Московский государственный университет печати

Вартанян С.П.


         

Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии

Учебное пособие


Вартанян С.П.
Оптоэлектронные приборы и устройства в полиграфии
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

1.

Введение

1.1.

Историческая справка

1.2.

Взаимодействие фотонов и электронов

1.3.

Оптический диапазон

1.4.

Основные единицы измерения

2.

Элементная база оптоэлектронных приборов и устройств

2.1.

Оптоэлектронные приемники излучения

2.1.1.

Фоторезисторы

2.1.2.

Фотодиоды

2.1.3.

Фотоэлементы

2.1.4.

Фототранзисторы

2.1.5.

Фототиристоры

2.1.6.

Фотоэлектронные умножители

2.1.7.

Видиконы

2.1.8.

Сканисторы

2.1.9.

Фотодиодные линейки и матрицы

2.1.10.

Приборы с зарядовой связью

2.2.

Оптоэлектронные источники излучения

2.2.1.

Излучающие диоды

2.2.2.

Лазеры

2.2.3.

Источники свечения

2.3.

Оптические среды и эффекты в них

2.3.1.

Световоды

2.3.2.

Оптически активные среды

2.3.3.

Эффекты отклонения луча в оптических средах

2.3.4.

Жидкие кристаллы

2.3.5.

Среды, различающие цвет

3.

Типовые оптоэлектронные приборы и устройства

3.1.

Оптопары и оптроны

3.1.1.

Резисторные оптопары

3.1.2.

Диодные оптопары

3.1.3.

Транзисторные оптопары

3.1.4.

Тиристорные оптопары

3.2.

Преобразователи линейных и угловых перемещений

3.2.1.

Преобразователи линейных перемещений

3.2.2.

Преобразователи угловых перемещений

3.3.

Волоконно-оптические световоды, кабели, линии связи

3.4.

Приборы и устройства хранения информации

3.4.1.

Оптические диски с постоянной сигналограммой

3.4.2.

Оптические диски однократной записи

3.4.3.

Реверсивные оптические диски

3.5.

Индикаторы, экраны, дисплеи

3.5.1.

Индикаторы

3.5.2.

Экраны и дисплеи

4.

Оптоэлектронные компоненты издательской и полиграфической техники

4.1.

Оптоэлектронные компоненты вводных устройств

4.1.1.

Барабанные сканеры

4.1.2.

Планшетные сканеры

4.1.3.

Слайд-сканеры

4.1.4.

Листовые сканеры

4.1.5.

Ручные сканеры

4.1.6.

Устройства ручного ввода

4.1.7.

Модемы

4.1.8.

Цифровые камеры

4.1.9.

Оптические диски

4.2.

Оптоэлектронные компоненты выводных устройств

4.2.1.

Вывод на цифровую печать (computer-to-print)

4.2.2.

Вывод на фотопленку (computer-to-film)

4.2.3.

Вывод на печатную форму (computer-to-plate)

4.3.

Оптоэлектронные компоненты систем контроля и управления

4.3.1.

Системы лабораторного контроля

4.3.2.

Системы выборочного производственного контроля

4.3.3.

Системы машинного контроля

4.3.4.

Системы регулирования и управления

Заключение

Литература

Термины и определения

Глоссарий

Указатели
66   именной указатель
426   предметный указатель
94   указатель иллюстраций
47   указатель компаний
Рис. 1.1. Схема устройства по патенту, выданного фирме Bain Electric Company (США) в 1883 году Рис. 1.2. Схема энергетических зон для различных материалов Рис. 1.3. Оптический диапазон спектра элетромагнитный колебаний

Оптоэлектроника Оптоэлектроника - раздел электроники, охватывающий эффекты взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и методы создания приборов и устройств, использующих эти эффекты для получения, преобразования, передачи, хранения и отображения информации (формулировки основных терминов и понятий по оптоэлектронике, приведенные в литературных источниках, далее см. в разд. «Термины и определения»).

