章光与信息技术

光与现代科技讲座第六章光与信息技术中的应用2023/1/191光与现代科技讲座云南大学信息学院通信工程系

宗容第六章光与信息技术中的应用光与现代科技2023/1/192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42023/1/193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2023/1/194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。2023/1/195§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。2023/1/1966.1.1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。2023/1/197(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

2023/1/198(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。2023/1/199(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。2023/1/1910(1)低惯量量扫描描器常用的的感应应驱动动线圈圈谐振振镜扫扫描器器典型型结构构如图图6-2所示，，包括括平衡衡的扭扭力杆杆和电电感转转矩驱驱动部部分。。反射射镜被被扭力力杆T1和T2完全对对称悬悬挂，，当反反射镜镜运动动时，，不会会引起起扭力力扰动动。图6-2感应驱驱动线线圈谐谐振镜镜扫描描器结结构谐振镜镜扫描描器只能工作在在很窄窄的频频率范范围内内，它的的振荡荡是一一种简简单、、周期期性的的谐振振运动动，但但若采采用谐谐振放放大器器，扫扫描器器将具具有很很高的的扫描描频率率和很很大的的扫描描角。。2023/1/111(1)低低惯量扫扫描器与变压器器的工作作原理一一样，驱驱动线圈圈的磁场场通过软软铁芯与与转子的的相互作作用而产产生。感感应驱动动线圈谐谐振镜扫扫描器的的转子是是长方形形的金属属环，在在环中产产生感应应电流，，它的动动圈通过过感应加加载。低惯量扫扫描器系系统的选选择取决决于对扫扫描器应应用的要要求。在不同的的应用中中对扫描描器的参参数要求求是不一一样的，，它的主主要参数数有：光光斑的尺尺寸，光光斑的质质量，光光点扫描描的速度度和回扫扫时间，，光斑在在扫描场场中的线线性；扫扫描角的的大小和和镜面反反射的质质量等。。2023/1/112低惯量扫描描器常用于于二维平面面场扫描，其结构主主要有简单单的双镜系系统、中继继透镜系统统和桨形双双镜系统等等。简单双镜系系统的光路路图如图6-3所示，X轴和Y轴反射镜的的中心分别别为点a和点b。扫描点c的坐标为(0,Yi)。d是点b到输出平面面坐标中心心(0,0)点的距离。。X轴和Y轴的扫描角角分别为θx和θy。像平面上上任意点的的坐标为(Xi，Yi)，当Xi=Yi=0时，有θx=θy=0°。图6-3简单双镜系系统光路图图2023/1/113第一、二个个中继透镜镜的焦距分分别为f1、f2，两透镜相相距f1+f2。第二个扫描描器的扫描描轴与第一一个扫描器器的扫描轴轴正交，并并与光轴交交于B点。当入射射细光束打打在A点上时，则则有二维扫扫描的细光光束从B点出射，如如图6-1(a)俯视图的情情况；如果果入射光束束是一束准准直光束，，当它通过过第二个中中继透镜后后，出射光光束也是准准直光束，，如图6-1(b)侧视图所示示。图6-4中继透镜系系统光路图图中继透镜系系统的光路路图如图6-4所示。第一个扫描描器的扫描描轴(即镜面的转转动中心)与光轴相交交于A点2023/1/114桨形双双镜系系统的的光路路图如如图6-5所示，，两根根扫描描轴正正交、、共面面，形形成一一个X-Y平面。。以X轴旋转转的反反射镜镜(X镜)转轴在在反射射镜的的一边边，以以Y轴旋转转的反反射镜镜(Y轴)转轴在在反射射镜的的中间间，两两个镜镜面在在与X-Y平面相相交都都为45°°。当入射射光束束以平平行Y轴的方方向入入射，，且在在X镜转角角很小小的一一级近近似的的情况况下，，由X镜反射射的光光束在在Y镜上的的位置置基本本保持持不变变，它它只改改变了了出射射光束束的方方向。。图6—5桨形双双镜系系统光光路图图2023/1/115(2)全息扫扫描器-4全息扫描器是是以全息术为为基础的扫描描器，它能够够提供多方位位和多焦距的的扫描，满足足一些特定应应用的需要，，且结构较为为简单，成本本也较低。全息扫描器器是激光全全息扫描系系统的关键键元件，它它主要应用用了全息技技术的波前前变换，以以复杂波前前的记录和和再现实现现光束的控控制。