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吴晗平 著

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出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030270641

商品编码：29681450717

包装：平装

出版时间：2017-08-01

图书基本信息
图书名称	光电系统设计基础
作者	吴晗平
定价	82.00元
出版社	科学出版社有限责任公司
ISBN	9787030270641
出版日期	2017-08-01
字数	437000
页码
版次	31
装帧	平装
开本	16开
商品重量	0.459Kg

内容简介

《光电系统设计基础》从总体技术设计、军民用途的角度出发，选择信息光电系统和能量光电系统及其设计的几个典型内容予以论述，围绕着如何提高总体系统性能水平这一主线，介绍了光电系统设计的基础理论和工程方法。全书共分11章，内容包括：绪论、光学系统设计概要、目标与环境辐射及其工程计算、红外辐射大气透过率的工程理论计算方法、红外凝视成像系统、红外传感器工程设计、CCD及其应用系统设计、光电系统作用距离工程计算、LED及其应用设计、太阳能光伏发电及其系统设计、光电伺服控制系统及其设计。《光电系统设计基础》融合了作者的实际工作经验与科研成果，将基础理论与实际工作相结合，系统性和工程应用性强，概念清晰，易于理解，条理分明。 　　《光电系统设计基础》可作为高等院校光电信息工程、光信息科学与技术、电子科学与技术、测控技术与仪器、电子信息工程、机械电子等专业高年级大学生，以及光学工程、物理电子学、检测技术与自动化装置等专业研究生的教材或参考书，同时可供从事光电系统(装备)总体论证、技术设计、研制、试验、检验等方面工作的相关技术与管理人员学习、参考，对于从事电子系统(装备)的科研和工程技术人员亦有的参考价值。

作者简介

吴晗平，教授，工学博士，研究生导师。曾获省(部)级科技成果奖一等奖一项，三等奖四项。以作者出版国家军用标准一部，由科学出版社出版独撰学术专著《光电系统环境与可靠性》，在外专业学术期刊上独立或以作者发表论文七十余篇。2006—2010年教育部高等学校光电