Как самостоятельный раздел науки и техники оптоэлектроника начала формироваться в 60-х годах XX века, когда появились первые лазеры и излучающие диоды - приборы, в достаточной мере связанные как с электроникой, так и с оптикой, но обладающие уникальными техническими характеристиками, отличными от параметров других излучателей. Очевидно, что к этой пограничной области правомерно было отнести и большинство уже известных фотоприемников - Фотосопротивлениефотосопротивлений, Фотодиодфотодиодов, Фотоэлементфотоэлементов и т.д. В последующее десятилетие были созданы первые образцы новых приборов оптоэлектроники, таких, как Индикатор жидкокристаллическийжидкокристаллические индикаторы (1966-1968); основной тип многоэлементного фотоприемника - прибор с зарядовой связью (1969); оптические запоминающие устройства (1966-1967). Идея создания Светопровод волоконно-оптическийволоконно-оптических светопроводов возникла в 1966 г., а ее практическая реализация началась с 1970 г. К этому же времени относится зарождение технологий микроминиатюризации элементов и устройств оптоэлектроники, положивших начало Оптика интегральнаяинтегральной оптике.

Все новое зарождается в недрах старого, и в этом смысле оптоэлектроника не является исключением. Ее истоки можно найти в исследованиях нидерландского ученого Гюйгенс Х.Христиана Гюйгенса (Huygens) (1629-1695), опубликовавшего в 1690 г. работу по волновой теории света; в фундаментальном труде «Оптика» (1704) всемирно известного английского ученого Ньютон И.Исаака Ньютона (Newton) (1643-1727), открывшего дисперсию света, развивавшего корпускулярную теорию света, высказавшего гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления о свете, определившего состав белого света на основе разложения с помощью призмы солнечного луча на свет спектральных цветов; в трудах первого русского ученого-естествоиспытателя мирового значения Ломоносов М.В.Михаила Васильевича Ломоносова (1711-1765), выдвинувшего учение о цвете, создавшего ряд оптических приборов; в работах одного из первых русских электротехников Петров В.В.Василия Владимировича Петрова (1761-1834), открывшего электрическую дугу (1802), исследовавшего электропроводность веществ, люминесценцию; в исследованиях французского физика Малюс Э.Л.Этьена Луи Малюса (Malus) (1775-1812), открывшего поляризацию света и установившего зависимость (закон Малюса) интенсивности линейно поляризованного света, проходящего через анализатор, от угла между плоскостями поляризации света и прибора (1810).

Основные физические эффекты, используемые в оптоэлектронике, были открыты во второй половине XIX - начале XX века. Создатель учения об электромагнитном поле, английский физик Фарадей М.Майкл Фарадей (Faraday) (1791-1867) раскрыл связи между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом; открыл эффект вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Идею электромагнитной природы света выдвинул английский физик Максвелл Д.К.Джеймс Клерк Максвелл (Maxwell) (1831-1879), а немецкий физик Герц Г.Р.Генрих Рудольф Герц (Hertz) (1857-1894) подтвердил экспериментально тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн, открыл внешний фотоэффект (1887).

Несколько раньше (1873) внутренний фотоэффект (а точнее фотопроводимость) в веществах открыл Смит У.У. Смит. Изобретатель телефона (1875) профессор Бостонского университета (США) Белл А.Александр Белл (Bell) (1847-1922) в 1880 г. предложил, по-видимому, первый оптоэлектронный аппарат - Фотофонфотофон, прибор для передачи на расстояние звуков с помощью света, основанный на свойстве фотопроводимости селена, которая изменялась под действием световых лучей, отражаемых вибрирующим от звука зеркалом (первый «акустооптический» модулятор?).

Открытие фотопроводимости послужило толчком и для, возможно, первого предложения оптоэлектронного прибора для полиграфии. В 1883 г. фирма Bain Electric CompanyBain Electric Company (Чикаго, США) получила патент на аппарат, который, выражаясь современными терминами, можно назвать первым оптоэлектронным планшетным сканером-плейтсеттером ссылка на источники литературы: в предложенном устройстве оригинал сканировался световым лучом (рис. 1.1),Рис. 1.1. Схема устройства по патенту, выданного фирме Bain Electric Company (США) в 1883 году преобразуемым с помощью селенового фотоэлемента в электрический сигнал управления электромагнитным механизмом, воздействующим на резец для гравирования печатных форм. Много позже (в 1950-х годах) эта идея нашла реализацию в отечественных электронно-гравировальных аппаратах (ЭГА), выпускавшихся в различных модификациях вплоть до последних лет.

