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光 電 科 技 簡 介逢 甲 大 學 電 機 系田 春 林 教 授2011 年 9 月 20 日1大 綱‧ 何 謂 「 光 電 」?‧ 電 磁 波 頻 譜‧ 光 是 什 麼 ?‧ 光 的 性 質‧ 光 源 、 光 傳 輸 及 光 偵 測 器‧ 台 灣 光 電 學 術 研 究 概 況‧ 光 電 產 業 分 類‧ 光 電 產 品 及 應 用 領 域‧ 結 語21

何 謂 「 光 電 」?「 光 電 」⎯ 光 學 與 電 子 學 相 互 結 合 與 應 用 的 科 學 及技 術「 光 電 」 的 英 文 字 彙 :Electro-Optics ( 光 電 科 技 )Optoelectronics ( 光 電 子 科 技 )Photonics ( 光 子 科 技 )3電 磁 波 頻 譜42

可 見 光 波 段5太 陽 光 頻 譜•The sun is a black-body at 5800° C63

光 是 什 麼 ?I. 粒 子 說 (Particle models)1621 : W. Snell( 英 ) : 折 射 (Snell’s Law)1637 : R. Descartes( 法 ): 折 射 , 反 射1664 : P. Fermat觀 察 (a) 自 然 界 遵 循 最 短 距 離 行 為(b) 光 速 恆 定 (c=3×10 8 m/s)Fermat Principle 為 幾 何 光 學 基 礎1704 : I. Newton : 稜 鏡 , 色 散 現 象 (Dispersion)7II. 波 動 說 (wave theory)• 1665 : F. M. Grimaldi : 繞 射• R. Hooke : 干 涉• 1779: C. Huygens : 惠 更 斯 第 二 波 前 理 論• 1802: T.Young : 雙 狹 縫 干 涉• 1815: A. Fresnel : 繞 射 理 論偏 極 光 反 射 (Fresnel eq.)橫 波 (transverse wave)84

III. 量 子 論‧ 波 粒 雙 重 性 (particle-wave duality)波 動粒 子E = hυυ= E / hP = h / λλ = h / p波 傳 播與 物 質 互 作 用1. 干 涉 1. 光 發 射2. 繞 射 2. 光 吸 收3. 偏 振 3. 光 電 效 應♦Bohr : 互 補 原 理 (principle of complementarity)9光 的 性 質光 電 效 應 (photoelectric effect)105

光 的 色 散11楊 氏 雙 狹 縫 實 驗126

光 波 干 涉干 涉 是 兩 列 或 兩 列 以 上 的 波 在 空 間 中 重 疊 時 發 生 疊 加 從 而 形 成 新 波 形 的 現象 重 疊 區 域 內 的 光 強 並 不 是 均 勻 分 布 的 : 其 明 暗 程 度 隨 其 在 空 間 中 位 置 的不 同 而 變 化 , 最 亮 的 地 方 超 過 了 原 先 兩 束 光 的 光 強 之 和 , 而 最 暗 的 地 方 光強 有 可 能 為 零 , 這 種 光 強 的 重 新 分 布 被 稱 作 「 干 涉 條 紋 」。13光 學 薄 膜147

圓 孔 繞 射15單 狹 縫 繞 射168

雙 狹 縫 繞 射17繞 射 光 柵189

偏 振 光液 晶 偏 振 光 柵19偏 振 之 應 用(1) 液 晶 顯 示 器 、 偏 光 顯 微 鏡 。(2) 製 作 偏 振 攝 像 鏡 頭 、 太 陽 鏡 、 稜 鏡 等 光 學 元 件 。(3) 雷 射 的 布 魯 斯 特 窗 。(4) 立 體 電 影 、 車 窗 、 飛 機 舷 窗 等 的 製 作 。2010

( 一 ) 光 源◎ 普 通 光 源 ⎯ 非 同 調 光 (incoherent light)• 太 陽• 熱 輻 射 燈 ( 白 熾 燈 、 鎢 絲 燈 )• 氣 體 放 電 燈 ( 鈉 燈 、 汞 燈 、 螢 光 燈 )• 半 導 體 光 源 ( 白 光 LED)◎ 雷 射 光 源 ⎯ 同 調 光 (coherent light)• 氣 體 雷 射 (He-Ne 雷 射 、Ar + 雷 射 、CO 2 雷 射 )• 固 體 雷 射 (Ruby 雷 射 、Nd:YAG 雷 射 )• 液 體 雷 射 ( 染 料 雷 射 )• 半 導 體 雷 射 (GaAs 、GaAlAs 、 AsInAsP、GaN)• 其 它 雷 射 ( 準 分 子 雷 射 、 化 學 雷 射 、 自 由 電 子 雷 射 等 )【 註 】 Laser( 雷 射 ) ⎯ Light amplification by stimulated emission21of radiation雷 射 (LASER)Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 高 亮 度 高 方 向 性 高 單 色 性 高 同 調 性2211

( 二 ) 光 的 傳 輸 方 式◎ 密 閉 式 傳 輸 ⎯ 將 光 的 傳 輸 方 向 與 能 量 限 制 於 某 種介 質 之 中• 光 纖 (optical fiber)• 光 波 導 (optical waveguide)◎ 開 放 式 傳 輸 ⎯ 光 訊 號 或 能 量 直 接 在 空 間 中 傳 送• 自 由 空 間 ( 例 如 : 物 體 投 影 、 成 像 )• 大 氣 層【 註 】 光 纖 發 明 人 ⎯ 高 錕 博 士 (Dr. Charles Kao)23光 纖 傳 輸最 大 可 接 受 角 θ m 為 剛 好在 纖 核 - 纖 殼 的 界 面 上 發生 內 部 全 反 射Critical angleBare glass fiber2412