目录

编辑推荐

文摘

序言

《光电系统设计基础》 前言 光学与电子学，这两门古老而又充满活力的学科，在现代科技的洪流中交织融合，催生出了日新月异的光电技术。从微观世界的探测，到宏观宇宙的观测，从信息传输的加速，到能源利用的革新，光电系统无处不在，深刻地影响着我们生活的方方面面。然而，要设计出高效、稳定、可靠的光电系统，绝非易事。它需要对光学原理有透彻的理解，对电子电路有扎实的掌握，更需要将两者有机地结合，形成一个和谐统一的整体。 本书正是为了满足这一需求而诞生的。它并非仅仅是光学或电子学的简单叠加，而是聚焦于光电系统这一独特的研究对象，从系统设计的视角出发，系统地阐述光电系统设计的基本原理、方法与技术。我们希望通过本书，为初学者构建起一个坚实的基础框架，使其能够逐步理解并掌握光电系统的设计思路；为工程师提供一份实用的参考指南，使其在实际工作中能够更从容地应对各种挑战。 本书的内容涵盖了光电系统设计中至关重要的各个环节。我们将从基础的光学理论入手，深入浅出地讲解光波的传播、衍射、干涉等现象，以及成像系统、光学元件的特性。在此基础上，我们将探讨光电转换器件，如光电二极管、光电倍增管、CCD/CMOS等，它们的物理原理、性能参数以及在不同应用场景下的选型考量。 接着，本书将重点转向电子学部分，聚焦于与光电系统紧密相关的模拟和数字电路设计。我们将详细介绍信号的放大、滤波、模数转换、数模转换等关键电路模块，以及它们在光电信号处理中的作用。特别地，我们还会讨论噪声的产生机理、抑制方法以及如何优化电路设计以提高信噪比。 更重要的是，本书将深入探讨光电系统的整体设计。我们将分析不同类型光电系统的结构，例如光学测量系统、光通信系统、成像系统、激光系统等，并解析其核心组成部分之间的相互关系和协同工作原理。我们会讨论如何根据系统需求进行光学链路设计、电信号链路设计，以及如何进行整体的系统优化和性能评估。 在设计过程中，可靠性、稳定性以及成本效益是不可忽视的因素。因此，本书也将触及这些方面，介绍在光电系统设计中需要考虑的可靠性设计原则，以及如何在满足性能要求的前提下，通过合理选材和优化设计来降低成本。 本书力求理论与实践相结合。在讲解基本原理的同时，我们也会穿插一些典型的设计案例和应用实例，帮助读者将抽象的理论知识转化为具体的工程实践能力。我们相信，通过对这些实例的深入剖析，读者能够更直观地理解光电系统设计的复杂性和巧妙之处。 本书的读者对象主要包括： 高等院校相关专业的学生： 如光学工程、电子工程、通信工程、仪器科学与技术等专业的本科生和研究生，为他们的学习和研究提供理论指导和实践参考。 光电领域的研究人员与工程师： 无论是初入行的新手，还是经验丰富的专家，本书都能为其提供系统性的知识梳理和新视角。 对光电技术感兴趣的爱好者： 即使没有深厚的专业背景，只要对光电技术充满热情，也能够从本书中获得启发和知识。 本书的编写过程离不开众多专家的指导和同行的支持，在此一并表示感谢。我们深知，任何一本书都可能存在疏漏和不足，恳请广大读者不吝赐教，提出宝贵的意见和建议，以便我们在未来的修订中不断完善。 我们衷心希望，《光电系统设计基础》能够成为您探索光电世界、驾驭光电技术的得力助手。 