2023/1/116当全全息息透透镜镜在在位位置置l时，，再再现现光光照照在在全全息息透透镜镜的的右右侧侧，，衍衍射射的的会会聚聚光光聚聚焦焦在在像像平平面面位位置置1处。。如果果把把全全息息透透镜镜从从位位置置1移动动到到位位置置2，再再现现光光在在全全息息透透镜镜上上的的位位置置也也从从右右侧侧移移到到左左侧侧，，如如图图中中虚虚线线所所示示，，这这时时衍衍射射会会聚聚光光的的焦焦点点也也从从像像平平面面的的位位置置l移动动到到位位置置2。因此此把把全全息息透透镜镜从从位位置置1移动动到到位位置置2时，，在在像像平平面面上上就就出出现现了了一一根根扫扫描描线线。。图6-7全息息扫扫描描原原理理全息息扫扫描描的的基基本本原原理理如如图图6-7所示示，，用用发发散散的的细细光光束束作作为为再再现现光光，，照照明明全全息息透透镜镜的的一一个个小小区区域域。。2023/1/117全息扫描器-6用上述全息扫扫描的基本概概念来实现复复杂的扫描过过程时有许多多实际问题需需要解决，如如在全息扫描描器设计中应应考虑光学结结构和机械结结构的合理性性。光学结构首先先是选择全息息图的类型，，是采用反射射全息图或采采用透射全息息图，然后设设计全息图的的光学结构参参数。机械结构的设设计要求满足足光学结构的的要求并简单单可行。不同类型的全全息图在扫描描器中有不同同的要求，对对于透射全息息图，全息材材料的均匀性性和衬底基片片的质量要求求较高，而对对机械振动的的要求相对比比较低。相反地，对于于反射全息图图，由于再现现光不通过基基片，所以只只要求全息图图的表面质量量好，对基片片的均匀性要要求不高，但但对轴承的要要求比用透射射全息图时要要高，即要求求高精度和高高稳定性的轴轴承。2023/1/118全息扫描器-7全息扫描器的的设计要综合合考虑各方面面的因素，其其中包括：对对扫描线质量量的要求，全全息扫描器参参数(包括扫描参数数和运行参数数两类，扫描描参数有光斑斑尺寸、扫描描线长度、焦焦距、扫描的的线性、场曲曲、扫描速度度、全息图的的尺寸和子全全息图的数目目等；运行参参数有工作距距离、角宽度度、子全息图图数、旋转轴轴与全息图上上再现激光光光斑之间的距距离、记录和和再现波前的的取向及形状状和旋转速度度等)的要求，以及及全息扫描器器制作和使用用的可行性等等。全息扫描器各各参数间有很很强的依赖关关系，在许多多情况下甚至至相互矛盾，，因此经常采采用折衷的方方案达到实用用的目的。2023/1/119全息扫描器-8全息扫描器具具有一些突出出的优点：首先是全息图图作为偏转元元件，具有聚聚焦和偏转两两个功能。它它的焦距的长长短和偏转的的方向可以通通过记录光路路和再现光路路的参数来确确定，因此在在一个扫描器器中用不同参参数的全息图图能实现多方方位、多焦距距的扫描，这这是全息扫描描器最突出的的优点。其次是全息图图作为扫描元元件时能够收收集被扫描物物体的散射光光。在散射光光中包含被扫扫描物体的信信息，全息图图把带有信息息的散射光会会聚到探测器器，对于不需需要的环境光光具有滤波作作用，因此全全息扫描器能能应用在环境境较差的场合合。2023/1/120全息扫扫描器器-9再次是是全息息图可可以装装配在在各种种基片片上，，它的的重量量与底底座相相比可可以忽忽略，，因此此很容容易实实现小小型化化。最后是是全息息图能能大量量地制制造或或复制制，与与一般般光学学元件件相比比价格格较低低廉。。当然全全息扫扫描器器在应应用中中也有有一些些不足足：首先是是宽带带的记记录材材料比比较缺缺乏，，因此此记录录和再再现中中要使使用不不同波波长的的激光光，会会引入入一些些像差差。为为了得得到高高质量量的光光斑，，要进进行一一些像像差校校正工工作。。其次是是全息息图的的衍射射效率率也是是一个个较大大的限限制。。2023/1/1212.激激光光扫扫描描器器的的应应用用实实例例激光光扫扫描描器器的的应应用用十十分分广广泛泛，，前前面面已已经经对对它它的的应应用用范范围围作作了了简简单单地地介介绍绍，，这这里里仅仅结结合合三三个个具具体体的的应应用用实实例例进进行行介介绍绍。。(1)激光光照照排排机机图6-8给出出了了一一激激光光照照排排机机的的原原理理。。图6-8激光光照照片片机机的的原原理理2023/1/122(1)激光光照照排排机机-1图6-8给出出了了一一激激光光照照排排机机的的原原理理，，采用用He-Ne激光光器器作作为为光源源；声声光光调调制制器器作作为为激激光光的的高速速开开关关，由由计计算算机机的的文文图图信信息息控制制；密密度度盘盘用用于于调调整整对对胶胶片片的的最最佳佳曝光光量量；扩扩束束器器用用于于改改善善激激光光的的发散散角角；由由点点击击驱驱动动转转镜镜旋旋转转实实现现激激光光束束的的主扫扫描描；在在同同一一轴轴上上安安装装光光栅栅作作为为像像元元时钟钟，提提高高光光点点的的位位置置精精度度。。