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1、浅谈光机电一体化的三维显示技术学士学位论文浅谈光机电一体化的三维显示技术学生专业班级 电1152 学生姓名（学号） 秦腾腾（03） 授 课 教 师 李敏 完 成 时 间 2015年 3月 12 日 2015年 3 月 12 日摘 要光机电一体化仪器是光学、机械、电子三个领域的结合，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，将扩大到其他各行各业，不局限于原来的光学行业。关键字：光机电一体化、仪器、发展方向目 录一、前言1二、概念2三、光机电一体化的特点3 3.1多层次，覆盖面广 3.2结构简化，方

2、便操作 3.3 精度提高，功能增加 3.4 高可靠性，高稳定性和高使用寿命 3.5 开发上的知识密集性 3.6 综合性与系统性四、光机电一体化技术6 4.1机械技术 4.2计算机与信息技术 4.3 系统技术 4.4 自动控制技术 4.5 传感检测技术 4.6 伺服传动技术五、现代科学仪器和装置85.1光电平印装置5.2三维显示5.3平视显示器六、计量仪器和传感器96.1 波导型传感器6.2 纳米级计量及控制6.3 半导体激光计量6.4 在线加工计量七、发展方向107.1 数字化7.2 智能化7.3 网络化7.4 人性化7.5 微型化7.6 模块化八、光电信息装置在信息领域研究动向138.1 显

3、示8.2 信息处理8.3 光存储8.4 图像处理九、光电显示技术15 9.1 阴极射线管 9.2 液晶显示 9.3 等离子体显示 9.4 电致发光十、结言18一、前言光机电一体化技术是由机械技术与激光微电子等技术揉合融汇在一起的新兴技术。它与传统的机械产品比较，有很大的不同。光机电一体化是一门跨学科的边缘科学，它是激光技术、微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合性高技术。 其各个组成部分如机械技术、微电子技术、自动控制技术、信息技术、传感技术、电力电子技术、接口技术、模拟量与数字量交换技术以及软件技术等在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的要求，这就需要取长补短，不断向理想

4、化方向发展。开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生巨大变化。产品一旦实现光机电一体化，便具有很高的功能水平和附加价值，将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益，从而造福于人民，有利于国家。二、概念光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、 控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微 电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品，具有丰富的功能和很高附加值；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现、使

5、用和发展的 技术。光机电一体化技术是由光学、光电子学、电子信息和机械制造及其他相关技术交叉与融合构成的综合性高新技术，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它丰富和拓宽了光机电一体化技术的内涵和外延。三、光机电一体化的特点3.1 多层次，覆盖面广光机电一体化是一个总的技术指导思想，它不仅体现在一些机电一体化的单机产品之中，而且贯穿于工程系统设计之中。从简单的单台光机电一体化产品，到现代工业中的柔性加工系统；从简单的单参数显示，到复杂的多参数、多级控制；从机械零部件 连续自动热处理生产线，到各种现代高速重型机械自动化生产线等，光机电一体化技术都有不同层次、覆盖面很广的应用领域。对于工程系统，需

6、成套地进行开发和 制造。对于光机电一体化单机产品(设备)，应采用简繁并举、高低级并存的多层次发展途径。可发展功能附加型的低级产品；也可发展功能替代型的中级产品；还 可发展机电融合型的高级产品，成为前所未有的新一代产品。3.2 结构简单方便操作光机电一体化技术可为过去依靠机械传动链连接的各个相关动作部分，改为多台电机独立驱动，或使用电力电子器件，或使用电子电控装置进行相关动作控制来实现。因此，机械结构大大简化，甚至使有些机械结构脱胎换骨，产生了质的变化。光机电一体化技术使得操作人员摆脱了以往必须按规定操作程序或节拍频繁紧张地进行单调重复操作的工作方 式，能以灵活方便地按需控制和改变生产操作程序。

7、任何一台光机电一体化装置或系统各个相关传动机构的动作及功能协调关系，可由预设的程序一步一步地由电子 控制系统指挥，如数控机床、柔性加工系统(FMS)等。有些光机电一体化装置，可实现操作全自动化，如工业机器人、 印制电路板数控高速钻床等。有些更高级的光机电一体化系统，还可通过被控对象的数学模型以及根据任何时刻外界各种参数的变化情况，随机自寻最佳工作程序、 动作程度和快慢以及协调关系，以实现最优化工作及最佳操作，例如微机控制的热连轧机钢板测厚自控系统、电梯群控系统、智能机器人等。3.3 精度提高，功能增加光机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损及配合间隙等所引起的动作误差大大减小，同时由