目录 第一章 光电系统概述 1.1 光电技术的起源与发展 1.2 光电系统的定义与范畴 1.3 光电系统在现代科技中的应用领域 1.4 光电系统设计的基本流程与方法 1.5 本书的组织结构与阅读指南 第二章 光学基础理论与元件 2.1 光的波动性与粒子性 2.2 光的传播：反射、折射与全反射 2.3 光的干涉与衍射现象 2.4 透镜与反射镜成像原理 2.5 光学元件的分类与特性（如棱镜、滤光片、光阑等） 2.6 光学材料的选择与特性 2.7 像差分析与校正基础 2.8 光学系统设计中的几何光学与物理光学 第三章 光电转换器件 3.1 光电效应及其基本原理 3.2 光电二极管（PIN、雪崩光电二极管） 3.2.1 工作原理与结构 3.2.2 主要性能参数（响应度、量子效率、带宽、噪声等） 3.2.3 应用电路与选型 3.3 光电倍增管（PMT） 3.3.1 工作原理与结构 3.3.2 主要性能参数（增益、噪声、响应时间等） 3.3.3 应用电路与选型 3.4 固体光电探测器（CCD、CMOS图像传感器） 3.4.1 工作原理与结构 3.4.2 主要性能参数（像素尺寸、灵敏度、动态范围、噪声等） 3.4.3 应用电路与选型 3.5 其他光电转换器件（如光电导、光敏电阻、光电晶体管等） 3.6 光电器件的噪声分析与抑制 第四章 光电信号处理电子电路 4.1 模拟信号处理基础 4.1.1 放大电路（跨阻放大器、跨导放大器等） 4.1.2 滤波电路（低通、高通、带通滤波器） 4.1.3 信号调理与偏置电路 4.2 数字信号处理基础 4.2.1 模数转换器（ADC） 4.2.2 数模转换器（DAC） 4.2.3 数字滤波器 4.3 噪声分析与优化 4.3.1 噪声的来源（热噪声、散粒噪声、闪烁噪声等） 4.3.2 噪声的计算与评估 4.3.3 降噪技术与电路设计 4.4 电源管理与信号完整性 第五章 光电系统设计方法与集成 5.1 系统需求分析与规格定义 5.2 光学链路设计 5.2.1 光源选择与设计 5.2.2 光路优化与布局 5.2.3 光学元件的精度要求与公差分析 5.3 电信号链路设计 5.3.1 信号路径选择与规划 5.3.2 元件匹配与阻抗匹配 5.3.3 信号衰减与串扰的控制 5.4 系统集成与互联 5.4.1 光学与电子部分的接口设计 5.4.2 机械结构设计与热管理 5.4.3 电磁兼容（EMC）设计 5.5 系统性能评估与测试 5.5.1 关键性能指标的测试方法 5.5.2 仿真与建模在设计中的应用 第六章 典型光电系统设计实例 6.1 光学测量系统设计（如光谱仪、测距仪） 6.2 光通信系统设计（如光纤通信节点） 6.3 图像采集与处理系统设计（如机器视觉相机） 6.4 激光系统设计（如激光测距、激光雷达） 6.5 光电传感器的应用设计 第七章 光电系统设计中的可靠性与成本考量 7.1 可靠性设计原则 7.1.1 元件寿命与失效分析 7.1.2 环境适应性设计 7.1.3 冗余与容错设计 7.2 成本效益分析 7.2.1 原材料成本与制造成本 7.2.2 优化设计以降低成本 7.2.3 权衡性能与成本 第八章 未来发展趋势与挑战 8.1 光电技术的新兴应用领域 8.2 智能化光电系统设计 8.3 微型化与集成化趋势 8.4 光电技术面临的挑战与机遇 参考文献 附录 --- 《光电系统设计基础》 第一章 光电系统概述 在人类探索未知、改造世界的漫长历史中，光与电，作为自然界中最基本、最重要的现象，各自独立发展，却又彼此呼应，最终在科学技术的浪潮中汇聚成一股强大的力量——光电技术。从古代人们对日月星辰的观察，到现代光纤通信的速度；从简单的透镜成像，到复杂的航空航天光学系统；从最早的电磁波探测，到如今精密的光学测量与控制，光与电的结合，不仅极大地拓展了人类的认知边界，更深刻地改变了我们的生活方式和生产模式。 光电技术，顾名思义，是指利用光与电的相互作用来获取信息、传输信息、处理信息或实现特定功能的科学技术。它是一个涵盖面极为广泛的交叉学科领域，涉及光学、电子学、材料科学、信息科学、机械工程等多个学科的知识。一个典型而复杂的光电系统，往往是光学部分负责光的产生、传输、调制、接收，而电子部分则负责光信号的检测、放大、处理、转换，最终实现系统的预定功能。 