F-8物镜镜将将激激光光会会聚聚在在胶胶片片上上，，胶胶片片由由输输片片机机构构带带动动，，作作垂垂直直于于扫扫描描方方向向的的运运动动实实现现副副扫扫描描，，激激光光通通过过转转镜镜扫扫描描和和胶胶片片运运动动实实现现二二维维扫扫描描，，在在胶胶片片上上形形成成一一幅幅完完整整的的文文字字和和图图像像。。激光束扫扫描和胶胶片运动动要求严严格保持持同步，，即激光光扫描完完一条线线之后，，胶片刚刚好移动动一条线线宽的距距离。在图中胶胶片的上上方一侧侧有一个个光电器器件，作作为行起起始的基基准。2023/1/123(1)激光照照排机机-2随着技技术的的发展展，现现已有有多种种激光光照排排机，，主要要有绞绞盘式式激光光照排排机、、外滚滚筒激激光照照排机机、平平台式式激光光照排排机、、内滚滚筒式式激光光照排排机和和虚拟拟滚筒筒式激激光照照排机机。这几类类激光光照排排机各各有优优缺点点，它它们的的比较较如表表6-1所示。。对于希希望生生产效效率高高、操操作方方便、、节省省胶片片的印印刷(包括中中档彩彩色印印刷)，一般般采用用绞盘盘式；；而对于于高精精度、、高分分辨率率、大大幅面面的精精细彩彩色印印刷，，则采采用内内滚筒筒式或或外滚滚筒式式。激光照照排机机的关关键技技术是是光源源、声声光调调制器器、激激光扫扫描、、副扫扫描技技术和和电路路控制制技术术。从技术术发展展来看看，激激光照照排机机有向向激光光直接接制版版机发发展的的趋势势.激光制制版机机是激激光直直接扫扫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机相相同，，只是是感光光介质质不同同，即即用版版材代代替激激光照照排机机中的的胶片片。2023/1/124表6-1激光照排机机的类型分分析比较平台式外滚筒式内滚筒式虚拟滚筒式绞盘式扫描速度快慢快快快定位精度高高高高中、高结构复杂复杂复杂复杂复杂幅面中大大中中胶片成卷单片成卷成卷成卷附属设备真空泵真空泵无无无噪声大大小小小成本高高高低低体积大大大小小重量大大大小小适用介质胶片相纸版材胶片胶片相纸版材胶片相纸版材胶片相纸版材工作环境一般严格一般一般一般类型项目2023/1/125(2)激光光缩缩微微机机激光光缩缩微微机机是是用用激激光光扫扫描描器器把把计计算算存存储储的的信信息息直直接接制制作作到到缩缩微微胶胶片片上上的的机机器器。。图6-9激光光缩缩微微机机原原理理图6-9给出出了了激激光光缩缩微微机机的的原原理理，，图图中中有有两两个个扫扫描描器器，，沿沿x方向向扫扫描描的的叫叫行行扫扫描描器器，，沿沿Y方向向扫扫描描的的称称为为页页扫扫描描器器。。2023/1/126(2)激光光缩微微机-1激光光光源输输出的的单光光束经经声光光调制制器产产生9个不同同频率率(40MHz~50MHz)的时序序调制制，得得到9个被调调整的的时分分复用用光束束。扫描器器同时时用9根激光光束扫扫描，，字符符可以以由这这9根激光光束的的调制制信号号得到到，每每行像像素的的总数数1500个。9根光束束用一一个激激光源源，但但它们们在不不同瞬瞬间被被不同同的频频率调调制，，因此此每根根光束束的调调制信信号是是独立立的。。行扫描描器的的周期期为4.8ms，回扫扫时间间为1ms。扫描描器扫扫描的的位置置精度度可达达万分分之一一。2023/1/127(3)条形形码扫扫描器器激光条条形码码扫描描器由由激光光源、、光学学扫描描、光光学接接收、、光电电转换换、信信号放放大、、整形形、量量化和和译码码等部部分组组成。。早期的的扫描描器大大多采采用He-Ne激光器器，而而采用用MOVPE(金属氧氧化物物气相相外延延)技术制制造的的可见见光半半导体体激光光器具具有低低功耗耗、可可直接接调制制、体体积小小、重重量轻轻、固固体化化、可可靠性性高、、效率率高等等优点点，它它一出出现很很快就就替代代了原原来使使用的的He--Ne激光器器。从激光光源发发出的的激光光束需需通过过扫描描系统统形成成扫描描线或或扫描描图案案。条码扫扫描器器的扫扫描系系统一一般采采用旋旋转棱棱镜扫扫描和和全息息扫描描两种种方案案。2023/1/128(3)条形码扫描描器-1全息扫描系系统具有结结构紧凑、、可靠性高高和造价低低廉等显著著优点，自自从IBM公司在3687型扫描器(其光学系统统如图6-10所示)上首先应用用以来得到到了广泛的的应用，且且不断推陈陈出新。图6-10IBM3687型条形码扫扫描器光学学系统2023/1/129(3)条形码码扫描器-2全角度扫描这这个概念是为为了提高超级级市场的流通通速度而提出出的，并设计计了与之相应应的UPC(UniversalProductCode)条码。对于UPC码两个扫描方方向的“X’’扫描图案已能能实现全角度度扫描。手持单线扫描描器由于扫描描速度低、扫扫描角度较小小等原因，产产生了多种实实现光束扫描描的方案。