光机电系统设计和制作（2版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本书原是台湾大学光学设计和工程，光机电设计和制作之授课内容，在过去十年课程已有将近200位台大学生使用过。本书参考多本国际知名作者光机电习用参考书，经过多次编绎及修订，并整合作者之专利，累积之着作，及作者上课讲义而编成；盼此书成印能让更多学子得益处，期许可提昇国内光机电知识，软体操作及测试和制造能力。

《精密光学系统设计与优化》 内容简介 本书深入探讨了精密光学系统的设计、分析与优化理论及实践应用，旨在为光学工程师、科研人员及相关专业学生提供一套全面、实用的技术指南。全书内容涵盖了从基础的光学原理到复杂系统的工程实现，着重于现代光学设计中的关键技术和前沿发展。 第一部分：光学系统设计基础与理论 本部分首先回顾了经典光学理论的基础，包括几何光学和物理光学的基本定律，为后续的系统设计打下坚实的基础。重点讲解了成像质量的评价标准，如波像差理论、MTF（调制传递函数）分析和容差分析方法。 几何光学与光线追迹： 详细阐述了折射、反射、光束的传播、光学元件的特性（如透镜、棱镜、反射镜等）以及利用光线追迹法进行系统初级分析的方法。 物理光学与衍射效应： 深入讨论了光的波动性，包括夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射，并引入了傅里叶光学和角谱理论，为理解衍射限制系统的性能至关重要。 像差理论与校正： 系统地介绍了五大初级像差（球差、彗差、像散、场曲、色差）的形成机理及其对成像质量的影响。重点介绍了如何通过选择合适的系统结构和元件参数来抑制和校正这些像差。 光学传递函数（OTF）： 详细阐述了MTF和PTF的物理意义、计算方法以及在评估和优化光学系统性能中的核心作用。 第二部分：现代光学系统设计方法与软件应用 本部分将理论知识与现代光学设计软件（如Zemax、Code V等）的实际操作相结合，讲解了如何高效地完成一个复杂光学系统的设计流程。 系统规格定义与概念设计： 如何根据应用需求（如工作波长、视场角、分辨率、入瞳直径等）确定系统的关键参数，并进行初步的结构选择。 优化技术： 详细介绍了梯度下降法、阻尼牛顿法等现代优化算法在光学设计中的应用。重点讲解了如何设置合理的评价函数（Merit Function）以引导系统向最优解收敛，包括像差最小化、MTF优化、公差敏感度分析等。 自由曲面光学元件设计： 随着制造技术的发展，自由曲面在校正复杂像差方面展现出巨大潜力。本章探讨了Zernike多项式、非球面方程以及如何将自由曲面集成到传统光学系统中，以实现更紧凑和高性能的设计。 公差分析与容差分配： 任何实际制造的系统都存在误差。本章讲解了如何通过蒙特卡洛模拟和灵敏度分析来评估制造和装配误差对系统性能的影响，并合理分配制造公差，确保可制造性和可靠性。 第三部分：特定光学系统设计实例 为了更好地指导工程实践，本书选取了多个不同应用领域的高性能光学系统进行案例分析和深入设计演示。 高分辨率远心镜头设计： 针对机器视觉和精密测量领域，详细分析了远心度要求、畸变控制以及如何设计具有大视场、高分辨力的远心系统。 变焦系统设计： 重点讨论了变焦光学系统的成像原理，包括光阑位置、变焦群的运动规律以及如何实现平移补偿，以确保在变焦过程中焦点保持稳定。 非球面照明光学系统： 针对LED照明和光束整形应用，讲解了如何利用非球面反射镜或透镜来实现均匀的光照分布或精确的光束控制，包括光线排序和迭代优化过程。 宽带多光谱成像系统： 针对需要覆盖多个波段的应用，探讨了如何设计消色差方案，特别是针对大视场和低色差要求的复杂多镜片组合的设计策略。 第四部分：光学系统制造、装调与测试 一个优秀的设计必须能够被精确制造和成功装调。本部分关注从设计成果到实际产品的转化过程。 制造工艺对设计的影响： 讨论了不同光学元件（研磨、抛光、模压、注塑）的制造精度限制，以及如何根据可达到的制造能力反哺设计。 光学装配与热力学分析： 讲解了精密光学系统的装配公差与顺序，以及环境温度变化对光学性能的影响。介绍了利用有限元分析（FEA）评估结构刚度和热变形的方法。 系统测试与评价： 阐述了常用的光学测试方法，如干涉仪检测表面形貌、MTF测试仪评估成像性能，以及如何将测试数据与设计指标进行对比，指导系统优化。 本书内容全面、技术前沿，既有严谨的理论推导，也有大量的工程实例和软件操作指导，是光学设计领域不可或缺的参考书。