1.1 光电技术的起源与发展 光电技术的萌芽可以追溯到对光和电基本性质的早期探索。19世纪，光被确认为一种电磁波，法拉第的光电效应实验，以及后来的赫兹对电磁波的验证，都为光电技术的出现奠定了基础。20世纪初，爱因斯坦对光电效应的解释，确立了光子理论，标志着量子光学时代的到来，也直接催生了光电器件的研究。同时，电子管的发明和晶体管的出现，为光信号的有效处理提供了可能。 20世纪中期以来，随着激光的诞生，光学领域迎来了革命性的发展。激光具有高方向性、高单色性、高相干性和高强度的特点，极大地推动了光通信、光存储、光加工等领域的发展。同期，半导体技术的飞速进步，使得高效、小型化的光电器件成为可能，如光电二极管、LED、CCD等。 进入21世纪，光电技术更是呈现出爆发式的增长。微电子、光电子、纳米技术、人工智能的交叉融合，使得光电系统朝着更高精度、更高效率、更智能化、更微型化的方向发展。从智能手机的摄像头到无人驾驶汽车的激光雷达，从医疗领域的内窥镜到天文观测的巨型望远镜，光电技术已经渗透到我们生活的每一个角落。 1.2 光电系统的定义与范畴 光电系统是指由一个或多个光电器件与相应的光学元件、电子电路、机械结构等组成，能够完成特定光电信号的产生、传输、接收、处理或转换功能的有机整体。 光电系统的范畴非常广泛，可以根据不同的标准进行分类： 按功能分类： 光学测量系统： 如光谱仪、干涉仪、测距仪、传感器等，用于精确测量物理量。 光通信系统： 如光纤通信系统、无线光通信系统，用于高速、大容量的信息传输。 成像系统： 如照相机、显微镜、望远镜、工业相机、安防摄像头等，用于获取和记录图像。 激光系统： 如激光器、激光雷达、激光加工设备等，利用激光的特性实现特定功能。 光电显示系统： 如LED显示屏、OLED显示器等。 光电器件制造与测试系统： 用于生产和检测光电器件。 按工作原理分类： 基于光电转换的系统： 如利用光电二极管检测光信号。 基于光激励的系统： 如荧光显微镜。 基于光控制的系统： 如光学开关。 按应用领域分类： 消费电子领域： 手机摄像头、电视、DVD播放器。 通信领域： 光纤通信网络。 工业领域： 机器视觉、无损检测、激光加工。 医疗领域： 内窥镜、激光手术器械、医学成像。 国防军事领域： 雷达、侦察设备、夜视仪。 科学研究领域： 粒子探测器、天文望远镜、实验室仪器。 1.3 光电系统在现代科技中的应用领域 正如前面所提及，光电系统已成为现代科技的基石，其应用领域之广泛，几乎覆盖了人类活动的各个层面。 信息与通信： 光纤通信以其高带宽、低损耗的特性，构成了现代互联网的骨干。光信号的调制、解调、传输与接收，是光通信系统设计的核心。 计算机与存储： 光盘（CD、DVD、Blu-ray）是典型的光存储介质。未来，光计算和光互连技术有望进一步提升计算机的处理速度和效率。 测量与传感： 光学测量技术精度高、非接触、易于实现自动化。从实验室的高精度干涉仪，到工业现场的激光测距仪，再到环境监测的光谱分析仪，光电传感器无处不在。 成像与显示： 数码相机、手机摄像头、医学成像设备（X光、CT、MRI）、安防监控系统，都依赖于先进的图像传感器和光学成像技术。同时，各种LED、OLED显示器也为我们提供了丰富多彩的视觉信息。 工业自动化与制造： 机器视觉系统使得机器能够“看见”并理解世界，在自动化生产、质量检测、机器人导航等方面发挥着关键作用。激光技术则广泛应用于精密加工、焊接、切割等领域。 医疗健康： 激光手术、内窥镜检查、光动力疗法、基因测序中的荧光标记，都离不开精密的光电系统。 科学探索： 从宇宙深处的观测（如詹姆斯·韦伯空间望远镜），到微观世界的粒子探测（如大型强子对撞机），光电技术是科学家们探索自然奥秘的重要工具。 