除采用旋转棱棱镜、摆镜外外，还能通过过运动光学系系统中的很多多部件来进行行光束扫描。。如通过运动动半导体激光光器、运动准准直透镜等来来实现光束扫扫描。扫描光光束射到条码码符号上后被被散射，由接接收系统接收收足够多的散散射光。2023/1/130(3)条形形码扫扫描器器-3在激光光全角角度扫扫描器器中，，普遍遍采用用反向向接收收系统统。它它的的的瞬时时视场场极小小，可可以极极大地地提高高信噪噪比，，还能能提高高对条条码符符号镜镜面反反射的的抑制制能力力，并并且对对接收收透镜镜的要要求亦亦很低低。此此外，，它还还能使使接收收器的的敏感感面较较小，，接收收器成成本亦亦较低低。它的缺缺点是是当扫扫描光光束位位于扫扫描系系统各各元件件边缘缘时要要产生生渐晕晕现象象。接收到到的光光信号号需要要经光光电转转换器器转换换成电电信号号。全全角度度扫描描器中中的条条码信信号频频率比比较高高(几兆赫赫到几几十兆兆赫)，要求求光电电转换换器采采用具具有高高频率率响应应能力力的雪雪崩光光电二二极管管(APD)或PIN光电二二极管管。为为了长长时间间连续续操作作人员员的安安全，，要求求激光光源出出射能能量较较小，，这使使得最最后接接收到到的能能量极极弱。。2023/1/131(3)条条形形码码扫扫描描器器-4为了了得得到到较较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电电路路来来低低噪噪声声地地放放大大信信号号。。在在手手持持枪枪式式扫扫描描器器中中一一般般采采用用硅硅光光电电池池、、光光电电二二极极管管或或光光电电三三极极管管作作为为光光电电转转换换器器件件，，它它的的出出射射光光能能量量相相对对较较强强，，信信号号频频率率较较低低，，因因此此对对电电子子元元器器件件特特性性要要求求不不是是很很高高。。整形形后后的的电电信信号号经经过过量量化化后后，，由由译译码码单单元元译译出出其其中中所所含含信信息息。。全角角度度扫扫描描器器由由于于数数据据率率高高，，且且得得到到的的大大多多数数为为非非条条码码信信号号和和不不完完整整条条码码信信号号，，要要求求译译码码器器有有自自动动识识别别有有效效条条码码信信号号的的能能力力。。这对对译译码码单单元元的的要要求求较较高高(较高高的的数数据据处处理理能能力力和和较较大大的的数数据据吞吞吐吐量量)，目目前前普普遍遍采采用用软软、、硬硬件件紧紧密密结结合合的的方方法法来来解解决决。。2023/1/132§6.2激光打印印机随着计算算机技术术和电子子技术的的不断发发展，计计算机系系统的处处理速度度日益加加快。传统的击击打式打打印机在在打印质质量、打打印速度度、工作作噪声等等方面都都存在这这严重的的不足，，迫切需需要一种种速度高高、噪声声低的新新型打印印机;同时由于于激光扫扫描技术术和电子子照相技技术的快快速发展展，一种种新型打打印机——激光打印印机应运运而生，，并成为为激光扫扫描技术术的又一一突出应应用。2023/1/1331．激光光打印机机原理及及组成不同的厂厂家已生生产出多多种不同同型号的的激光打打印机，，但它们们的基本本原理、、基本组组成和工工作过程程大致相相同。激光打印印机的基基本原理理是：将将数据转转换为数数字信号号，再调调制激光光束在感感光鼓上上扫描，，感光鼓鼓将吸附附的墨粉粉转印到到纸上，，通过控控制激光光束的开开与关使使感光鼓鼓吸与不不吸墨粉粉，感光光鼓在纸纸上滚动动从而形形成文字字。2023/1/1341．激光光打印机机原理及及组成-16-11激光打印印机的基基本组成成激光器——产生激光光。激光扫描描系统——负责将接接口电路路送来的的二进制制点阵信信息调制制到激光光束上，，然后扫扫描到感感光鼓上上.感光鼓和和电子照照相转印印机构——负责将扫扫描到感感光鼓上上的图文文映像转转印到打打印纸上上，故两两者又合合称为电电子成像像系统。。2023/1/1351．激光打印印机原理及组组成-2除了以上主要要组件外，还还要有电源系系统和机械系系统的密切配配合，才能完完成整个打印印过程。电源源系统提供各各种电源电压压，使激光打打印机的各个个组件正常工工作。机械系统负责责完成打印纸纸在打印机中中的各种动作作，又称之为为打印纸传送送系统。从信号输入激激光打印机到到激光扫描系系统把其调制制在激光束上上，这一部分分有时也称为为视频控制器器，主要从计计算机接收要要打印的信息息，并进一步步产生视频信信号，然后送送到激光扫描描系统对激光光束进行调制制。2023/1/1362．激光打印印机的基本本工作过程程及控制系系统简介(1)激光扫描系系统工作过过程激光扫描系系统由光调调制器、扫扫描器、光光偏转器、、同步器和和高频驱动动电路等组组成，它的的基本工作作过程如下下：激光器产生生激光束经经反射镜反反射进入光光调制器，，同时计算算机送来二二进制图文文点阵信息息由接口电电路送到字字型发生器器，产生所所需要的二二进制脉冲冲信号，经经过频率合合成器和功功率放大器器进行合成成、放大后后也送入光光调制器，，并对反射射镜反射过过来的激光光束进行调调制。