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大綱
‧何謂「光電」？
‧電磁波頻譜
‧光是什麼？
‧光的性質與分類
‧光源、光的傳輸及光偵測器
‧光電應用領域
‧結語
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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)
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電磁波頻譜
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可見光波段
•The sun is a black-body at 5800° C
6太陽光頻譜
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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 :稜鏡,色散現象(Dispersion)
光是什麼?
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II. 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)
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III. 量子論
‧波粒雙重性(particle-wave duality)
波動 粒子
E = hυ υ= E / h
P = h / λ λ = 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）
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光的性質與分類
光學分類
（一）幾何光學
（二）物理光學 (Physical Optics)
= 波動光學 (Wave Optics)
（三）量子光學 (Quantum Optics)
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(一) 幾何光學
對光的描述是用光線、光線的集合(光束)。
a. 光的直線傳播(Rectilinear propagation)
b. 光速有限(Finite speed of light)
c. 反射(Reflection)
d. 折射(Refraction)
e. 色散(Dispersion)
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光的色散
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精密機械(Precision mechanics)
透鏡設計(lens design) 儀器光學(Instrument optics) 光度學(Photometry)
a.
攝影儀器光學(Photographical Optical Instruments)b.
醫療生物光學(Biomedical Optical Instruments)c.
軍用光學(Military Optical Instruments)d.
計量光學(Metrological Optical Instruments)e.
通訊/資訊光學(Comm./Inform. Optical Instruments)f.
消費性產品(consumer product)應用領域
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/#
2 1
≅ F
zN.A↑ => F/#↓ => 錐角大，聚光能力大
zN.A↓ => F/#↑ => 錐角小，聚光能力小
數值孔徑（N.A.)
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光學鏡頭
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‧繞射：傅氏光學,光訊處理,全像術
‧干涉：薄膜干涉, 干涉儀
‧偏振：偏振片,晶體光學,液晶光學
（二）物理光學
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波動現象
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建設性與破壞性干涉
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楊式雙狹縫實驗
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薄膜干涉
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圓孔繞射
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單狹縫繞射
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雙狹縫繞射
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繞射光柵
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偏振光
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雙折射
• When light is refracted into two rays each polarized with the vibration directions
oriented at right angles to one another, and traveling at different velocities. This
phenomenon is termed "double" or "bi-
refraction ".
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（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。
偏振之應用
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◎ 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、CO2
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 emission
ofradiation
(一) 光源
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雷射（LASER）
高亮度
高方向性
高單色性
高同調性
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
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高亮度發光二極體(LED)
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◎ 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)
(二) 光的傳輸方式
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Bare glass fiber Critical angle
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33
光纖製造方式
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(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
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光電 應用 領域
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 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 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 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
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
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
微電子工業
半導體元件
光電積體電路
遙感技術發展
微機電系統
光電顯示器
全像干涉術
微加工技術
實驗室晶片
微型飛行載具 航空機械電子資訊化學化工
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- 主動式夜視裝置 - 簡單、有效
缺點：
- 無法快速部署 - 暴露我方位置
軍用光學-夜視鏡
• 1960年代越戰時期
探照燈
近紅外線光源 紅外線檢知器
光放管
- 主動式夜視裝置 - 不可見光
缺點：
- 技術簡單
- 被動式夜視裝置 - 性能佳
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夜視鏡之電磁波頻譜
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夜視鏡之電磁波頻譜
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光電顯示器
• 以平面顯示(Flat Panel Display，FPD)特色著稱的LCD、
PDP等光電平面顯示器已經持續了5年以上的高速成長，
今後會轉移到更高尺寸的顯示市場，客廳32吋以上的顯示 螢幕成為兵家的必爭之地。
• TFT LCD已佔有全部FPD市場的八成左右，且滲透至手 機、DVD播放機，和車用等中小型面板市場，以及筆記型 電腦面板與液晶顯示器等應用市場。
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前投影與背投影
前投影與背投影
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1947: RCA第一台背投影電視
y 1947年RCA發表了
“648PTK”背投影電 視，克服了CRT小尺 寸的問題。右圖照片 為15x20 吋的長方形 螢幕，稱“巨人giant”
的電視機。
y 這投影電視並沒有很 快上市，原因是影像 暗且模糊 (dim
image).
背投影電視
背投影電視
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背投影電視
背投影電視
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控制中心視訊牆
控制中心視訊牆
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平面顯示器發展趨勢
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液晶顯示器（LCD）
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PDP vs. LCD
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電漿電視與液晶電視
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軟性顯示器
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照明光源
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照明相關的用語
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常見燈具在功能上的比較
52
LED 照明應用的優點
53
LED應用
54
高效率太陽能電池
55
太陽能發電
56
太陽能光電應用
57
太陽能夢幻車
58
光電即是光與電的美妙結合!
結語
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如果你不知道你的方向，
你就永遠不可能到達。
愛麗斯問﹕「我應該走哪條路？」
智者說﹕「那要看你想去哪裡！」
愛麗絲夢遊仙境
不管路有多遠，重要的 是開始。
不管路有多遠，重要的 是開始。
結語
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