磁帶和磁盤所無法比擬的。另外，光盤的信息傳輸速率也比較高?，F(xiàn)有光盤的數(shù)據(jù)速率可達(dá)50Mb／s以上，通過改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)并選擇適當(dāng)?shù)募す獠ㄩL，數(shù)據(jù)速率還可進(jìn)一步提高。第五十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13542．激光光盤的類型

計算機(jī)控制的數(shù)字光盤存儲技術(shù)，按讀寫功能劃分主要有如下四種：(1)只讀存儲(Readonlymemory)光盤只讀式存儲光盤的記錄介質(zhì)主要是光刻膠，記錄方式是先將信息刻錄在介質(zhì)上制成母盤，然后進(jìn)行模壓復(fù)制大量子盤。這種光盤只能用來播放已經(jīng)記錄在盤片上的信息，用戶不能自行寫入。第五十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13552．激光光盤的類型-1(2)一次寫入光盤WORM(WriteOnceReadMemory，或稱為DRAW，DirectReadAfterWrite)一次寫人光盤利用聚焦激光在介質(zhì)的光照微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理或化學(xué)變化寫入信息。其寫入過程主要是利用激光的熱效應(yīng)，記錄方式有燒蝕型、起泡型、熔融型、合金型、相變型等很多種。這類光盤具有寫、讀兩種功能，用戶可以自行一次寫入，寫完即可讀，但信息一經(jīng)寫入便不可擦除，也不能反復(fù)使用。這種光盤可用于文檔和圖像的存儲。第五十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13562．激光光盤的類型-2(3)可擦重寫光盤(Rewrite，或Erasable--DRAW即EDAW)這類光盤可多次寫入、讀取信息，但寫入前需先將已有的信息擦去，然后再寫入新的信息，即寫、擦信息是分開的兩個過程。寫入時先用擦激光將某一信道上的信息擦除，然后再用寫激光將新信息寫入?？梢娺@種先擦后寫的兩步過程限制了數(shù)據(jù)的存儲速率，因而尚未應(yīng)用到計算機(jī)系統(tǒng)的隨機(jī)存取存儲器(RandomAccessMemory．RAM)，但它在海量脫機(jī)存儲和圖像數(shù)字存儲方面應(yīng)用廣泛。目前它的記錄介質(zhì)主要是磁光型(熱磁反轉(zhuǎn)型)存儲材料。第五十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13572．激光光盤的類型-3(4)直接重寫光盤(overwrite)可擦重寫光盤需要擦、寫兩次動作完成信息的更換，這使光盤數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制。直接重寫光盤用一束激光，一次動作在完成寫入新信息的同時自動擦除原有信息，這種光盤利用某些材料在激光作用下可實(shí)現(xiàn)晶態(tài)與非晶態(tài)間相互轉(zhuǎn)化的特性，使記錄介質(zhì)在寫入激光束的粒子作用下快速晶化，從而實(shí)現(xiàn)信息的存儲。這種光致晶化的可逆相變過程非?？?，當(dāng)擦除激光脈寬與寫入激光脈寬相當(dāng)時(20~50ns)，相變光盤可直接進(jìn)行重寫，從而大大縮短了數(shù)據(jù)的存取時間。第五十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13583．激光光盤存儲器激光光盤存儲器由光存儲盤片及其驅(qū)動器組成。驅(qū)動器提供高質(zhì)量讀出光束、引導(dǎo)精密光學(xué)頭、讀出信息、給出檢測光盤聚焦誤差信號，并實(shí)現(xiàn)光束高精度伺服跟蹤等功能。光盤存儲器的光學(xué)系統(tǒng)一般都采以半導(dǎo)體激光器作為光源，采用一束激光、一套光路進(jìn)行信息的寫／讀(如只讀存儲器及一次寫入存儲器)；或用兩個獨(dú)立的光源、配置兩套光路，一套用來讀／寫，另一套用來擦除(如可擦重寫存儲器)。直接重寫式相變光盤存儲器，只需一束激光、一套光路完成全部讀、寫、擦功能，可與一次寫入存儲器兼容。第五十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13593．激光光盤存儲器-1光盤存儲器的光學(xué)系統(tǒng)大致可分為單光束光學(xué)系統(tǒng)和雙光束光學(xué)系統(tǒng)兩類。單光束光學(xué)系統(tǒng)適合于只讀光盤和一次寫入光盤，具備信息的寫／讀功能，而雙光束光學(xué)系統(tǒng)用于可擦重寫光盤。下面以雙光束光學(xué)系統(tǒng)(圖7-29)為例，作一簡單介紹。圖7-29光盤存儲器的雙光束光學(xué)系統(tǒng)第六十頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13603．激光光盤存儲器-2其中關(guān)鍵器件的作用如下：1—寫／讀激光器(0.83um)；5—二向色反射鏡，它只反射特定波長的入射光；11—刀口，將從光盤反射回來的激光分割為兩部分，分別進(jìn)入探測器12和13，得到讀出和聚焦、跟蹤誤差信號；18、19—對正、負(fù)柱面透鏡，改變光束為橢圓截面，以利擦除；17—偏振分束器；14—擦除激光器。器件1-8、10-13構(gòu)成寫／讀光路，器件14-19、5-8、20-21構(gòu)成擦除光路，9是可擦重寫的光盤。第六十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13613．激光光盤存儲器-3激光光盤存儲技術(shù)具有低成本、可大量模壓復(fù)制等優(yōu)勢，這是其他光存儲技術(shù)難于替代的。但目前光盤的直接重寫性能仍然不及磁盤，所以光盤存儲技術(shù)在提高其存儲密度優(yōu)勢的同時，正在繼續(xù)提高其數(shù)據(jù)存儲、傳輸速率。隨著短波長激光技術(shù)和其它光學(xué)存儲技術(shù)的成熟以及新存儲介質(zhì)材料的發(fā)現(xiàn)，激光光盤存儲技術(shù)還將有更大的發(fā)展。第六十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13627.3.3體全息光存儲