作者简介

黄君伟　Jiun-Woei Huang, Ph. D.

　　现任
　　国防部中山科学院技正和副研究员/台湾大学应力所兼任副教授，主要教授课程：光学设计和制作，及光机电设计和制造。

　　学历：
　　国立台湾师范大学物理系获得理学士(1973/8 至 1977/7)；
　　国立台湾师范大学物理研究所硕士(1978/8 至 1981/7) ；
　　美国德州基督徒大学物理和天文所博士(1985/1至 1990/5) 。

　　经历：
　　中原大学担任物理系讲师：教授大二电磁学及大三近代物理实验3年(1981/8 至 1984/12)

　　美国德州基督徒大学研究助理：红外能谱理论计算，电子顺磁共振仪控程式设计及系统制作，及低温红外富氏光谱学研究(1985/1至 1990/5)

　　美国科罗拉多州立大学光雷达实验室博士后研究员：量测介面之程式撰写及1.2米反射光学设计及制(1990/5 至1991 /8)

　　中央研究院博士后研究员：电子顺磁共振的理论计算(1991/8 至 1992/1)

　　中山科学院技正：光学设计，光电系统，光纤通讯及高精度光纤陀螺仪之设计和制作(1992/1-)
 

第一篇　光机电基本原理
I. 光学系统原理
第一章　基本光学简介
第二章　光学成像原理
第三章　镜面和稜镜
第四章　光学系统的要件
II. 照明原理
第五章　光源
第六章　辐射和光度
III. 光电转换
第七章　光电效应及其他相关应用
IV. 机电整合
第八章　机电结构
第九章　光机电应用实例──数位相机

第二篇　光机电设计原则
I. 光学设计原则
第十章　光学计算
第十一章　像差
第十二章　成像评估
第十三章　一般光学系统设计原则
第十四章　特定目的光学系统设计
第十五章　光学和照明系统实例
II. 光学机械设计原则
第十六章　光机电系统的环境和材料
第十七章　光学材料
第十八章　光学机械设计原则
第十九章　大型镜组
III. 电子和电机设计原则
第二十章　电路设计
IV. 整合设计原则
第二十一章　系统工程
第二十二章　光机电的极佳化理论
第二十三章　控制理论

第三篇　光机电软体应用
I. 规格的釐定
第二十四章　各种规格
II. 设计软体应用
第二十五章　光学设计软体
第二十六章　照明设计软体
第二十七章　机械软体
第二十八章　电路设计软体
第二十九章　控制软硬体
第三十章　光机电整合软体

第四篇　制作和测试
I. 光学制作
第三十一章　光学元件制作
II. 光学元件量测
第三十二章　眼睛
第三十三章　光学元件参数量测手续
III. 电路制作
第三十四章　电路及相关介面制作
IV. 机械制作
第三十五章　机械制作方法

第五篇　系统整合实例应用
第三十六章　数位单眼照像机
第三十七章　背光模组为液晶显示器面板
第三十八章　投影机的模拟和设计
第三十九章　共光路系统设计
第六篇　未来发展
第四十章　光机电产业趋势
名词中英对照

序

　　一本教科书的撰写是从已过世纪多位科学工作者成果，依其发展的次序，编写而成，教科书的目的是吸收前人的知识，依照发展历史的次序写出，作者可引用前人的理论和成果写成可读的文意；重在其包罗性及精确性，让读者能对本学门有完全的领会；而所引用的理论出处，多为作古的科学家，引用其着作之处也都再研究其引用的出处加以整理，其目的使读者能知本学门的真实意义。