新能源与环境： 太阳能电池利用光伏效应将太阳能转化为电能。光化学、光催化技术也在环境治理、能源转化方面展现出巨大潜力。 1.4 光电系统设计的基本流程与方法 设计一个成功的光电系统，需要遵循一套系统性的流程，并掌握相应的分析与设计方法。 1. 需求分析与规格定义： 这是设计的起点。需要明确系统的预期功能、性能指标（如精度、灵敏度、带宽、分辨率、稳定性、可靠性等）、工作环境、成本预算以及安全性要求。 2. 概念设计： 在明确需求后，需要构思系统的整体架构，选择核心的光电器件和关键技术，并初步确定系统的组成模块及其相互关系。 3. 详细设计： 光学设计： 根据成像、传输或照明需求，设计光学系统，包括光源选择、透镜/反射镜参数设计、光路布局、滤光片设计等。 光电器件选型： 根据光学信号的特性和处理要求，选择合适的传感器、探测器、发光器件等。 电子电路设计： 设计信号采集、放大、滤波、A/D转换、D/A转换、控制等电子电路，确保光信号能够被有效处理。 机械结构设计： 设计系统的支撑结构、外壳、固定件等，确保系统的稳定性和可操作性。 热管理设计： 考虑器件发热以及环境温度对系统性能的影响，进行散热设计。 软件设计： 如果系统包含微处理器或计算机控制，需要进行嵌入式软件或应用软件的设计。 4. 仿真与建模： 利用各种仿真工具（如光学仿真软件、电路仿真软件），对设计方案进行预测和优化，降低实际制作中的风险。 5. 原型制作与调试： 按照设计图纸制作系统的原型，并进行各个模块的功能调试。 6. 系统集成与测试： 将各个模块集成起来，进行整体功能的验证和性能测试，与设计规格进行对比。 7. 优化与改进： 根据测试结果，对系统进行优化和改进，直至达到设计要求。 8. 文档编写： 编写详细的设计文档、测试报告、用户手册等。 1.5 本书的组织结构与阅读指南 本书旨在系统地介绍光电系统设计的基础知识和关键技术。全书共分为八章，从基础理论到系统集成，再到应用实例和未来趋势，力求全面而深入。 第一章 为本书的引言，概述了光电技术的背景、定义、应用和基本设计流程，帮助读者建立对光电系统的整体认知。 第二章 回顾并深入讲解了设计光电系统所必须的光学基础理论，包括光的传播、干涉衍射、成像原理以及光学元件的特性。 第三章 重点介绍了光电系统中的核心环节——光电器件，详细阐述了各种光电转换器件的工作原理、性能参数及其在系统设计中的选型考量。 第四章 聚焦于光电信号的处理，深入讲解了与光电系统紧密相关的模拟和数字电子电路设计，以及噪声分析与抑制技术。 第五章 是本书的重中之重，详细阐述了光电系统的整体设计方法，包括光学链路、电信号链路的设计，系统集成、互联、性能评估等关键环节。 第六章 通过几个典型的光电系统设计实例，将前面章节学到的理论知识付诸实践，帮助读者理解实际工程设计中的应用。 第七章 讨论了在实际工程设计中不可忽视的可靠性与成本问题，提供了相关的设计原则和考量方法。 第八章 展望了光电技术未来的发展趋势和面临的挑战，为读者提供更广阔的视野。 阅读指南： 初学者： 建议从第一章开始，按顺序阅读，并重点理解第二章和第三章的基础光学和光电器件知识，随后深入学习第五章的系统设计方法。第四章的电子电路部分，可以根据读者的电子学基础选择性阅读或作为参考。 有经验的工程师： 可以根据自身需求，直接阅读感兴趣的章节，例如第五章的系统集成与设计方法，或第六章的具体设计实例。 需要特定知识的读者： 可以根据目录和索引，快速定位到所需章节进行查阅。 我们相信，通过对本书内容的学习，读者将能够更清晰地理解光电系统的构成原理，掌握基本的系统设计方法，并为进一步深入研究和实际工程应用打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