自激光全息技術(shù)誕生之日起，激光體全息光存儲技術(shù)(以下簡稱全息存儲)就開始受到人們關(guān)注。目前全息存儲研究已取得很大進(jìn)展，存儲容量迅速提高，存儲器性能不斷改進(jìn)，高密度全息存儲技術(shù)正日益走向?qū)嵱?。與磁存儲技術(shù)和光盤存儲技術(shù)相比，全息存儲有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

1)高冗余度。信息以全息圖的形式存儲在一定的擴(kuò)展體積內(nèi)，因而具有高度的冗余度。在傳統(tǒng)的磁盤或光盤存儲中，每一數(shù)據(jù)比特占據(jù)很小的空間位置，當(dāng)存儲密度增大，存儲介質(zhì)的缺陷尺寸與數(shù)據(jù)單元大小相當(dāng)時，必將引起對應(yīng)數(shù)據(jù)失真或丟失，而對全息存儲來說，缺陷只會使得所有的信號強(qiáng)度降低，而不致于引起數(shù)據(jù)丟失。

2)存儲容量大。利用體全息圖可在同一存儲體積內(nèi)存儲多個全息圖，有效存儲密度很高，該值在可見光譜區(qū)中約為10地bits／cm。。存儲密度的理論極限值為1／入。(其中入為光波波長)。第六十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/1363體全息光存儲3)數(shù)據(jù)并行傳輸。信息以頁為單位并行讀取，因而具有極高的數(shù)據(jù)傳輸率，其極限值主要由I／O(輸入／輸出)器件來決定。目前多信道CCD探測陣列的運(yùn)行速度已達(dá)到128MHz／s，采用并行探測陣列的全息存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率將有望達(dá)8Gbits／s。

4)尋址速度快。參考光可采用聲光、電光等非機(jī)械式尋址方式，因而系統(tǒng)的尋址速度很快，數(shù)據(jù)訪問時間可降至亞毫秒范圍或更低。

5)關(guān)聯(lián)尋址功能。塊狀角度復(fù)用體全息存儲用角度多重法存儲多個全息圖，讀出時若用物光中的某幅圖像光波(或其部分)照射其公共體積，則會讀出一系列不同方向的“參考光”，其強(qiáng)度大小代表對應(yīng)存儲圖像與輸入圖像之間的相似程度，利用此關(guān)聯(lián)特性，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)尋址操作。第六十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13641．體全息存儲的原理根據(jù)光波干涉原理，當(dāng)信號光和參考光都是平面波時，在一定厚度的記錄介質(zhì)內(nèi)部會形成等間距的、具有平面族結(jié)構(gòu)的體光柵，從而實(shí)現(xiàn)對光信號的存儲。如圖7-30所示，光信號存儲時，待存儲的信號光0和參考光R分別以角度θ1和θ2入射到介質(zhì)內(nèi)，形成的條紋面與兩束光的夾角θ滿足關(guān)系式