Основатель физической лаборатории Московского университета Столетов А.Г.Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) создал (1886) экспериментальный образец вакуумного фотоэлемента, открыл (1888) первый закон фотоэффекта (закон Столетова), установивший связь между световым потоком и фототоком приемника излучения. В том же 1888 г. австрийским ученым-ботаником Рейницер Ф.Ф. Рейницером было обнаружено жидкокристаллическое состояние в некоторых органических веществах (как было сказано выше, активное использование жидких кристаллов началось лишь через 80 лет). Возможность распространения света по криволинейной траектории благодаря эффекту полного внутреннего отражения была продемонстрирована еще в 1870 г. английским физиком Тиндаль Дж.Джоном Тиндалем (Tyndall) (1820-1893), но лишь через столетие этот эффект начал активно использоваться в волоконных световодах. Еще один физический феномен - Пьезоэффектпьезоэффект, широко используемый сейчас в оптоэлектронике (а также во многих других отраслях науки и техники), был открыт в 1880 г. будущим нобелевским лауреатом (1903) французским физиком Кюри П.Пьером Кюри (Curie) (1859-1906).

Немецкий физик Планк М.Макс Планк (Planck) (1858-1947), также удостоенный впоследствии Нобелевской премии (1918), основоположник квантовой теории, ввел в 1900 г. понятие кванта действия (постоянная Планка, связывающая частоту излучения с его энергией). Всемирно известный физик Эйнштейн А.Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879-1955) ввел в 1905 г. понятие Фотонфотона, установил законы фотоэффекта, за что был удостоен Нобелевской премии (1921). В 1917 г. Эйнштейн сделал важное открытие. Теоретически рассматривая электронные переходы в атомах при генерации света, он установил, что возможен процесс вынужденного (индуцированного) излучения, т.е. усиленной генерации света активной средой. Нашими соотечественниками Прохоров А.Н.А.Н. Прохоровым и Басов Н.Г.Н.Г. Басовым (и независимо от них в США Таунс Ч.Х.Ч. Таунсом, Гордон Дж.Дж. Гордоном и Цайгер Х.Х. Цайгером) этот процесс был реализован в 1954 г. в изобретенном ими молекулярном генераторе (мазере), работавшем в радиочастотном диапазоне (на длине волны 1,24 см). За это открытие Таунс Ч.Х.Чарльз Хард Таунс (Townes), Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов были удостоены Нобелевской премии (1964).

Появление лазеров послужило толчком к развитию Голография голографии - способу записи световых потоков когерентного излучения, несущих информацию не только в амплитуде и частоте световых волн, но и в фазе колебаний. Первые лазерные голограммы были получены уже в 1961 г., а сам принцип был изобретен еще в 1947 г. ученым венгерского происхождения (работал в Германии, Великобритании, США) Габор Д.Деннисом (Денешем) Габором (Gabor) (1900-1979), награжденным Нобелевской премией по физике (1971) за изобретение и развитие голографии.

Зарождению оптоэлектроники способствовали достижения и в области исследования свойств полупроводниковых материалов. Возникновение двойного лучепреломления в несимметричных кристаллах, помещенных в постоянное электрическое поле («эффект Поккельса», используемый в оптоэлектронных приборах), было открыто (1894) немецким физиком Поккельс Ф.С.Ф.С. Поккельсом (Pockels). Наш соотечественник радиофизик Лосев О.В.Олег Владимирович Лосев (1903-1942) создал полупроводниковый приемник - Кристадинкристадин (1922), открыл ряд явлений в кристаллических полупроводниках («свечение Лосева» и др.). Американские физики Бардин Дж.Джон Бардин (Bardeen) и Браттейн У.Уолтер Браттейн (Brattain) открыли транзисторный эффект и создали первый Транзистортранзистор (1948), а Шокли У.Уильям Шокли (Schockley) в 1949 г. разработал теорию электронно-дырочного перехода (играющего важную роль во многих оптоэлектронных преобразованиях). За эти достижения Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоены Нобелевской премии (1956). Следует отметить, что Нобелевские премии присуждаются за выдающиеся научные результаты мирового значения, и то, что эти достижения активно используются оптоэлектроникой, свидетельствует о ее значимости и солидной научной основе.

