1、光電原理高分子材料系蕭倨南教師98學年度第2學期第1章光電工業概論第1章 光電工業概論1.1 光電科技1.2 光的功用1.3 光電的運作1.4 光電工業1.1 光電科技 1.光電科技：由光而來，以光學和電子學為基礎，而相互結合與應用的科學及技術。1.1 光電科技2.光電名詞:美國 Electro-Optics TechnologyElectro-Optics Technology(光電科技)日本、歐洲 OptoOpto-electronics Technology-electronics Technology(光電子科技)法國 Photonics Technology Photonics Te
2、chnology(光子科技)1.1 光電科技 3.光電學科關係：光學 光電科技 量子光學 光子科技 光電子科技 量子電子學 電子學1.1 光電科技4.光電發展與各項科技關係：縱向 上游：基礎研究 中游：技術開發 下游：工業產品的生產與銷售1.1 光電科技 橫向突破電子及機械的極限 資訊、電訊、機械加工、自動化、能源、材料處理、化工、醫療、國防、家電用品等。1.1 光電科技1.1 光電科技5.光電科技分類：(1)傳統光學 照像機、望遠鏡、光學器材、鏡片等。(2)雷射 (3)光電子 發光二極體、光檢測器、液晶顯示器等。(4)光纖 (5)電子光學 電視影像管、電子顯微鏡等。1.1 光電科技6.光電技
3、術特色：(1)將電磁波的應用從微波的領域經紅外線 伸展到可見光及紫外線區域。(2)能處理空間問題從靜態影像到多媒體 視訊。(3)能處理相位訊息從靜態影像到立體 影像。(4)已進入微小化、積體化及趨向主動化。1.2 光的功用1.電磁波1.2 光的功用1.2 光的功用o電磁波：電磁幅射以波的形式運動，各種電磁波速度在真光、空氣中皆以光速 3x108 m/s。o可見光：人類視網膜對電磁波有反應的區域，其在眼睛引起不同的靈敏度感覺是為顏色，最靈敏的波長在0.56微米。而單頻波稱單色波。o紫外線：太陽為主要來源，和高層大氣的原子相互作用產生離子，在地表90km大氣中形成電離層。1.2 光的功用o紅外線：
4、由分子及熱物體所產生，可用於追縱、搜索、幅射線測定、光譜放射線測定、熱像儀。o微波：由電子儀器產生，或熱物體產生。o無線電波：由振盪電路產生，用為電視機、收音機、行動電話的廣播系統。1.2 光的功用2.光學發展史 (1)啟蒙時期：15世紀末16世紀初。(2)幾何光學時期：藉反射、折射定律之研究，發明望遠鏡、顯微鏡等光學儀器。(3)光波動時期：研究干涉、繞射、偏振等現象，以確認光是電磁波的一種。1.2 光的功用 (4)量子光學時期：確立光的粒子性及波動性，並發現光電效應等光波動性的應用。(5)現代光學時期：1960年成功製成第1台紅寶石雷射，接著光碟機、CD、全像術、光纖陸續問世。20世紀末，光
5、電池、光電感測所須的發光二極體、光電晶體、雷射半導體元件的發展。1.2 光的功用3.光能做什麼 (1)傳遞資訊 光纖通信、影像電話、紅外線傳輸、紅外線監視器、頭配顯示器。(2)量測 光學干涉、光纖感測、偏極光量測、全像 量測、疊紋量測、經緯儀、雷射測距、紅外線 測溫儀、雷射雷達。1.2 光的功用 (3)讀取 光碟機、光電基因晶片、電子式掃描、電視監視器、光學尺。(4)寫 雷射印表機、雷射修阻器。(5)切割、熔接 雷射加工、雷射醫療。1.2 光的功用 (6)傳送 室內外照明、掃描器導光板、LCD背光板、汽車反光板。(7)發電 太陽電池、雷射核融合。(8)瞄準 光學對正、飛彈導引、光電精密機械定位