θ=(θ1-θ2)／2該等間距的平面族結(jié)構(gòu)被記錄并形成體光柵(其光柵常數(shù)Λ滿足布拉格條件：

2Λsinθ=λ其中入為光波在介質(zhì)內(nèi)傳播的波長)，從而實(shí)現(xiàn)某波長光信號在某角度下的存儲。第六十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13651．體全息存儲的原理a記錄b再現(xiàn)圖7-30體全息圖光路示意圖

第六十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13661．體全息存儲的原理體全息圖對再現(xiàn)光的衍射作用與布拉格晶體對X射線的衍射現(xiàn)象相似，也滿足布拉格條件：2Λsina=λ，式中a稱為布拉格角。圖7-30b是其再現(xiàn)示意圖。只有滿足布拉格條件的再現(xiàn)光才能得到最強(qiáng)的衍射光，任何對布拉格角和光波長的偏離都會使衍射光急劇衰減，即布拉格條件表現(xiàn)出很強(qiáng)的選擇性。當(dāng)某一波長的光以某一角度入射到存儲介質(zhì)的某一區(qū)域(該區(qū)存有數(shù)據(jù)信息)時，如果出現(xiàn)較強(qiáng)的、滿足布拉格條件的衍射光，則表示該區(qū)域在該波長和角度下的存儲信息為“1”，反之則為“0”。由此可見，體全息可采用波長復(fù)用和角度復(fù)用來實(shí)現(xiàn)超高密度存儲。第六十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13672．全息存儲的應(yīng)用(1)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的存儲1997年，一個集成化的角度復(fù)用全息存儲模塊(如圖7-31所示)由Drolet等人設(shè)計出來。該模塊包括一個BaTios光折變晶體、一對液晶光束偏轉(zhuǎn)器(圖中只能見到一個，另一個在晶體后面)和光電子集成電路(OEIC包括光電子SLM、探測器、刷新器等)。圖7-31緊湊型集成化的角度復(fù)用全息存儲模塊

第六十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13682．全息存儲的應(yīng)用此模塊的優(yōu)點(diǎn)是：采用共軛讀出方式，再現(xiàn)光逆向經(jīng)過信號光束記錄時所通過的路徑(從SLM到記錄介質(zhì))，不需要額外的再現(xiàn)光路和成像光路；另外共軛讀出方式還校正了讀出光的線性相位畸變。其中OEIC的每個像素都具有存儲、光探測和調(diào)制功能，它本身可完成像素之間的局部數(shù)據(jù)傳輸(如探測器到存儲器，存儲器到調(diào)制器)，具有動態(tài)刷新的功能。圖7-31緊湊型集成化的角度復(fù)用全息存儲模塊

(1)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的存儲第六十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13692．全息存儲的應(yīng)用(2)超大容量全息存儲器人們利用體全息材料進(jìn)一步研究超大容量的全息存儲技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展了幾種盤式全息存儲的方案，如三維盤式全息存儲方案就是實(shí)現(xiàn)超大容量存儲的一種途徑。圖7-32分塊式全息存儲盤的示意圖7-32給出基于全息存儲技術(shù)的分塊盤式全息存儲示意圖，圖中沿盤面上的同心圓軌道上劃分為互不重疊的空間位置(全息塊)，每個位置上復(fù)用存儲大量全息圖?？捎酶道锶~全息圖也可以用像面全息圖的形式記錄物信息，參考光采用平面波。復(fù)用方式可以是角度復(fù)用、波長復(fù)用或相位復(fù)用。第七十頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13702．全息存儲的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)：角度復(fù)用和波長復(fù)用可以存儲的全息圖總數(shù)大致相同，但波長復(fù)用有著更高的面密度。全息盤潛在的高數(shù)據(jù)傳輸率不是依靠盤面轉(zhuǎn)速的提高，而是通過整頁并行讀出實(shí)現(xiàn)的，這也將相應(yīng)地緩解系統(tǒng)對高速機(jī)械運(yùn)動的要求。目前，激光全息存儲仍然處于研究之中，它的實(shí)用化還有一定難度。第七十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13717.3.4激光存儲技術(shù)的新進(jìn)展1、電子俘獲光存儲技術(shù)一種適用于未來大容量計算系統(tǒng)的理想存儲器必須同時具有高存儲密度、高存取速率和長壽命三個特點(diǎn)。電子俘獲存儲方式可具有這些特點(diǎn)，它是通過低能量激光去俘獲光盤特定斑點(diǎn)處的電子來實(shí)現(xiàn)存儲的，它是一種高度局域化的光電子過程。理論上講它的寫、讀、擦不受介質(zhì)物理性能退化的影響。最新開發(fā)的電子俘獲材料的寫、讀、擦次數(shù)已達(dá)108次以上，且寫、讀、擦的速率快至納秒量級。因此，借助于電子俘獲材料的固有特性，可以使激光存儲密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的光存儲介質(zhì)。第七十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13721、電子俘獲光存儲技術(shù)-1