Согласно теории строения атомов (от греч. atomos - неделимый, так как Атом атом является мельчайшей частицей химического вещества, сохраняющего его свойства) в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся его масса, а вокруг ядра вращаются Электронэлектроны, образующие электронные оболочки. Число электронов в атоме зависит от массы и заряда ядра. От числа электронов зависит количество электронных оболочек атома. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь положительно или отрицательно заряженными Ионионами. Основные взаимодействия атома с окружающей средой осуществляются электронами внешней оболочки. Эти электроны могут поглощать или отдавать определенные порции энергии, переходя при этом на различные уровни (различные расстояния до атомного ядра) внешних оболочек. Поскольку нахождение электрона на том или ином уровне определяется его энергией, принято говорить о нормальном или возбужденном состоянии электронов внешней оболочки, а следовательно, и о таком же состоянии их атомов.

Возбуждение атомов может быть вызвано действием тепла, света, электрического поля. Мельчайшие частицы - носители свойств какого-либо физического поля - называют Квант квантами (от нем. quant, уменьшительного от лат. quantum - сколько; минимальное количество, на которое может изменяться дискретная величина). Фотон Фотон (от греч. photos - свет) является квантом поля электромагнитного излучения оптического диапазона.

Поглотив энергию фотона, электрон возбуждается, переходит на более высокий энергетический уровень. Теряя энергию, электрон как бы успокаивается, приходит в нормальное состояние. Но, согласно Теория квантоваяквантовой теории, терять (как и приобретать) энергию электроны могут только дискретными порциями, квантами. Поэтому переход электрона в нормальное состояние сопровождается выделением кванта - фотона.

Фотоэффект Фотоэффектом называют перераспределение электронов по энергетическим состояниям вследствие поглощения веществом фотонов. Фотоэффект наблюдается как в газах, так и в конденсированных средах. В результате поглощения фотона электрон получает дополнительную энергию. Если приобретенная электроном энергия превышает энергию ионизации атома (молекулы) в газах или работу выхода электронов в конденсированных средах, то возможна эмиссия электронов в вакуум или другую среду. Такой фотоэффект называется Фотоэффект внешний внешним, или Эмиссия фотоэлектронная фотоэлектронной эмиссией (для конденсированных сред), или Фотоионизация фотоионизацией (для газов). В полупроводниках фотоэффект проявляется в изменении электропроводности (появлении фотопроводности) или возникновении Фотоэдсфотоэдс. Такой фотоэффект называют Фотоэффект внутренний внутренним.

Действие большинства оптоэлектронных приборов основано на эффектах взаимодействия фотонов и электронов, на фотоэффектах. При этом во многих случаях в качестве основных оптоэлектронных элементов используются Полупроводникполупроводники. Как известно, полупроводники по электропроводности занимают место между Проводникпроводниками и Диэлектрикдиэлектриками. Различие в электропроводности этих материалов физически объясняется следующим обстоятельством.

Для того чтобы стать электропроводным, вещество должно обладать множеством свободных, не связанных с атомами электронов, приведенных в возбужденное состояние. Энергетические уровни нормального состояния электрона называют валентной зоной, а уровни, на которых могут находиться возбужденные электроны, - зоной проводимости. У проводников эти две зоны могут соприкасаться или даже налагаться одна на другую, тогда как у диэлектриков и полупроводников между этими зонами находится так называемая запрещенная зона (рис. 1.2Рис. 1.2. Схема энергетических зон для различных материалов), обусловленная дискретностью энергетического квантового перехода электронов. У различных веществ энергия, необходимая для преодоления электронами запрещенной зоны, различна.

