論未來(lái)的光機(jī)電一體化科學(xué)儀器和裝置

1、論未來(lái)的光機(jī)電一體化科學(xué)儀器和裝置    1 前言60年代半導(dǎo)體激光器的問(wèn)世，和70年代低損耗光纖的開(kāi)發(fā)為轉(zhuǎn)機(jī)，光電產(chǎn)品和光機(jī)電一體化儀器得到飛速發(fā)展。特別是日本。在80年代初就提出。2l世紀(jì)將是光技術(shù)的世紀(jì)。在l98O年成立了日本光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)（OITDA）。1987年1月將光學(xué)技術(shù)通信雜志改為光技術(shù)通信 雜志 9o年代出版光電子學(xué)（Optronics）雜志。據(jù)統(tǒng)計(jì)日本光電產(chǎn)業(yè)1981年產(chǎn)值為1 600億日元，到1993年飛速擴(kuò)大到37 850億日元。增加了24倍。這是一個(gè)朝氣蓬勃的高科技領(lǐng)域 美國(guó)認(rèn)為。光電技術(shù)是掌握將來(lái)信息時(shí)代的關(guān)鍵。機(jī)電一體化

2、儀表（mechatronics）是精密儀器中采用了電子技術(shù)，使儀器性能大大提高，效率、附加值大為提高。光機(jī)電一體化儀器（Optomechatronics）是光學(xué)、機(jī)械、電子三個(gè)領(lǐng)域的融合-使儀器的性能更加提高。隨著激光、光纖、微電子、計(jì)算機(jī)、高分子化學(xué)、軟件等技術(shù)的發(fā)展，光機(jī)電一體化儀器將層出不窮。制造光機(jī)電一體化儀器的企業(yè)，將不局限于原來(lái)的光學(xué)行業(yè)。而擴(kuò)大到其他各行各業(yè)。我們對(duì)于任何產(chǎn)品都可分為開(kāi)發(fā)、搖籃。長(zhǎng)成、成熟四個(gè)階段?，F(xiàn)將國(guó)內(nèi)外許多公司竟將開(kāi)發(fā)的。處于開(kāi)發(fā)期的一些光機(jī)電一體化的現(xiàn)代科學(xué)儀器等領(lǐng)域的儀器和裝置簡(jiǎn)單介紹如下。2 現(xiàn)代科學(xué)儀器和裝置2.1 原子力顯散鏡（AFM）現(xiàn)代科學(xué)儀器

3、1996 3如果原子之問(wèn)接近到Inm（納米）時(shí)，那么范蔣瓦爾斯力和靜電力等將起作用 這時(shí)在金箔制成的懸臂的前端安裝上金剛石。在樣品表面上掃描，可測(cè)出懸臂的撓度。來(lái)求出表面的形狀?？勺龀娠@微鏡。這在晶體的觀察、摩擦研究等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生威力2.2 x線(xiàn)顯徽鏡因?yàn)轱@微鏡的最小分辨距離，隨著波長(zhǎng)的縮短而減少的也就是波長(zhǎng)縮短，顯微鏡的分辨率將增大。如果用短波長(zhǎng)的x線(xiàn)作為光源，來(lái)做顯微鏡的話(huà)。那么光學(xué)顯微鏡的分辨率將提高10倍左右 如果一般顯微鏡為l 500倍，那么可以高達(dá)l萬(wàn)5干倍 在這種x線(xiàn)顯傲鏡中有利用波帶板和反射鏡的成象型x線(xiàn)顯微鏡和在試樣上。用x線(xiàn)的斑點(diǎn)掃描的x線(xiàn)掃描顯微鏡2.3 半導(dǎo)體工藝應(yīng)用加工

4、裝置隨著信息通信儀器和家電產(chǎn)品的小型化。機(jī)構(gòu)也要求小型化。在半導(dǎo)體工藝應(yīng)用加工裝置中，要應(yīng)用蝕刻和平印技術(shù)。在微型機(jī)械加工和微細(xì)圖案高精度加工裝置中應(yīng)用光機(jī)電一體化產(chǎn)品就成了可能。這種一體化裝置弓1人注目。2.4 光電平印裝置集成電路圖樣曬舨時(shí)，作為光源采用受激準(zhǔn)分子激光器。在掩?；迳舷辔灰苿?dòng)180。后利用光振幅干涉?；ハ嗟窒a(chǎn)生零的部分，可以轉(zhuǎn)印出高對(duì)比的圖案2.5 光化學(xué)氣相沉積（CVD）裝置這是用紫外線(xiàn)和激光照射時(shí)，在原料氣體中，產(chǎn)生游離。在低溫下形成薄膜的裝置。現(xiàn)在是在研究中，將會(huì)早期實(shí)用化。2.6 三維顯示利用全息技術(shù)的動(dòng)態(tài)圖象的三維顯示，令人注目 特別是利甩這種技術(shù)的全息電影和全