電子俘獲激光存儲的具體過程是：當(dāng)一束激光(其光子能量在電子躍遷能量范圍內(nèi))照射到電子俘獲材料時，材料中的基態(tài)電子被激發(fā)到高能級E，后下落并被低能級T處的陷阱俘獲，形成被電子填充了的陷阱，它代表二進(jìn)制信息位“1”。寫入光束中斷后，此狀態(tài)仍能保持，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字光信號的存儲；信息的讀出是以陷阱對電子的釋放為基礎(chǔ)的，在一束近紅外光(其波長對應(yīng)于足以使被俘獲電子逃逸出陷阱并躍入能級E之中的光子能量)照射下，光斑局域位置的被俘獲電子在獲得光子能量后躍遷到能帶E中，并與另種稀土原子作用后返回到基態(tài)G，同時發(fā)射出與躍遷過程損失的能量相對應(yīng)波長的光子，探測到這種光就能證實(shí)存儲單元局域位置處的陷阱被電子所填充(存在二進(jìn)制信息位“1”)。所以多次讀出(或選用適當(dāng)大功率光一次讀出)會使被俘獲電子基本耗盡，這就對應(yīng)于信息的擦除。第七十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13731、電子俘獲光存儲技術(shù)-2實(shí)際測量表明：電子俘獲激光存儲技術(shù)可實(shí)現(xiàn)模擬或多電平數(shù)據(jù)的存儲，利用這種技術(shù)并采用多電平信號鑒別和相關(guān)碼，可使傳統(tǒng)光盤的每面存儲容量增加至1.5GB，若進(jìn)一步將不同光譜響應(yīng)度的電子俘獲材料薄膜層堆疊起來，則能實(shí)現(xiàn)三維光存儲。電子俘獲技術(shù)還有如下優(yōu)點(diǎn)：對表面缺陷及形貌擾動不敏感，寫／擦循環(huán)次數(shù)無限，高速度存取等?？傊娮臃@存儲是一種相當(dāng)有前途的激光存儲技術(shù)。第七十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日2023/3/13742．光學(xué)雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲基于高速響應(yīng)、鎖模脈沖激光器的雙光子吸收產(chǎn)生了光學(xué)雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字記錄方法，其基本原理是根據(jù)兩種光子同時作用于原子時，能使介質(zhì)的原子中某一特定能級上的電子激發(fā)至另一穩(wěn)態(tài)，并使其光學(xué)性能發(fā)生變化，所以若使兩個光束從兩個方向聚焦至材料的同一空間點(diǎn)時，便可實(shí)現(xiàn)三維空間的尋址寫入。利用材料折射率、吸收度、熒光或電性質(zhì)的改變來實(shí)現(xiàn)信息存儲。這種存儲技術(shù)的光信號是由熒光讀出，在未寫入點(diǎn)無熒光(零背景)，所以讀出靈敏度很高。由于光信號的寫入與讀取屬于原子對光量子的吸收過程，反應(yīng)速度為皮秒級。最小記錄單元的尺寸在理論上可達(dá)到原子級。這種方法能實(shí)現(xiàn)Tb／cm3的體密