8、于采用了电子技术，反馈控制水平的提高并能进行高速处 理，可通过电子自动控制系统精确地按预设量使相应机构动作，因各种干扰因素造成的误差，又可通过自控系统自行诊断、校正、补偿去达到靠单纯机械方式所不能 实现的工作精度。因而光机电一体化产品应用领域宽，适用面广，易于满足各种需要。电子技术的引入，使产品面貌发生巨大变化，电子装置能按照人的意图进行自 动控制、自动检测、信息采集及处理、调节、修正、补偿、自诊断、自动保护直至自动记录、显示、打印工作结果。通过改变程序、指令等软件内容而无需改动硬件 部分就可变换产品的功能，使机械控制功能内容的确定和变化趋“软件比”和“智能化”。3.4 高可靠性，高稳定性和高

9、使用寿命传统的机械装置的运动部分，一般都伴随着磨损及运动部件配合间隙所引起的动作误差，而发出由于可动摩擦、撞击、振动等引起的声响(噪声)，这显然影响装置的寿命、稳定性和可靠性。而光机电一体化技术的应用，使装置的可动部件减少，磨损也大为减少，像集成化接近开关甚至无可动部件、无机械磨损。因此，装置的寿命提高，故障率降低，从而提高了产品的可靠性和稳定性。有些光机电一体化产品甚至做到不需维修或者具有自诊断功能。3.5 开发上的知识密集性研制开发光机电一体化产品往往要涉及许多学-科和专业知识，如数学、物理学、化学、声学、机械工程学、电力电子学、 电工学、系统工程学、光学、控制论、信息论和计算机科学等多门

10、学科以及各门类的专业知识。比如，人们很熟悉的静电复印机、彩色印像机等，就是一种由机、 电、光、磁、化学等多种学科和技术复合创新的新型产品。设计这类产品的工程技术人员对自身的知识结构提出更新更高的要求。现代化的技术更需要现代化的人才 来掌握和开发它。需要发挥多种功能的先进设备、必然要赋予它多种知识和智慧。开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生巨大变化。产品一旦实现光机电一体化，便具有很高的功能水平和附加价值，将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益，从而造福于人民，有利于国家。3.6 综合性与系统性光机电一体化是一门

11、跨学科的边缘科学， 它是激光技术、微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合性高技术。这种多种技术的综合及多个部分的组合，使得光机电一体化技术及产品更 具有系统性、完整性和科学性。其各个组成部分如机械技术、微电子技术、自动控制技术、信息技术、传感技术、电力电子技术、接口技术、模拟量与数字量交换技 术以及软件技术等在综合成一个完整的系统中相互配合有严格的要求，这就需要取长补短，不断向理想化方向发展。其结果使原来各种技术扬长避短，更趋于合理。四、光机电一体化技术4.1 机械技术机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实

12、现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。4.2 计算机与信息技术其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。4.3 系统技术系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。4.4 自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计

13、，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。4.5 传感检测技术传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。4.6 伺服传动技术包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。五、现代科学仪器和装置5.1光电平印装置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

14、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2.5 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。5.2 三维显示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电影和全息电视的展开有很大希望。5.3 平视显示器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。六、计量仪器和传感器6.1 波导传感器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

15、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。6.2 纳米级计量及控制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

16、行级（1=0.1纳米或=10 。米）的超高精度的横向变位测定。6.3 半导体激光计量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

17、为简便的变位传感器。6.4 在线加工计量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。七、发展方向7.1 数字化微处理器和微控制器的发展奠定了单机数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化制造铺平了道路，如计算机集成制造。数字化要求光机电一体化产品的软件具有高可靠性和可维护性以及自诊断能力，其人机界面对用户更加友好，易于操作，且用户能根据需要参与改进。数字化的实现便于远程操作、诊断和修复，产品的虚拟设计与制造将大大提高设计

18、制造的效率，节省开发费用。7.2 智能化赋予光机电产品一定的智能，使它具有人的判断推理、逻辑思考、自主决策能力。例如在CNC数控机床上增加了人机对话功能，设置了智能IO通道和智能工艺数据库，给使用、操作和维护带来了极大的方便。人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为光机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。大量的智能化光机电一体化产品不断涌现。现在，“模糊控制”技术已经相当普遍，甚至还出现了“混沌”控制的产品。7.3 网络化由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是光机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能。利用家

19、庭网络连接各种家用电器，行成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里充分享受各种高技术带来的好处。因此，光机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。7.4 人性化光机电一体化产品的最终使用对象是人，如何在其中赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要。光机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，柔和一体，小巧玲珑。使用这些产品，对人来说是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。7.5 微型化微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(MEMS)指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，乃至接口、通信