由光光调制器输输出的调制制光入射到到多面转镜镜，再通过过广角聚焦焦镜后扫描描到感光鼓鼓上，从而而把多面转转镜的角速速度扫描变变成感光鼓鼓上的线速速度扫描，，这样就完完成了整个个激光扫描描过程。由上可知，，通过视频频信号可以以控制激光光束的有和和无，通过过控制激光光束的强弱弱，可以控控制打印的的对比度，，即所谓的的“调制””。再配合合感光鼓的的转动，可可以实现角角速度扫描描到线速度度扫描的转转变，完成成行扫描和和列扫描，，、形成一一幅二维的的电子潜像像。2023/1/137电子成像是将将感光鼓上的的二维电子潜潜像经炭粉投投影方式显影影，然后转印印到打印纸上上，再经加热热加压定影，，使粉末状的的墨粉微粒熔熔化渗入纸纤纤维中，成为为永久性的打打印输出。整个工作过程程可简单概括括为：充电一扫描曝曝光一墨粉显显影一转印到到纸上一加热热加压定影输输出一消电一一清扫剩余墨墨粉一光照再再次充电的循循环过程。首先，当机械械部件开始动动作时，感光光鼓上方的主主电晕中一根根屏蔽的钨丝丝被充电到数千伏的高高压，使主电电晕产生电晕晕放电，周围围的空气被电电离。空气中中的负电荷被被迁移到感光光鼓表面，均均匀地分布在在鼓的上面，，使感光鼓表表面充满电荷荷。(2)电子成像工作作过程2023/1/138然后，调制制后的激光光束(由激光扫描描系统产生生)扫描到感光鼓，，使布满电电荷的感光光鼓被激光光束照射的的部分曝光，从而使感感光鼓带有有不可视的的静电潜像像——静电电荷阵阵列。用墨粉对其其进行显影，使墨粉附附着在静电电潜像上。。显影后，感感光鼓通过过传输电晕晕作用把墨墨粉图像转印到打印印纸上。再对其加热热加压定影，使其熔化化渗入到纸纸纤维中。。这样就把需需要打印的的文字或图图像转印到到打印纸上上，成为永永久性的打印输出。在打印下一一幅图文信信息之前，，要将感光光鼓上的剩余电荷及及墨粉清除除干净。(2)电子成像工工作过程-12023/1/139一台好的打打印机不仅仅需要好的的扫描系统统、电子成成像系统和和可观赏的的外壳，还还需要好的的机械系统统与之配合合以完成各各种机械动动作。机械系统最最主要的工工作是负责责打印纸在在激光打印印机中的传传送，此外外图像生成成也需要机机械系统的的配合。当一个打印印循环开始始时，主电电动机旋转转，机械连连轴器驱动动感光鼓、、融解辊并并把打印纸纸送入打印印机的送纸纸辊。卷纸辊和定定位辊保持持打开并由由螺线管驱驱动的离合合器调整。。在接收一张张纸时，卷卷纸辊离合合器啮合，，刻有V形凹痕的卷卷纸辊转动动带动偏心心轮，并把把它拖入打打印机约7.5cm。(3)机械系统工工作过程2023/1/140转动一周周后，卷卷纸辊离离合器释释放，打打印纸停停留在定定位辊上上等待同同步信号号。当同步信信号到来来时，咬咬合齿轮轮捕捉到到定位辊辊中的纸纸并传送送到位，，和感光光鼓上碳碳粉图像像的起始始位置对对齐。显显影后的的炭粉图图像和打打印纸面面同步后后，定位位辊离合合器啮合合，把打打印纸送送入图像像生成系系统。定位辊启启动后保保持啮合合，直到到打印纸纸退出打打印机，，显影后后的碳粉粉图像被被固定。。在打印印纸从熔熔结辊间间退出时时，驱动动一张打打印纸退退出传感感器，传传感器恢恢复到其其初始状状态。打印机的的电子控控制包知知道打印印纸离开开了打印印机，主主电动机机可停止止工作；；或一张张新的打打印纸可可进入，，开始下下一个打打印循环环。(3)机械系统统工作过过程-22023/1/141激光打印印机的整整体控制制系统包包括激光光扫描系系统的控控制、电电子成像像系统的的控制、、与计算算机接口口的控制制、缓存存及脱机机自检等等控制。。激光扫描描的控制制主要完完成多面面转镜的的稳速驱驱动、行行同步信信号的检检测、处处理，半半导体激激光器的的调制与与驱动等等。每次打印印开始，，打印机机从计算算机接收收数据信信号。要要将这些些数据信信号(包括整页页打印内内容的代代码)变成调制制激光的的视频信信号，或或者储存存在某些些计算机机较大容容量的缓缓冲区内内；或者者在送往往打印机机前先编编译出来来形成点点阵信息息。电子成像像系统的的控制主主要是控控制和协协调充电电、曝光光、显影影、转印印、进纸纸、定影影、消电电、清洁洁等工作作步骤，，保证打打印出高高质量的的字符和和图形。。和其他外外部输出出设备一一样，激激光打印印机的接接口控制制部分负负责接收收和处理理主机发发来的各各种信号号，并向向主机发发回打印印机状态态的信号号，协调调两者的的工作。。(4)控制系统统简介2023/1/1423.