　　本书原是依据台湾大学应力所光机电系统设计讲义编写而成；起初原课程光学设计和工程是以Warren Simith（WS）第三版及Paul R. Yoder为本课程之参考书，配合光学设计及照明光机软体的实际操作，以光学工程理论配合软体的操作以达到理论和实际合一的现代教学理念而编成；于2008年春本课程，原课程的发起人：当时经济部工研院副院长李世光教授指示，配合我国经济发展需求，改为光机电系统设计和制作，作者因而为此重新编写教材必须针对教材内容的准确性及合乎目前光机电发展进行的方向，进行编写时参用光学设计和工程是以WS第三版，发现该书虽然国内外众多光学学者和工程师引用多年，经过详细阅读在多年的教学经验中发现该书的光学基本参数定义，如：高斯光学节点、主点的定义、光瞳、光栏、出瞳、入瞳等重要定义都过于松散，及最基本光学追迹式WS也未能述明原引用作者之方程式的原义；而所用例子在2版及3版错误也未更动，读者很难得知其光学参数和光学计算方法真实意义，也会因学界及工程界等定义的多年不明确，书中内容而造成困扰，又因WS已于2009年6月去世，该书已经是遗作，无法更动或建议修正，因而开始编写本书。

　　本书的主要结构，可以分为六部分：一、光机电基本原理，二、光机电设计原则，三、光机电软体应用，四、制作和测试，五、系统整合实例应用，及六、未来发展。读者若依序阅读，应能从其中领会本学门的精意；尤其在光机电基本原理和光机电设计原则中－光学理论部分是参考OSA的HANDBOOK OF OPTICS，在高斯光学节点、主点的定义、光瞳、光栏、出瞳、入瞳等重要定义是参考Kingslakes，WELFORD之着作定义，像差部分除参考俄系及大陆科学家外，并参考SPIE研讨会中的短期课程并讲义编辑而成；基本光学追迹式，并不是WS创作，经查文献：先有1920年T. Smith开始推导，于1951年D. P. Feder在美国国家标准局，即用当时的SEAC电子计算机和第一代IBM商用电脑作光学计算，这一种方法也得到俄国G. G. Slyusarev，大陆作者：王之江，及袁绪沧等作者的书中所採用；在此也整理后编入。稜镜部分是採用连铜淑先生的式子加以推导而得，光机及测试部分是经由作者的光学工厂的实际经验，并参考英国Kingslcks、Welford等人的书编成；至于软体操作部分是作者多年操作光学，机械及电子软体所写出的操作手册，可适合初学者参用，或已从事本学门的人士参考。

　　对使用本书的人，若适当使用，应能在本书得到帮助。

　　•对教师而言：

　　本书是依据台大光机电设计和工程课的讲义编写而成；经过多年在课堂上使用；本书课程可以分为二部分使用，在上下二学期以一年实施完成。在第一学期内容主要使学生对光机电基本原理中1∼6章，光机原理16∼18章及量测的基本感测单元──眼睛的传授，并配合光学及照明软体的使用，在第二学期内容主要使学生在第一学期内容较为深入，主要是对光机电基本原理中7∼9章，光机电设计原则10∼15章及量测的基本感测单元──眼睛的传授，并配合光学及照明软体的使用，对光机电基本原理中1∼6章，机电原理20∼23章，整合，控制及规格23∼26章，机电软体27∼31章和系统量测31∼34章，实例应用35∼40等章节，依课程之需求，选定章节使用应用，应使学生能对本课程充分的领会。

　　•对学生而言：

　　这书将可以成为本课程的较完全的资料，可当成一课本或本门课的参考书，若配合上课及习作本科目所提及设计程式，将可以依所学之光机电理论设计或制作出基本的产品。

　　•对现职工程师和自学者而言：

　　现职工程师最需要的是在最短的时间取得知识，并可以立即融入所学，本书可以提供这一种功能，自学者知识平台，及软体操作手可以运用本书去设计，评估及应用在产品上，应可以提供知识和建议。

　　本书是初版，以先求有，再求精的原则；因此，难免都有疏漏．请多指教，非常感谢！
 

1.2. 波光学理论及物理性质
 
但是，对于无法用光线光学理论去解释的现象，如：折射（Refraction）、色散（Dispersion）、散射（Scattering）、偏振（Polarization）、干涉（Interference）、绕射（Diffraction）等物理现象，以波动理论去解释却更为合适，各说明如下：
 
