论未来的光机电一体化科学仪器和装置10703.pdf

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1、论未来的光机电一体化科学仪器和装置 1 前言 60 年代半导体激光器的问世，和 70 年代低损耗光纤的开发为转机，光电产品和光机电一体化仪器得到飞速发展。特别是日本。在 80 年代初就提出。2l 世纪将是光技术的世纪。在 l98O 年成立了日本光产业技术振兴协会（OITDA）。1987 年 1 月将光学技术通信杂志改为光技术通信 杂志 9o 年代出版光电子学（Optronics）杂志。据统计日本光电产业 1981 年产值为 1 600 亿日元，到 1993 年飞速扩大到 37 850 亿日元。增加了 24 倍。这是一个朝气蓬勃的高科技领域 美国认为。光电技术是掌握将来信息时代的关键。机电一体化

2、仪表（mechatronics）是精密仪器中采用了电子技术，使仪器性能大大提高，效率、附加值大为提高。光机电一体化仪器（Optomechatronics）是光学、机械、电子三个领域的融合-使仪器的性能更加提高。随着激光、光纤、微电子、计算机、高分子化学、软件等技术的发展，光机电一体化仪器将层出不穷。制造光机电一体化仪器的企业，将不局限于原来的光学行业。而扩大到其他各行各业。我们对于任何产品都可分为开发、摇篮。长成、成熟四个阶段。现将国内外许多公司竟将开发的。处于开发期的一些光机电一体化的现代科学仪器等领域的仪器和装置简单介绍如下。2 现代科学仪器和装置 原子力显散镜（AFM）现代科学仪器 19

3、96 3 如果原子之问接近到 Inm（纳米）时，那么范蒋瓦尔斯力和静电力等将起作用 这时在金箔制成的悬臂的前端安装上金刚石。在样品表面上扫描，可测出悬臂的挠度。来求出表面的形状。可做成显微镜。这在晶体的观察、摩擦研究等领域将产生威力 x 线显徽镜因为显微镜的最小分辨距离，随着波长的缩短而减少的也就是波长缩短，显微镜的分辨率将增大。如果用短波长的 x 线作为光源，来做显微镜的话。那么光学显微镜的分辨率将提高 10 倍左右 如果一般显微镜为 l 500 倍，那么可以高达l 万 5 干倍 在这种 x 线显傲镜中有利用波带板和反射镜的成象型 x 线显微镜和在试样上。用 x 线的斑点扫描的 x 线扫描显

4、微镜 半导体工艺应用加工装置随着信息通信仪器和家电产品的小型化。机构也要求小型化。在半导体工艺应用加工装置中，要应用蚀刻和平印技术。在微型机械加工和微细图案高精度加工装置中应用光机电一体化产品就成了可能。这种一体化装置弓 1 人注目。光电平印装置集成电路图样晒舨时，作为光源采用受激准分子激光器。在掩模基板上相位移动 180。后利用光振幅干涉。互相抵消产生零的部分，可以转印出高对比的图案 光化学气相沉积（CVD）装置这是用紫外线和激光照射时，在原料气体中，产生游离。在低温下形成薄膜的装置。现在是在研究中，将会早期实用化。三维显示利用全息技术的动态图象的三维显示，令人注目 特别是利甩这种技术的全息

5、电影和全息电视的展开有很大希望 平视显示器飞机的领航员和汽车驾驶员前进中，如实观察前方时。还要能读取各种仪器的显示 这是利用全息图的特殊分束装置 今后也许会在汽车上得到应用 3 计量仪器和传感器 在这个领域有四个方面 1 人注目，那就是波导型传感器、纳米级计量及控制、半导体激光计量、在线加工计量。波导型传感器目前国际上光纤传感器在温度、压力、振动、变位等许多计量传感器中已经进行了实用化研究 作为将来的技术，在基底上形成的波导元件的研究弓 f 人注且。波导元件分成两类，一类是在基板的厚度方向上封人光的平板型波导，另一类是在基板的横向封人光的淘漕型波导 在平板型波导元件中。可以内含有光栅、透镜、可