( 三 ) 光 偵 測 器◎ 熱 偵 測 器 ⎯ 對 光 能 量 的 吸 收 所 產 生 溫 度 上 升 效 應• 熱 電 偵 測 器 (thermoelectric detector)• 壓 電 偵 測 器 (pyroelectric detector)◎ 光 子 偵 測 器 ⎯ 對 光 子 的 吸 收 時 率 所 產 生 之 計 量• 光 電 二 極 體 (photodiode)• 光 倍 增 器 (photo-mutiplixer)• 光 導 偵 測 器 (photoconductive detector)• 光 影 像 偵 測 器 (CCD/CMOS image detector)【 註 】 人 眼 是 一 種 類 似 CCD 功 能 的 絕 佳 的 光 偵 測 器25台 灣 光 電 學 術 研 究 概 況我 國 自 三 十 年 前 開 始 推 動 光 電 科 技 之 教 學 與 研 究 ,目 前 已 有 良 好 基 礎 。 目 前 有 35 所 大 學 設 有 光 電 相 關研 究 所 , 包 括 : 台 大 、 交 大 、 中 央 、 成 大 、 清 大 、中 山 、 陽 明 、 台 科 大 、 北 科 大 、 台 師 大 、 中 正 、 海洋 、 逢 甲 、 中 興 、 彰 師 、 高 師 、 嘉 大 、 台 南 、 長庚 、 大 同 、 輔 大 、 淡 江 、 聯 合 、 元 智 、 暨 南 、 東華 、 雲 科 大 、 虎 尾 科 大 、 高 應 大 、 高 雄 第 一 科 大 、國 防 大 學 、 明 新 、 南 台 、 崑 山 、 明 道 等 校 , 其 他 公私 立 大 學 在 電 機 、 電 子 、 機 電 及 材 料 科 系 亦 有 若 干教 授 從 事 光 電 相 關 研 究 。 在 研 究 機 構 方 面 , 工 業 技術 研 究 院 、 中 華 電 信 研 究 所 、 中 央 研 究 院 與 中 山 科學 研 究 院 均 有 規 模 不 小 的 光 電 科 技 研 究 計 畫 。2613

光 電 產 業 分 類資 料 來 源 :PIDA272010 年 台 灣 十 大 光 電 產 品•PIDA 統 計 並 分 析 台 灣 主 要 的 光 電 產 品 ,包 括 TFT-LCD 面 板 、TFT-LCD 材 料 與 零 組件 、 數 位 相 機 ( 代 工 )、 太 陽 電 池 、 光 碟機 、LED 封 裝 、LED 磊 晶 、 光 碟 片 和 太 陽能 矽 材 料 以 及 光 學 元 件 等 為 2010 年 台 灣十 大 光 電 產 品 。‧ 這 十 大 光 電 產 品 即 占 有 台 灣 整 體 光 電 產 值94%。資 料 來 源 :PIDA2814

台 灣 光 電 成 長 趨 勢資 料 來 源 :PIDA29平 面 顯 示 器 產 業 產 業 範 疇3015

前 投 影 與 背 投 影31背 投 影 電 視3216

背 投 影 電 視33FPD 平 面 顯 示 器資 料 來 源 :PIDA3417

平 面 顯 示 器 發 展 趨 勢35電 漿 電 視 與 液 晶 電 視3618

軟 性 顯 示 器37LED 應 用3819

LED 照 明 應 用 的 優 點39常 見 燈 具 在 功 能 上 的 比 較4020

LED 照 明 發 展 時 程資 料 來 源 :PIDA41高 效 率 太 陽 能 電 池4221

太 陽 能 發 電43太 陽 能 夢 幻 車4422

基 礎 研 究1. 雷 射 光 譜 學2. 非 線 性 光 譜 學3. 雷 射 與 物 質 作 用4. 天 文 學5. 模 擬 實 驗6. 重 力 波 實 驗生 產 自 動 化1. 機 器 人 視 覺 系 統2. 影 像 處 理3. 切 割 、 焊 接 、 鑽 孔奈 米 科 技1. 碳 奈 米 管 場 發 射顯 示 器2. 奈 米 光 導 電 材 料3. 無 機 可 錄 式 光 碟光 電應 用領 域國 防 軍 事 應 用1. 雷 射 測 距 儀2. 雷 射 陀 螺 儀3. 雷 射 導 引 系 統4. 雷 射 雷 達5. 雷 射 武 器 系 統6. 夜 視 鏡7. 核 生 化 感 測 器材 料1. 冶 金 應 用2. 光 電 材 料3. NTD 檢 測4. 光 學 晶 體 之 成 長 檢 驗生 物 醫 學 應 用1. 外 科 手 術2. 視 網 膜 掃 瞄 顯 示3. 生 物 晶 片 技 術4. 遺 傳 基 因 改 變 研 究能 源 與 環 境 工 程1. 空 氣 汙 染 研 究2. 雲 層 厚 度 測 定3. 超 高 層 大 氣 觀 測4. 太 陽 能 電 池微型飛行載具實驗室晶片微加工技術全像干涉術化學化工光電顯示器電子資訊微機電系統航空機械遙感技術發展光電積體電路半導體元件微電子工業通 訊 與 電 信1. 光 纖 通 訊2. 光 學 資 料 處 理3. 全 像 攝 影4. 雷 射 通 訊5. 液 晶 顯 示 器6. 彩 色 印 刷建 築 土 木1. 測 距 儀2. 準 直 儀3. 精 密 測 定45結 語光 電 即 是 光 與 電 的 美 妙 結 合 !Thank you for your attention !4623