激光光打打印印机机的的国国内内外外发发展展状状况况简简介介二十十世世纪纪70年代代中中期期，，美美国国率率先先将将激激光光引引入入打打印印机机领领域域，，综综合合利利用用激激光光扫扫描描技技术术和和电电子子照照相相技技术术，，研研制制出出激激光光打打印印机机。。早期期的的激激光光打打印印机机主主要要采采用用He-Ne激光光器器，，是是一一种种与与大大型型计计算算机机配配套套的的高高速速输输出出设设备备，，它它体体积积大大、、成成本本高高、、价价格格昂昂贵贵，，应应用用面面不不广广，，然然而而它它在在打打印印质质量量、、打打印印速速度度、、打打印印精精度度、、稳稳定定性性和和图图像像质质量量方方面面具具有有突突出出的的优优势势。。随着着半半导导体体激激光光技技术术的的发发展展、、设设计计水水平平的的不不断断进进步步、、生生产产工工艺艺的的不不断断改改进进，，激激光光打打印印机机从从采采用用气气体体激激光光器器的的大大型型结结构构发发展展到到采采用用半半导导体体激激光光器器的的小小型型台台式式结结构构，，其其体体积积日日益益缩缩小小，，成成本本越越来来越越低低。。日本本、、美美国国等等国国相相继继研研制制出出多多功功能能、、低低价价格格、、高高质质量量的的台台式式激激光光打打印印机机，，激激光光打打印印机机迅迅速速达达到到了了普普及及程程度度，，它它为为越越来来越越多多的的计计算算机机用用户户所所青青睐睐，，已已从从计计算算机机的的主主要要输输出出设设备备拓拓宽宽到到各各个个领领域域。。2023/1/1433.激光打印机机的国内外外发展状况况简介进入二十世世纪90年代以来，，由于大功功率半导体体激光器的的发展和计计算机控制制的广泛应应用，激光光打印技术术日益成熟熟，成本不不断下降，，其市场份份额已超过过针式打印印机，成为为打印市场场的主流产产品之一。。尽管我国激激光打印技技术发展迅迅速，重庆庆华蜀公司司、联想集集团、中科科院计算机机所中计公公司、紫金金公司、科科海公司等等都研制生生产了自己己的汉字激激光打印机机产品，凭凭借汉字处处理优势在在我国打印印机市场上上争占一席席之地。但国内产品品生产批量量小、成本本难以下降降，很难与与国外进口口的低价打打印机竞争争，因此国国内目前使使用的打印印机大多数数为国外产产品。2023/1/1443.激光光打打印印机机的的国国内内外外发发展展状状况况简简介介激光光打打印印机机的的发发展展趋趋势势：：首先先是是台台式式低低速速打打印印机机向向着着小小型型化化、、高高速速度度和和高高分分辨辨率率方方向向发发展展，，即即打打印印速速度度由由20页／／分分提提高高到到50-60页／／分分、、分分辨辨率率由由300dpi提高高到到1000dpi以上上，，能能够够达达到到标标准准报报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机机和和其其他他CA(CharmelAdapter)机器器相相结结合合，，朝朝兼兼容容、、集集成成化化方方向向发发展展，，如如Cannon和Ricoh的激激光光打打印印机机一一传传真真机机和和Ricoh公司司的的激激光光打打印印机机—复印印机机—传真真机机三三合合一一的的机机种种等等；；此外外，，激激光光打打印印机机的的彩彩色色化化发发展展也也是是一一个个重重要要的的方方向向。。2023/1/1456.3激激光存储储技术随着社会进进步、生产产和科学技技术的不断断发展，人人类对信息息的依赖程程度日益加加深，需要要处理、传传输和存储储的信息急急剧增加，，这对信息息的存储和和管理提出出了越来越越高的要求求。为满足足信息社会会的发展需需求，光存存储技术应应运而生，，并成为现现代信息社社会中不可可缺少的存存储技术之之一。早期人们用用缩微胶片片来存储文文档资料，，这是光存存储的最早早形式。上世纪60年代激光问问世后，激激光全息技技术的发展展使具有更更大存储容容量的三维维图象存储储得以实现现，但其不不能进行实实时数据存存取，无法法与磁存储储相比较。。上世纪70年代，光盘盘存储技术术应运而生生并迅猛发发展.2023/1/1466.3激激光存储储技术-1第一代光盘盘存储用GaAlAs半导体激光光器，波长长为0.78um(近红外)，5寸光盘的存存储容量为为0.76GB，即CD系列光盘；；第二代光盘盘存储用GaAlInP激光器，波波长为0.65um(红光)，存储容量量为4.7GB，即数字多多功能光盘盘(DVD)系列；第三代光盘盘存储已经经兴起，使使用GaN半导体激光光器，波长长为0.41um(蓝光)，存储容量量可达27GB，为高密度度数字多功功能光盘即即HD—DVD光盘(蓝碟)。上世纪80年代后期出出现的磁光光盘(MO)技术和90年代初期出出现的相变变光盘(PC)技术也得到到了飞快的的发展，并并且已经进进入实用时时期。由此可见，，激光技术术的发明和和发展在光光存储技术术的发展中中起了重要要的作用。。