6、以应用于集成型拾光器、光谱仪和检偏镜。淘漕型波导中由于光在纵、横两个方向封人，波面信息消失。这种沟漕型波导可用于不需要波面信息的多普勒速度计、激光扫描微分干涉显微镜等。纳米级计在纳米级计量中，有平印线宽测定中位置重合精度为 4rim 的光外差检出系统以及用原子 R 度为基准的晶格（即硅的完美的晶体）切出的三块平行晶板制成的 x 线干涉仪。可以进行级（1=纳米或=10。米）的超高精度的横向变位测定。3 3 半导体激光计量在半导体激光计量中，有相位移干涉仪和频率调制干涉仪等=所谓相位移干涉仪是在双光束干涉的 2 个光束之间。可 切换成 3 个等级，产生柑位差来测定光的强度，通过计算求出相位，达到高

7、精度化。所谓频率诵制干涉仪，就是调制半导体激光器的频率，达到高精度测量的干涉仪。还有，把干涉条纹的光强度反馈给半导体激光器的注入电流，使相位差锁定的相位锁定干涉仪可以用于光纤温度传感器。此外，半导体激光器的共振腔与外部的反射镜和散射体构造复合共振器后，半导体激光器的输出会发生变化。这是众所周知的。利用这种现象的自耦合干涉仪，可以成为简便的变位传感器。3 4 在线加工计量在线加工计量中，是在加工中测定各种误差。为了控制工作台。达到高精度。为此。光触针式微小变位计，用于机上形状计量的嫂带板干涉仪，利用散射光的表面粗糙度在线加工计量仪等令人注目。4 光电信息装置在信息领域研究动向 有四个方面引人注意

8、：一是显示，二是信息处理，三是光存储，四是图象处理 显示我们来看一下显示领域。双眼立体视觉，是利用左右双眼分别观察有视差，观察图象时有立体感的方法 而在微透镜顿方式中。利用多个半园锥状的园柱小透镜排列在板上。在各自的焦面上，有左右税差的图象呈条状排列 这种立体观察方法，已被了解。对这种原理，用于显示的研究意义深远；这种装置有排列微透镜板的 8 眼式维电视装置和在 CRT 投影电视中，用 110 英寸反射型微透镜屏的 9 眼式三维电视等。其他的研究有：高分辩率电视用的大型壁挂全息电视显示等，引入注目，4 2 信息处理光计算机中，同电气布线相比较，由于光的频率高。所以可以高速传递信息。而且利用多重

9、波长。信息二维并列传送等，有太的信息传递能力。作为计算机的前处理技术还有模拟光演算-并列数字光演算 但是与这些研究相比，还不如研究有并列信息处理、学习、自组织化机能的光神经网络。但是。光神经网络现在还处于初期试验系统的开发阶段，离开实用系统的开发还有相当距离。作为光布线技术-有光问联接的研究。对于光间联接。有透过型器件多层组合的光传播方法和在平板中反射的光传播方法分别有几种连接方法 由于光可以并列处理，并且没有必要阻抗匹配-和投有必要布线回路，所以可以进行高速信号调制等这些优秀的特点，超过了以前的电气布线的极限，可以实现高速处理系统，还有，随着老龄化社会的到来 健康诊断技术日益重要。从生理学、

10、生化学角度出发，可以进行体内测量的正电子 CT 技术，高分辨率、高对比的扫描激光显微镜，面发光激光器（VCSEL）等引人注目。光存储过去一向是以磁盘起着中心作用，但是后来光盘的出现，而且最近，可擦可录的光磁盘已实用。现在正进行高密度化，高速存取，高速数据传送等研究。图象形成和理解随着超精密加工和微细加工技术的进展。正在进行软 x 线领域使用的新光学器件的研究=重元素（钒、钛）与轻元素（铍、炭等）交替重叠得到高反射率多层膜反射镜的研究，实现校正大气起伏的高分辨率天体望远镜的适应光学和有临场感的人工现实感技术的研究，机器人视觉的研究等等 5 结束语 以上简单介绍了一些未来的光机电一体化科学仪器的装置。这仅仅是一部分 它们尽管初露苗头，但有着无限的生命力 这些仪器装置，将在 21 世纪广泛使用。我们应跟踪世界先进水平，为缩短与国外差距作出积极的努力。最近，美国的 OIDA（光电产业开发协会）报导，美国在光电产业上明显落后于日本。为了加强竞争力，建议政府在四大领域加以支持 那就是：光显示、光通信、光记录、光输入输出设备 我们是发展中国家，底子较薄，但是我们应该利用改革开放的大好机会，贯彻 科教兴国。科学技术是第一生产力 的方针，将我们的光电事业更上一个台阶。