折射（Refraction）：若阳光经过三角稜镜，因阳光具有可见光－从红到紫，而在介质中的使得行进光线的方向发生改变的现象；可见不同的光波在同一介质行进的速度是不相同的。
 
色散（Dispersion）：因光的折射率在不同波长并不相同，若是光不是单色时，在行经过一个距离后会产生分光的现象；
 
散射（Scattering）：光射入一个非光滑面时，光会产生四面分散的现象，其分散方向，除了在反射方向外，其他光会随的主反射光作分散式分佈；
 
偏振（Polarization）：光的行进中，偏振方向和行进方向彼此垂直，若经过偏振元件可以使得光产生偏振现象；
 
干涉（Interference）：同源性光若经过两个或以上的光路径，因为路径光程差不同，若有和光波长相关的光程差；波会产生加成或相减的作用；
 
绕射（Diffraction）：光若经过方型或圆型单光瞳或多光瞳，在会聚面上会因为光瞳的型状和尺寸而产生波的加成现象，Frensnel 和Fraunhofer 导出圆型，方型，单夹缝或双夹缝光栏的分光佈函数，Airy以圆型的光栏定义出绕射的极限。
 
以下部分，先就折射，干涉，及绕射部分先作讨论；其他将在后面相关的章节再作说明。
 
1.2.1. 色散
 
对于光学介质来说，折射率随着光的波长而改变。一般而言折射率再波长较短时比较长时大。在先前的讨论中，假定在折射表面上的入射光为单色光所组成的。依照Snell’s Law-斯涅尔定律，如图1.3为一个白光的光线借由一个反射平面分成许多不同的组成波长。要注意的是蓝光是透过一个比红光还要大的角度弯曲，或折射。这是因为蓝光的n2比红光的n2还要大。当在这个实例中 一个常数，这是很显而易见的假如在n2蓝光中比红光大，且I2在蓝光中必定比红光小。这样随着波长的折射率改变称为色散；当被当作微分时被写成dn，而在其他方面色散则为 ，其中λ1与λ2为在色散中两种不同颜色光的波长。相对的色散可表示为 而且，在实际上，也可表达当中间波长的光弯曲总数的折射率时不同颜色光的散播。
 

评分☆☆☆☆☆

天啊，这本书的内容量简直惊人！我是一名研究生，正在进行一个关于精密光学测量仪器的项目，刚开始的时候，对于如何将光学元件、精密机械和控制系统有效地整合在一起，完全没有头绪。在导师的推荐下，我才接触到这本《光机电系统设计和制作（2版）》。初看之下，我以为它会很枯燥，但读进去之后，才发现它的深度和广度远超我的想象。它不仅仅是介绍了各种组件，更是深入探讨了设计原则和方法论。我最欣赏的是它对于系统集成过程中可能遇到的各种挑战，比如热稳定性、振动隔离、以及不同学科之间的接口问题，都给出了非常详细的分析和解决方案。书中的图表和案例都非常贴切，帮助我理解了很多抽象的概念。例如，在讨论如何选择合适的传动机构时，它对比了不同的方案，并给出了优劣分析，这对我设计高精度定位平台非常有帮助。还有关于光源和探测器的选择，以及它们与机械结构的配合，都有不少干货。这本书让我明白，光机电系统设计并非简单的“堆砌”组件，而是一门系统性的工程艺术。如果你的研究或者工作涉及到类似的领域，这本书绝对是你绕不开的一本参考书，它的价值绝对物超所值。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我本来是对这种比较“硬核”的技术书籍不太感冒的，总觉得会很枯燥乏味。但《光机电系统设计和制作（2版）》完全颠覆了我的看法！我是一名在自动化行业工作的工程师，主要负责一些工业视觉系统的开发。虽然我一直有接触到一些光学和机械的东西，但总是感觉不够系统。这本书的出现，就像给我打开了一个全新的视角。它从基础的光学原理讲起，然后逐步深入到机械结构的设计，再到嵌入式系统的控制，整个过程衔接得非常流畅。我印象最深刻的是它对于“光”在机械系统中的“行为”的描述，以及如何通过机械设计来“驯服”光，让它按照我们的意愿去工作。书里的一些关于应力应变分析在光学器件安装上的应用，对我启发很大，以前只是凭感觉来装，现在知道怎么去量化，怎么去避免一些潜在的隐患。而且，它还提到了不少常用的设计软件和仿真工具的运用，这对于我们这些需要快速迭代的工程师来说，简直是福音。读完这本书，我感觉自己对整个光机电系统的理解上升了一个层次，不再是零散的知识点，而是一个完整的体系。