2023/1/147激光存储的基基本原理、分分类及特点1、激光存储的的基本原理激光存储是利利用材料的某某种性质对光光敏感。带有信息的光光照射材料时时，该性质发发生改变，且且能够在材料料中记录这种种改变，这就就实现了光信信息的存储。。用激光对存储储材料读取信信息时，读出出光的性质随随存储材料性性质的改变而而发生相应的的变化，从而而实现已存储储光信息的读读取。2023/1/148激光存存储的的基本本原理理、分分类及及特点点2、激光光存储储的分分类光存储储的分分类有有很多多种，，按数据据存取取方式式可分分为光光打点点式存存储和和页面面并行行存储储；按存储储介质质的厚厚度可可分为为二维维存储储和三三维存存储；；按鉴别别存储储数据据的方方式可可分为为位置置选择择存储储和频频率选选择存存储等等等。。目前最最普遍遍、最最成熟熟的光光存储储技术术就是是光盘盘存储储，正正在发发展中中的存存储技技术还还有全全息存存储技技术、、光学学双光光子双双稳态态三维维数字字存储储技术术、持持续光光谱烧烧孔技技术、、电子子俘获获光存存储技技术等等。2023/1/1493、激激光光存存储储的的特特点点现有有的的光光存存储储技技术术与与传传统统的的磁磁存存储储技技术术相相比比有有如如下下特特点点：：1．数数据据存存储储密密度度高高、、容容量量大大。。理论论估估计计光光储储存存的的面面密密度度为为1／λ2。(其中入是用用于光存储储的波长)的数量级，，存储的体体密度可达达1／λ3。2．寿命长。。磁存储的信信息一般只只能保留2—3年。而光存存储只要其其介质稳定定，寿命一一般在10年以上。3．非接触式式读／写和和擦。用光读／写写不会磨损损和划伤存存储介质，，这不仅延延长了存储储寿命，而而且使存储储介质易于于更换、移移动，从而而更易实现现海量存储储。4．信息位价价格低。由于光存储储密度高，，其信息位位价格可比比磁记录的的低几十倍倍。此外，光存存储还有并行程度高高，抗电磁磁干扰性能能强等优点。正正是由于这这些优点，，光存储技技术自激光光器发明以以来就一直直受到人们们的极大关关注。2023/1/150激激光光盘存储储激光光盘存储储技术是目前前最成熟的光光存储技术，，也是应用最最广泛的存储储技术之一。。1．激光光盘存存储的基本原原理光盘存储包括括信息“写入入”和“读出出”两个过程程。在信息的“写写入”过程中中，首先用待待存储信息调调制写入激光光的强度，并并使激光聚焦焦在记录介质质中，形成极极微小的光照照微区，其光光照区发生相相应的物理、、化学变化(反射率、折射射率、偏振特特性或其它特特性)，这样记录介介质上有无物物理、化学性性质的变化就就代表了信息息的有无，从从而完成信息息的“写入””。在信息的“读读取”过程中中，用低强度度的稳定激光光束扫描信息息轨道，随着着光盘的高速速旋转，介质质表面的反射射光强度(或光的其他性性质)随存储信息区区域的物理、、化学性质变变化而发生变变化。用光电电探测器检测测反射光信号号并加以解调调，便可取出出所存储的信信息。2023/1/151图6-27为一一基基本本的的光光盘盘系系统统图图。。图6-27基本本的的激激光光光光盘盘系系统统图图图6-28激光光光光盘盘记记录录斑斑示示意意图图1．激激光光光光盘盘存存储储的的基基本本原原理理-12023/1/1521．激光光光盘盘存储储的基基本原原理-2光盘是是在衬衬盘上上淀积积了记记录介介质及及其保保护膜膜的盘盘片，，在记记录介介质表表面沿沿螺旋旋形轨轨道，，以信信息斑斑的形形式写写入大大量的的信息息(参见图图6-28)，其记记录轨轨道的的密度度达1000道／mm左右。。可见见信息息斑越越小，，光盘盘的存存储密密度越越大。。由于物物镜衍衍射极极限影影响焦焦点处处光汇汇聚的的最小小直径径(约为为λ／(2NA)，其其中中NA为物物镜镜的的数数值值孔孔径径)，因因此此光光盘盘的的存存储储密密度度为为(NA／λ)2。例如如在在采采用用氩氩离离子子激激光光器器(λ=457.9nm)和物物镜镜数数值值孔孔径径为为0.8的系系统统中中，，信信息息斑斑的的最最小小直直径径为为λ／(2NA)=457.9／(2×0.8)=0.29um，则则存存储储密密度度为为(NA／λ)2=3××1012m-2。对于于普普通通尺尺寸寸内内径径为为70mm、外外径径为为145mm的光光盘盘而而言言，，其其有有效效存存储储面面积积约约为为5.0×10-2m2，则则它它的的最最大大存存储储容容量量为为3×1012×5.0×10-2=1.5×1010bit。可见见采采用用更更短短波波长长的的激激光光器器和和高高数数值值孔孔径径的的物物镜镜可可以以提提高高光光盘盘的的存存储储密密度度。。2023/1/1531．激光光光盘存储储的基本本原理-3光盘存储储除了具具有存储储密度高高、抗电电磁干扰扰、存储储寿命长长、非接接触式读读／写信信息以及及信息位位价格低低廉等优优点外，，还具有有信息载载噪比(CNR：载噪比比是载波波电平与与噪音电电平之比比，以分分贝表示示)高的突出出优点。。