6、。1.2 光的功用4.光的性質(1)粒子粒子(Particle models)1621:W.Snell(英):折射(Snells Law)1637:R.Descartes(法):折射,反射 1664:P.Fermat觀察 (a)自然界遵行最短距離行為 (b)光速有限 Fermat Principle 為幾何光學基楚礎 1704:I.Newton:鏡,色散現象(Dispersion)1.2 光的功用(2)(2)波動波動(wave theory)(wave theory)1665:F.M.grimaldi:繞射 R.Hooke:干涉 1779:C.Huygens:惠斯第二波前理論 1802:T.Y
7、oung:雙狹縫干涉 1815:A.Fresnel:繞射理論 偏極光反射(Fresnel eq.)橫波(transverse wave)1.2 光的功用(3)(3)量子論量子論：波粒雙重性(particle-wave duality)波動 E=h P=h/波傳播：1.干涉 2.繞射 3.偏振 粒子 =E/h =h/p 與物質互作用：1.光發射 2.光吸收 3.光電效應1.2 光的功用5.光學的研究方向 (1)幾何光學(光學系統設計)：光學儀器 (2)波動光學(物理光學)：繞射(傅氏光學)：光學訊息處理 偏極(晶體光學)：非線性光學 干涉(干涉、疊紋、全像術)：精密 量測儀器1.2 光的功用 (
8、3)量子光學：非線性光學、雷射光譜學、超短脈衝技術 (4)光電子學：雷射檢測、光纖檢測1.3 光電產品類型1.1.光電產業分類光電產業分類 (1)光通訊 光纖通訊及紅外線傳輸。(2)光資訊 光碟機、光碟片、影像掃描器、數位相機、雷射印表機。(3)雷射加工 切割、鑽孔、銲接、電阻修整、雕刻、熱處理、表面披覆。1.3 光電產品類型 (4)光電檢測及控制 光學檢測、雷射檢測、光纖檢測、機器視覺、地球環境監視、光纖陀螺儀、雷射陀螺儀。(5)雷射醫療 外科及眼科手術、臉部斑點去除、內視鏡。(6)光電元件及材料 發光二極體、雷射二極體、檢知器、液晶顯示器、太陽電池。1.3 光電產品類型 (7)光學元件及器
9、材 透鏡、錂鏡、面鏡、塑膠鏡片、照相機、攝影機、光學儀器。(8)微機電 微小光學元件、數位微小鏡片元件、微干涉儀。1.3 光電的運作1.光電元件 (光電材料、磊晶片、發光元件、感光元件、太陽電池等)(1)發光元件：電能轉換光能，適可見光譜、紅外線光的發光二極體、雷射二極體、電漿發光元件。1.3 光電的運作 (2)受光元件：光能轉換電的訊號，適可見光 、紅外線的有機二極體、接觸 式影像感測器、光電晶體、電荷耦合元件、太陽電池等。(3)複合元件：光耦合器、光斷續器等。1.3 光電的運作2.系統 由若干具有一定功能相互關聯元件或模組 組合而成，以完成某一特定需要。如機車引擎系統 元件：汽缸、活塞、電
10、源線、螺絲等 模組：火星塞等。1.3 光電的運作3.光電系統 光源以照射於目標或由目標自行幅射，多個鏡片組成光學系統，光電轉換的檢知器，電子訊號的放大處理及資料傳輸，儲存及分析等。1.3 光電的運作o光電系統方塊圖1.3 光電的運作4.微光機電系統 又稱智慧型系統。利用矽微加工將微小機械結構、電子與光學性質整合在單一半導體晶片。具有獨特能力，開展將光學元件與次系統整合成精緻、價廉的形式潛力。1.3 光電的運作 微系統 集微型機構、微型感測器、微執行器、信號處理、控制電路、控制介面、通訊和電源等。矽微加工技術 矽的強度、硬度、楊式係數同鐵，密度同鋁，熱傳導率同鎢。在一片矽片上同時製造成千個微系統