评分☆☆☆☆☆

这本书对我来说，绝对是一本挖到宝了的教材！当初在书店翻到它，光是目录就让我眼睛一亮，感觉那些我对光机电系统模糊的概念，好像一下子有了清晰的轮廓。我本身是念电机系的，虽然课堂上学了一些理论，但实际设计的时候总觉得少了点什么，尤其是跨足到光学元件的整合，更是让我头疼。这本《光机电系统设计和制作（2版）》就完全填补了这个空白。它不是那种纸上谈兵的书，而是从实际出发，介绍了很多常用的光机电整合方案，还有各种机械结构的设计考量，连我平时最头痛的公差分析，它都讲得条理分明，还给出了很多实用的计算公式和范例。我特别喜欢它后面几章讲到的实际制作经验，从材料选择、加工方法到组装调试，简直是把一个经验老道的工程师的“血泪史”都浓缩在里面了，读起来感觉像是有一个导师在旁边手把手教你一样。我正在尝试设计一个小型投影系统，遇到过不少卡关的地方，但每次翻开这本书，总能找到一些启发，让我茅塞顿开。对于任何想要深入了解光机电领域，尤其是想要从理论走向实践的同仁们，强烈推荐这本书，绝对是你的得力助手！

评分☆☆☆☆☆

对于我这个在光电领域摸爬滚打多年的老兵来说，这本《光机电系统设计和制作（2版）》绝对是一本值得细细品读的宝典。尽管我已经积累了不少经验，但每一次阅读都能从中发现新的视角和深化对某些问题的理解。这本书最突出的优点在于其“全景式”的视角，它不像一些书籍那样只专注于某个细分领域，而是将光学、机械、电子和控制等多个学科紧密地联系在一起，从系统的整体性出发进行阐述。我尤其欣赏它在“集成”二字上的深刻解读，书中详细探讨了如何在不同学科的边界地带进行有效的设计和协同，这对于解决实际工程中的复杂问题至关重要。例如，书中关于光学组件的应力、应变对成像质量的影响，以及如何通过机械结构的设计来补偿或减缓这些影响的论述，是我在实际工作中经常遇到的难题，这本书提供了非常系统性的分析和解决方案。此外，它在探讨各种传感器和执行器的选择时，不仅给出了技术参数的对比，更强调了它们与整个系统的匹配性，这种“贴地气”的讲解方式，是很多理论书籍所缺乏的。总而言之，这是一本能够帮助你构建更全面、更深入光机电系统设计思维的书籍，无论你是初学者还是资深从业者，都能从中获益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

我是一位业余的创客，一直对各种精密仪器和DIY项目充满热情。最近我迷上了制作一些与光学相关的装置，比如自制的显微镜和望远镜。在网上搜集资料的时候，我偶然看到了这本《光机电系统设计和制作（2版）》。一开始只是抱着试试看的心态，结果一翻开，就爱不释手了！这本书对于我这种没有系统学习背景的爱好者来说，简直是量身定做的。它用非常通俗易懂的语言，解释了很多复杂的光学和机械原理，并且配有大量的插图和实物照片，让我即使在没有专业设备的情况下，也能理解其中的关键。最重要的是，它不仅仅是讲理论，还提供了很多实际制作的思路和技巧。比如，它介绍了一些低成本实现精密运动的方法，还有如何选择和处理一些常用材料，这些对于DIYer来说，实在是太实用了。我按照书里的某个章节的建议，改进了我正在制作的一个精密调焦装置，效果立竿见影，比我之前摸索了好几个月都好。这本书让我觉得，即使是业余爱好者，也能做出一些非常精密的、有用的东西。