光盘载载噪比均均在50dB以上，且且多次读读／写后后不降低低。因而光盘盘多次读读出的音音质和图图像清晰晰度是磁磁带和磁磁盘所无无法比拟拟的。另外，光光盘的信信息传输输速率也也比较高高。现有光盘盘的数据据速率可可达50Mb／s以上，通通过改进进光学系系统并选选择适当当的激光光波长，，数据速速率还可可进一步步提高。。2023/1/1542．激光光盘盘的类型计算机控制制的数字光光盘存储技技术，按读读写功能划划分主要有有如下四种种：(1)只读存储(Readonlymemory)光盘只读式存储储光盘的记记录介质主主要是光刻刻胶，记录录方式是先先将信息刻刻录在介质质上制成母母盘，然后后进行模压压复制大量量子盘。这种光盘只只能用来播播放已经记记录在盘片片上的信息息，用户不不能自行写写入。2023/1/1552．激光光盘盘的类型-1(2)一次写入光光盘WORM(WriteOnceReadMemory，或称为DRAW，DirectReadAfterWrite)一次写人光光盘利用聚聚焦激光在在介质的光光照微区产产生不可逆逆的物理或或化学变化化写入信息息。其写入入过程主要要是利用激激光的热效效应，记录录方式有烧烧蚀型、起起泡型、熔熔融型、合合金型、相相变型等很很多种。这类光盘具具有写、读读两种功能能，用户可可以自行一一次写入，，写完即可可读，但信信息一经写写入便不可可擦除，也也不能反复复使用。这这种光盘可可用于文档档和图像的的存储。2023/1/1562．激激光光光光盘盘的的类类型型-2(3)可擦擦重重写写光光盘盘(Rewrite，或或Erasable--DRAW即EDAW)这类类光光盘盘可可多多次次写写入入、、读读取取信信息息，，但但写写入入前前需需先先将将已已有有的的信信息息擦擦去去，，然然后后再再写写入入新新的的信信息息，，即即写写、、擦擦信信息息是是分分开开的的两两个个过过程程。。写入入时时先先用用擦擦激激光光将将某某一一信信道道上上的的信信息息擦擦除除，，然然后后再再用用写写激激光光将将新新信信息息写写入入。。可见见这这种种先先擦擦后后写写的的两两步步过过程程限限制制了了数数据据的的存存储储速速率率，，因因而而尚尚未未应应用用到到计计算算机机系系统统的的随随机机存存取取存存储储器器(RandomAccessMemory．RAM)，但但它它在在海海量量脱脱机机存存储储和和图图像像数数字字存存储储方方面面应应用用广广泛泛。。目前前它它的的记记录录介介质质主主要要是是磁磁光光型型(热磁磁反反转转型型)存储储材材料料。。2023/1/1572．激激光光光光盘盘的的类类型型-3(4)直接接重重写写光光盘盘(overwrite)可擦擦重重写写光光盘盘需需要要擦擦、、写写两两次次动动作作完完成成信信息息的的更更换换，，这这使使光光盘盘数数据据传传输输速速率率受受到到限限制制。。直接接重重写写光光盘盘用用一一束束激激光光，，一一次次动动作作在在完完成成写写入入新新信信息息的的同同时时自自动动擦擦除除原原有有信信息息，，这这种种光光盘盘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实实现现晶晶态态与与非非晶晶态态间间相相互互转转化化的的特特性性，，使使记记录录介介质质在在写写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，，从从而而实实现现信信息息的的存存储储。。这种种光光致致晶晶化化的的可可逆逆相相变变过过程程非非常常快快，，当当擦擦除除激激光光脉脉宽宽与与写写入入激激光光脉脉宽宽相相当当时时(20~50ns)，相相变变光光盘盘可可直直接接进进行行重重写写，，从从而而大大大大缩缩短短了了数数据据的的存存取取时时间间。。2023/1/1583．激光光光盘盘存储储器激光光光盘存存储器器由光光存储储盘片片及其其驱动动器组组成。。驱动动器提提供高高质量量读出出光束束、引引导精精密光光学头头、读读出信信息、、给出出检测测光盘盘聚焦焦误差差信号号，并并实现现光束束高精精度伺伺服跟跟踪等等功能能。光盘存存储器器的光光学系系统一一般都都采以以半导导体激激光器器作为为光源源，采采用一一束激激光、、一套套光路路进行行信息息的写写／读读(如只读读存储储器及及一次次写入入存储储器)；或用用两个个独立立的光光源、、配置置两套套光路路，一一套用用来读读／写写，另另一套套用来来擦除除(如可擦擦重写写存储储器)。直接重重写式式相变变光盘盘存储储器，，只需需一束束激光光、一一套光光路完完成全全部读读、写写、擦擦功能能，可可与一一次写写入存存储器器兼容容。2023/1/1593．激光光光盘存储储器-1光盘存储储器的光光学系统统大致可