从排版和语言风格来看，这本书呈现出一种非常严谨和学术化的气息，它显然是面向高等教育和专业研究人员的。阅读体验上，它要求读者具备较高的专注度和耐心，因为每一页都充满了专业术语和复杂的公式。不过，作者在试图构建一个完整的知识体系方面做得非常出色，它将光学元件的特性、半导体物理、电子电路理论以及系统层面的误差分析有机地串联起来。我特别欣赏它对“系统优化”这一核心思想的强调，它始终在提醒读者，一个优秀的光电系统不是简单地堆砌最好的元件，而是各个子系统之间相互配合、达到整体最优解的结果。例如，它对杂散光抑制和热管理的设计流程进行了详细的步骤分解，这对于进行复杂多模态光学系统开发的研究生来说，提供了极佳的范本。这本书与其说是一本快速入门指南，不如说是一部系统性地梳理和深化光电系统设计底层逻辑的参考典籍。

评分☆☆☆☆☆

这部关于光电系统设计的著作，在理论深度上确实令人印象深刻。它并没有停留在基础概念的简单罗列，而是深入挖掘了诸如半导体材料的能带结构如何影响光电器件的性能，以及如何利用量子力学原理来优化光捕获效率等前沿议题。作者对不同类型光电探测器（如PIN光电二极管、雪崩光电二极管和CCD/CMOS传感器）的物理机制进行了极其细致的剖析，并辅以大量的数学推导，确保读者能够理解从微观粒子行为到宏观系统响应之间的完整链条。特别是关于噪声理论那一部分，讲解得尤为透彻，它清晰地阐述了散粒噪声、热噪声和暗电流噪声在实际系统中是如何相互作用并限制最终信噪比的，这对于设计高灵敏度光电设备的工程师来说，是无价的宝贵财富。这本书的图表质量也非常高，很多示意图都经过精心设计，能够直观地展示复杂的光学和电子学原理，是理解抽象概念的绝佳辅助工具。总而言之，这是一本适合有一定物理和电子学基础，希望在光电器件设计领域深耕的专业人士阅读的硬核教材。

评分☆☆☆☆☆

我一直在寻找一本能够清晰阐述现代成像技术中传感器读出噪声特性的书籍，而这本著作在相关部分的阐述给我带来了极大的惊喜。它不厌其烦地分解了电子学读出链中的每一个环节可能引入的噪声源，从光子散粒噪声的理论极限，到半导体结电容导致的电荷转移效率问题，再到片上模拟数字转换器（ADC）的分辨率限制，都有深入的探讨。最让我觉得实用的是，它提供了一套完整的系统噪声预算制定流程，指导读者如何分配系统的容许噪声容限到各个子模块中，这在项目初期规划阶段是极其关键的。书中对高动态范围（HDR）成像技术背后的原理，包括多重曝光和梯度像素技术等，也进行了细致的比较和分析，帮助读者理解在不同应用场景下，哪种HDR实现方式更为经济高效。这本书对于那些致力于高性能图像传感器和光谱仪设计的工程师而言，无疑是必备的工具书，其对细节的关注度令人赞叹。

评分☆☆☆☆☆

我最近翻阅的这本关于光电系统设计的书籍，给我的感觉是它在工程实践层面做得非常扎实和接地气。它不像某些学术著作那样只关注理论的完美性，而是花费了大量篇幅去讨论实际设计中遇到的权衡取舍问题。例如，在系统集成这一章节，作者详尽地对比了不同封装技术对光束准直精度和热稳定性的影响，这对于构建一个可靠的户外监测系统至关重要。书中给出了大量的案例分析，涉及从低功耗的便携式传感器到高带宽的光通信链路，每一种场景下的设计约束和优化策略都被分析得入木三分。尤其让我受益匪浅的是关于信号处理和接口电路的讨论，书中不仅提到了理想的运算放大器模型，更进一步分析了实际运放的失真、带宽限制和输入偏置电流对微弱光信号采集的影响，并提供了针对性的滤波和补偿方案。这本书无疑是一本优秀的“实战手册”，它教会你如何将理论知识转化为能够稳定运行的工程产品，而不是仅仅停留在纸上谈兵的阶段。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最深的印象是它在理论与实践的交汇点上所展现出的平衡感，但这种平衡更多地偏向于对基础物理原理的深刻理解如何指导实际设计。它不像某些工具书那样只教你“怎么做”，而是花了大量的篇幅解释“为什么”。例如，在讨论激光二极管的远场光强分布时，它不仅仅给出了数学表达式，还追溯到了光腔的纵模特性和腔内增益的非均匀性，这使得读者能够理解为什么改变电流驱动条件会影响光束的发散角。对于初学者而言，这本书的门槛可能略高，但对于已经掌握了基础光学和电子学知识，并希望提升到更高设计层次的专业人员来说，它提供了一个绝佳的平台来巩固和拓展知识的广度和深度。它培养的是一种系统性的、基于第一性原理的解决问题的思维方式，而不是简单的应用现有模块。阅读完后，你会发现自己看待光电器件时的视角变得更加全面和深刻。