Чем легче электроны вещества приходят в возбужденное состояние, тем меньше для этого требуется энергии. Электроны в проводниках настолько подвижны вследствие соприкосновения (или наложения) границ между нормальным и возбужденным энергетическим состоянием, что им почти не требуется сообщать дополнительной энергии. На атомном уровне энергию принято измерять в электрон-вольтах. Один электрон-вольт соответствует энергии, которую приобретает электрон при прохождении ускоряющей разности потенциалов в 1 В. Ширину запрещенной зоны часто выражают в электрон-вольтах: Eg [эВ]. Вещества, имеющие значения Eg больше 4 эВ, считаются диэлектриками. Для проводников Eg равна нулю, если валентная зона и зона проводимости соприкасаются, и меньше нуля при их наложении.

Для полупроводников, используемых в оптоэлектронике, Eg = 0,16 - 3,7 эВ (например, у наиболее типичных: кремния (Si) Eg = 1,12 эВ, арсенида галлия (Ga - As) Eg = 1,45 эВ). Эти и некоторые другие полупроводниковые материалы имеют особое значение в оптоэлектронике, так как дают возможность управлять электронными процессами в веществе с помощью электрически нейтрального светового сигнала и, наоборот, влиять на оптические свойства материала электрическими импульсами.

Согласно Теория квантоваяквантовой теории Бор Н.Нильса Бора (Bohr) (1885-1962) электроны в атоме могут двигаться только по определенным орбитам. Чем ближе орбита электрона к атомному ядру, тем меньше запас энергии атома, так как с уменьшением расстояния между разноименными зарядами (протонами атомного ядра и электронами) их общая энергия убывает. Поэтому каждой орбите электрона соответствует свой энергетический уровень. Как уже было сказано выше, переход электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается выделением кванта энергии. Существует взаимосвязь между выделяемой энергией и частотой возникающих при этом электромагнитных колебаний. Частота колебаний прямо пропорциональна (коэффициент пропорциональности называется Постоянная Планкапостоянной Планка) разнице энергий орбит электрона до и после перехода. Вещества, в которых переходы электронов приводят к возникновению колебаний с частотой, соответствующей видимому диапазону спектра, являются светоизлучающими.

Свет Светом называют видимое человеческим глазом электромагнитное изучение с длинами волн от 380 до 780 нм, являющееся частью диапазона оптического излучения. Оптическим диапазоном спектра электромагнитных колебаний принято считать диапазон колебаний с диной волны от 1 мм до 1 нм (рис. 1.3Рис. 1.3. Оптический диапазон спектра элетромагнитный колебаний). Учитывая то, что помимо указанной зависимости (частоты колебаний от выделяемой при переходе электронов с орбиты на орбиту энергии) известна обратно пропорциональная связь длины волны колебаний с их частотой (произведение длины волны на частоту равно скорости света), величина оптического диапазона может быть выражена не только шкалой длин волн или в частотах, но и в энергиях. Это отражает присущий оптическому излучению дуализм - в одних случаях проявляются его волновые свойства, а в других - квантовые (корпускулярные). Эти свойства присущи излучениям не только видимой части спектра, но также инфракрасным и ультрафиолетовым, поэтому они и сведены в общий оптический диапазон.

Исторически первой и длительное время классической была световая система единиц измерений, описывающая параметры оптического излучения видимого диапазона. После установления факта принадлежности света к электромагнитным колебаниям стали пользоваться энергетической системой единиц измерения, которая позволяет выражать параметры излучений не только видимой части спектра оптического диапазона, но и его инфракрасной и ультрафиолетовой областей. В силу интенсивного развития техники в этих областях в настоящее время световая система выступает как дополнительная, в большей мере традиционная. Фактически при наличии только световой системы измерений Метрология оптоэлектроникиметрология оптоэлектроники была бы невозможна. Для различия одинаковых параметров в этих двух системах принято использовать индексы е (energetic) и v (visual)ссылка на источники литературы.

Основными параметрами (помимо упоминавшихся частот колебаний [герц], длин волн [нанометр], описывающими оптическое излучение, являются поток излучений Фе [ватт] (световой поток Фv [люмен]), сила излучения Ie [ватт/стерадиан] (сила света Iv [кандела]), энергетическая светимость Me [ватт/м2] (светимость Mv [люмен/м2], плотность облучения Ee [ватт/м2] (освещенность Ev [люкс]).