5、息電視的展開(kāi)有很大希望2.7 平視顯示器飛機(jī)的領(lǐng)航員和汽車(chē)駕駛員前進(jìn)中，如實(shí)觀察前方時(shí)。還要能讀取各種儀器的顯示 這是利用全息圖的特殊分束裝置 今后也許會(huì)在汽車(chē)上得到應(yīng)用3 計(jì)量?jī)x器和傳感器在這個(gè)領(lǐng)域有四個(gè)方面 1人注目，那就是波導(dǎo)型傳感器、納米級(jí)計(jì)量及控制、半導(dǎo)體激光計(jì)量、在線(xiàn)加工計(jì)量。3.1 波導(dǎo)型傳感器目前國(guó)際上光纖傳感器在溫度、壓力、振動(dòng)、變位等許多計(jì)量傳感器中已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)用化研究 作為將來(lái)的技術(shù)，在基底上形成的波導(dǎo)元件的研究弓f人注且。波導(dǎo)元件分成兩類(lèi)，一類(lèi)是在基板的厚度方向上封人光的平板型波導(dǎo)，另一類(lèi)是在基板的橫向封人光的淘漕型波導(dǎo) 在平板型波導(dǎo)元件中?？梢?xún)?nèi)含有光柵、透鏡、可以應(yīng)

6、用于集成型拾光器、光譜儀和檢偏鏡。淘漕型波導(dǎo)中由于光在縱、橫兩個(gè)方向封人，波面信息消失。這種溝漕型波導(dǎo)可用于不需要波面信息的多普勒速度計(jì)、激光掃描微分干涉顯微鏡等。3.2 納米級(jí)計(jì)在納米級(jí)計(jì)量中，有平印線(xiàn)寬測(cè)定中位置重合精度為4rim的光外差檢出系統(tǒng)以及用原子R度為基準(zhǔn)的晶格（即硅的完美的晶體）切出的三塊平行晶板制成的x線(xiàn)干涉儀?？梢赃M(jìn)行級(jí)（1=0.1納米或=10 。米）的超高精度的橫向變位測(cè)定。3 3 半導(dǎo)體激光計(jì)量在半導(dǎo)體激光計(jì)量中，有相位移干涉儀和頻率調(diào)制干涉儀等=所謂相位移干涉儀是在雙光束干涉的2個(gè)光束之間?？?切換成3個(gè)等級(jí)，產(chǎn)生柑位差來(lái)測(cè)定光的強(qiáng)度，通過(guò)計(jì)算求出相位，達(dá)到高精度化。

7、所謂頻率誦制干涉儀，就是調(diào)制半導(dǎo)體激光器的頻率，達(dá)到高精度測(cè)量的干涉儀。還有，把干涉條紋的光強(qiáng)度反饋給半導(dǎo)體激光器的注入電流，使相位差鎖定的相位鎖定干涉儀可以用于光纖溫度傳感器。此外，半導(dǎo)體激光器的共振腔與外部的反射鏡和散射體構(gòu)造復(fù)合共振器后，半導(dǎo)體激光器的輸出會(huì)發(fā)生變化。這是眾所周知的。利用這種現(xiàn)象的自耦合干涉儀，可以成為簡(jiǎn)便的變位傳感器。3 4 在線(xiàn)加工計(jì)量在線(xiàn)加工計(jì)量中，是在加工中測(cè)定各種誤差。為了控制工作臺(tái)。達(dá)到高精度。為此。光觸針式微小變位計(jì)，用于機(jī)上形狀計(jì)量的嫂帶板干涉儀，利用散射光的表面粗糙度在線(xiàn)加工計(jì)量?jī)x等令人注目。4 光電信息裝置在信息領(lǐng)域研究動(dòng)向有四個(gè)方面引人注意：一是顯示

8、，二是信息處理，三是光存儲(chǔ)，四是圖象處理4.1 顯示我們來(lái)看一下顯示領(lǐng)域。雙眼立體視覺(jué)，是利用左右雙眼分別觀察有視差，觀察圖象時(shí)有立體感的方法 而在微透鏡頓方式中。利用多個(gè)半園錐狀的園柱小透鏡排列在板上。在各自的焦面上，有左右稅差的圖象呈條狀排列 這種立體觀察方法，已被了解。對(duì)這種原理，用于顯示的研究意義深遠(yuǎn)；這種裝置有排列微透鏡板的8眼式維電視裝置和在CRT投影電視中，用110英寸反射型微透鏡屏的9眼式三維電視等。其他的研究有：高分辯率電視用的大型壁掛全息電視顯示等，引入注目，4 2 信息處理光計(jì)算機(jī)中，同電氣布線(xiàn)相比較，由于光的頻率高。所以可以高速傳遞信息。而且利用多重波長(zhǎng)。信息二維并列傳送等，有太的信息傳遞能力。作為計(jì)算機(jī)的前處理技術(shù)還有模擬光演算-并列數(shù)字光演算 但是與這些研究相比，還不如研究有并列信息處理、學(xué)習(xí)、自組織化機(jī)能的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是。光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在還處于初期試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)階段，離開(kāi)實(shí)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還有相當(dāng)距離。作為光布線(xiàn)技術(shù)-有光問(wèn)聯(lián)接的研究。對(duì)于光間聯(lián)接。有透過(guò)型器件多層組合的光傳播方法和在平板中反射的光傳播方法分別有幾種連接方法 由于光可以并列處理，并且沒(méi)有必要阻抗匹配-和投有必要布線(xiàn)回路，所以可以進(jìn)行高速信號(hào)調(diào)制等這些優(yōu)秀的特點(diǎn)，超過(guò)了以前的電氣布線(xiàn)的極限，可以實(shí)現(xiàn)高速處理系統(tǒng)，還有，隨著老齡化社會(huì)的到來(lái) 健康診斷技術(shù)日益重要。從生理學(xué)、生化學(xué)角度出發(fā)