11、元件或微系統。1.3 光電的運作 微系統特色 矽為主要材料，具優良機械和電氣性質。體積小、重量輕、省電、慣性小、反應快。1.3 光電的運作o微系統的技術領域和學科關係1.4 光電工業1.工業分類(光電科技工業協進會)(1)光電使用性質不同，分為七大領域：a.光電材料與元件 b.光電顯示器 c.光學元件與器材 d.光輸入 e.光儲存 f.光纖通訊 g.雷射及其他光電應用 1.4 光電工業(2)依照產品性質，分為五個項目：a.光資訊包括光碟機、影像掃描器、傳真機、雷射印表機等。b.光電元件包括發光二極體、液晶顯示器、光耦合器等。c.光學器材包括相機、鏡片、投影機、幻燈片、望遠鏡等。d.光纖通訊包括
12、光纖、光傳輸系統之接受器 及連接器等。e.光電應用包括光電檢測與控制、雷射加工與 醫療等。1.4 光電工業2.未來市場發展具有潛力和空間的產品：(1)發光二極體。(2)液晶顯示器：包括TN、STN-LCD及TFT-LCD等。(3)數位相機。(4)光儲存器：a.光碟機：包括CD-ROM型光碟機，CD-RW型光碟機 及DVD光碟機。b.光碟片：包括CD-R光碟片，CD-RW光碟片及 DVD光碟片。1.4 光電工業3.發展性產品產業結構和概況 (1)發光二極體（Light Emitting Diode,LED）：a.可見光LED：（a）下游產業概況：材料：晶粒。產品：燈泡型LED、數字顯示LED、點
13、矩陣顯示LED。（b）中游產業概況：材料：磊晶。產品：晶粒。(c）上游產業概況：材料：As、Ga、In、P。產品：單晶、磊晶片1.4 光電工業 b.紅外光LED：(a）lamps：應用在遙控器與電子零件方面 （b）零組件：可作為光斷續器、光耦合器。（c）數據傳輸模組：應用在電腦周邊跟行動電話。1.4 光電工業(2)液晶顯示器：上游：液晶面版之原料及機器設備 中游：液晶面版製造與模組組裝 下游：液晶面版之應用產品 1.4 光電工業尺寸顏色應用TN扭轉向列型1-3吋單色計算機、手錶、家電遙控器、呼叫器、遊戲機STN超扭轉向列型1-10吋單色、彩色 PDA、掌上型電腦、行動電話TFT薄膜電晶體6吋以
14、上 全彩筆記型電腦、監視器1.4 光電工業 (3)數位相機（Digital Still Camera，DSC）a.數位相機鏡頭：(a)依可否調焦區分：固定鏡頭及可自動對焦鏡頭模。(b)依鏡頭焦距值可否變化區分：單焦點鏡頭(固定值)和變焦鏡頭(範圍值)。（c)依視角可區分：(人類50度)廣角、標準、望遠視角的鏡頭。焦距=CCD對角線(8mm)，是為標準鏡頭。1.4 光電工業 (d)依數位相機光學鏡頭規格(畫素)區分：低階、中階、高階光學鏡頭。b.就影像感測器發展 (a)電荷偶合原件影像感測器(CCD)。Full Frame：感測器全為感光區域，長時間 曝光用。Frame Transfer(FT)：2個陣列方塊區域，曝光區、不透明儲存區。1.4 光電工業 Interline Transfer（IT）：多個直條列 陣列，曝光區、儲存區間隔組成。(b)互補式金屬氧化半導體影像感測器(CMOS)。掃描器、數位相機、pc camera等1.4 光電工業 (4)光儲存媒體(光碟機、光碟片)我國發展迅速，在全球佔一席之地，但產業不完整-上瘦下肥。新一代數位光碟機出現，則我國DVD發展期短、非主導國家、受制於外人。