Поток излучения (Поток световой) Потоком излучения (световым потоком) называется энергия излучения, переносимая потоком квантов в единицу времени (в световой системе измеряется в люменах, в энергетической - в ваттах). Единица измерения светового потока Люмен люмен (обозначаемая [лм]) определяется потоком света внутри телесного угла в один стерадиан (Стерадиан стерадианом [cp] называют телесный угол, который вырезает на поверхности сферы площадку, равную квадрату радиуса этой сферы) при силе света в одну канделу. Кандела Кандела (от англ. candle - свеча) - единица силы света, основная фотометрическая единица, входящая в число основных единиц СИ, обозначается [cd] или [кд].

Сила излучения (Сила света) Силой излучения (силой света) называют пространственную плотность потока излучения, определяемую отношением потока излучения точечного источника к телесному углу, в пределах которого заключен и равномерно распределен этот поток (в световой системе измеряется в канделах, в энергетической - в ваттах на стерадиан).

Светимость Энергетическая светимость (светимость) представляет собой отношение плотности потока излучения к площади поверхности излучателя. В энергетической системе измеряется в ваттах на квадратный метр, в световой - в люменах на квадратный метр.

Плотность облучения (Освещенность) Плотность облучения (освещенность) определяется отношением плотности потока облучения к площади облучаемой поверхности. Измеряется в тех же единицах, что и светимость.

Так как единицы измерения в энергетической и световой системах являются просто мерами по отношению к параметрам, к которым они применяются, то между ними существуют взаимно однозначные соответствия в виде коэффициентов пропорциональности: Фv = Kф ×Фе (где Kф - коэффициент пропорциональности, выражаемый в [лм/Вт]) и т.п.

Поскольку Оптоэлектроникаоптоэлектроника образовалась на стыке многих отраслей естественных и технических наук (физики, химии, материаловедения, информатики и др.), она оперирует, естественно, и единицами измерений, используемыми в этих отраслях знаний (например, как единицы информации применяются Битбиты, Байтбайты и их производные, скорость передачи может выражаться в бодах, число элементов изображения в точках или Пикселпикселах, частота растрирования полутоновых изображений для полиграфического воспроизведения - в линиях на сантиметр). Так как в тексте часто будут встречаться кратные и дольные величины многих параметров (Нанометрнанометры, Микросекундамикросекунды, Пикофарадпикофарады, Килоомкилоомы, Мегагерцмегагерцы, Гигабайтгигабайты и т.п.), отношение этих единиц к базовым можно определить, сверяясь с табл. 1.1 [ссылка на источники литературы].

Таблица 1.1.

Множители для образования десятичных кратных и дольных единиц

Наименование Степень множителя
(числа 10)
Обозначение
русское латинское
акса- 18 Э Е
пета- 15 П Р
тера- 12 Т Т
гига- 9 Г G
мега- 6 М М
кило- 3 к K
гекто- 2 г h
дека- 1 да da
деци- -1 д d
санти- -2 С С
милли- -3 м m
микро- -6 мк м
нано- -9 н n
пико- -12 п р
фемто- -15 ф f
атто- -18 а а

Особо в этом ряду стоит применяющийся в оптике Ангстрем«ангстрем», названный в честь шведского физика Ангстрем А.Й.Ангстрема (1814-1874), равный одной десятимиллиардной доле метра (0,1 нм), - единица длины, используемая для измерения длины световых волн.

С точки зрения оптоэлектроники полиграфическую продукцию можно считать визуализированной информацией, и не случайно многие достижения оптоэлектроники нашли применение в полиграфии, а целый спектр оптоэлектронных систем и устройств появился в первую очередь для издательств и типографий.

В допечатных процессах, печатном и отделочном производствах широко используются оптоэлектронные компоненты и системы, что в свою очередь оказывает существенное влияние на формирование новых технологий полиграфического репродуцирования. В связи с этим становится очевидной необходимость знакомства будущих полиграфистов с оптоэлектронными элементами, приборами и устройствами, их применением в полиграфии.

© Центр дистанционного образования МГУП