20、和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Betkeley分校研制出第一个直径为200m的微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了巨大的进展。开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器：微压力传感器、微加速度计、微触觉传感器；各种微构件：微膜、微梁、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等。最近几年来，MEMS正在向光学方面渗透，形成了微光机电系统。7.6 模块化由于光机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的光机电一体化产品单元是一项复杂和有前途的事

21、情。如研制具有集减速、智能调速、电机于一体的动力装置单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及能完成典型操作的装置。利用标准单元迅速开发出新的产品，也可扩大生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和链接。光机电一体化产品模块化的发展促进了新产品的开发，品种不断增多，花样不断翻新，缩短了开发周期。以驱动为核心的驱动模块单元，以伺服为核心的运动控制模块单元，以两根导线把各功能单元连接起来的总线或现场总线等，已形成了标准化的产品。八、光电信息装置在信息领域研究动向8.1 显示双眼立体视觉，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

22、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。8.2 信息处理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

23、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、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。8.3 光存储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

24、速存取，高速数据传送等研究。8.4 图像处理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。九、光机电一体化显示技术9.1 阴极射线管阴极射线管的关键部件是连在荧光屏后部成为一体的电子枪。电子枪发射出一束经过图像信号调制的窄电子流，经过加速、聚焦、偏转后打在荧光屏的荧光粉上使之发光。电子枪以一个相当快的速度发射电子流，同时偏转线圈控制电子束方向，逐行在屏幕上扫过，达到显示图像

25、的目的。CRT显示图像是是不断连续刷新着的，因此此类显示器看上去给眼睛一种“闪烁”的感觉。容易引起眼睛疲劳损坏视力。CRT有黑白和彩色两种，黑白的显像管构造相对简单。图1.为黑白显像管的构造示意图。图1.阴极射线管彩色显像管与黑白显像管的区别是前者有三个电子枪，前端多一个布满微小孔洞的“荫罩”，以及荧光粉是红绿蓝三种原色排列的。彩色显像管显示图像时，三个电子枪发射出三束电子，在同一个荫罩小孔上通过，分别打在三种颜色的荧光粉上，人眼看到的效果会自动把三种色光混合，组成一幅图像。如图2. 图2. 彩色显像原理荫罩的作用就是保证三个电子共同穿过同一个荫罩小孔，以激发荧光粉，使之发出红、绿、蓝三色光。

26、不同形状的荫罩有不同的透光率、对比度、分辨率等参数。制造成本也不同。有一种栅条状的荫罩其透过率达到95%。9.2 液晶显示器液晶显示器的关键物质是液晶材料，此类显示器也因此而得名。液晶材料具有一个特别的特性：当它被加上适当电压时，液晶材料的分子会发生偏转，引起其透射率变化，从而由“遮光”状态变换到“通光”状态，达到显示的目的。如图：图1按照不同的分类方式，液晶显示有多种类型，根据所采用的液晶材料不同而异：分别有扭曲向列型（TN）等多种，并不一一列举。根据显示像素构成不同，液晶显示器分为无源矩阵液晶显示器（PM-LCD）与有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）。较早期的扭曲向列型（TN）液晶显示器与

27、超扭曲向列型（STN）液晶显示器均同属于无源矩阵液晶显示器。新一代的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）等属于有源矩阵液晶显示器。作为STN的换代产品具有响应速度快、不产生闪烁等优点。 AM-LCD与PM-LCD的差别在于前者每象素加有开关器件，可克服交叉干扰，可得到高对比度和高分辨率显示。9.3 等离子显示器等离子显示器是利用两块玻璃基板之间的惰性气体电子放电，产生紫外线激发所涂布的红、绿、蓝荧光粉，呈现各种彩色光点的画面。PDP适合应用于中大型尺寸（约40-70寸）显示器。等离子体显示器具有阴极射线管的优点，但其超薄体积与重量远优越于传统大尺寸CRT电视，在高解析度、不受磁场影响、视角广

28、及主动发光等胜于TFT-LCD的特点，图像具有丰富的层次。缺点是功率大，比较耗电。1.4其他光电显示产品除了LCD、PDP外，还有应用于各种智能家电、汽车仪表、数码电子产品显示屏、投影设备以及电子纸等等多种显示技术。十、结言：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。 开发光机电一体化产品有不同的层次和灵活的自由度。在机械技术中恰当地引入电子技术，产品的面貌和行业的面貌就可以迅速发生巨大变化。产品一旦实现光机电一体化，便具有很高的功能水平和附加价值，将给开发生产者和用户带来巨大的社会经济效益，从而造福于人民，有利于国家。参考文献： 平板显示技术 应根裕等 北京人民邮电出版社，2002 光电显示技术 李文锋 赵亚辉 清华大学出版社，2010