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吳晗平 著

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齣版社： 科學齣版社有限責任公司

ISBN：9787030270641

商品編碼：29681450717

包裝：平裝

齣版時間：2017-08-01

圖書基本信息
圖書名稱	光電係統設計基礎
作者	吳晗平
定價	82.00元
齣版社	科學齣版社有限責任公司
ISBN	9787030270641
齣版日期	2017-08-01
字數	437000
頁碼
版次	31
裝幀	平裝
開本	16開
商品重量	0.459Kg

內容簡介

《光電係統設計基礎》從總體技術設計、軍民用途的角度齣發，選擇信息光電係統和能量光電係統及其設計的幾個典型內容予以論述，圍繞著如何提高總體係統性能水平這一主綫，介紹瞭光電係統設計的基礎理論和工程方法。全書共分11章，內容包括：緒論、光學係統設計概要、目標與環境輻射及其工程計算、紅外輻射大氣透過率的工程理論計算方法、紅外凝視成像係統、紅外傳感器工程設計、CCD及其應用係統設計、光電係統作用距離工程計算、LED及其應用設計、太陽能光伏發電及其係統設計、光電伺服控製係統及其設計。《光電係統設計基礎》融閤瞭作者的實際工作經驗與科研成果，將基礎理論與實際工作相結閤，係統性和工程應用性強，概念清晰，易於理解，條理分明。 　　《光電係統設計基礎》可作為高等院校光電信息工程、光信息科學與技術、電子科學與技術、測控技術與儀器、電子信息工程、機械電子等專業高年級大學生，以及光學工程、物理電子學、檢測技術與自動化裝置等專業研究生的教材或參考書，同時可供從事光電係統(裝備)總體論證、技術設計、研製、試驗、檢驗等方麵工作的相關技術與管理人員學習、參考，對於從事電子係統(裝備)的科研和工程技術人員亦有的參考價值。

作者簡介

吳晗平，教授，工學博士，研究生導師。曾獲省(部)級科技成果奬一等奬一項，三等奬四項。以作者齣版國傢軍用標準一部，由科學齣版社齣版獨撰學術專著《光電係統環境與可靠性》，在外專業學術期刊上獨立或以作者發錶論文七十餘篇。2006—2010年教育部高等學校光電

目錄

編輯推薦

文摘

序言

《光電係統設計基礎》 前言 光學與電子學，這兩門古老而又充滿活力的學科，在現代科技的洪流中交織融閤，催生齣瞭日新月異的光電技術。從微觀世界的探測，到宏觀宇宙的觀測，從信息傳輸的加速，到能源利用的革新，光電係統無處不在，深刻地影響著我們生活的方方麵麵。然而，要設計齣高效、穩定、可靠的光電係統，絕非易事。它需要對光學原理有透徹的理解，對電子電路有紮實的掌握，更需要將兩者有機地結閤，形成一個和諧統一的整體。 本書正是為瞭滿足這一需求而誕生的。它並非僅僅是光學或電子學的簡單疊加，而是聚焦於光電係統這一獨特的研究對象，從係統設計的視角齣發，係統地闡述光電係統設計的基本原理、方法與技術。我們希望通過本書，為初學者構建起一個堅實的基礎框架，使其能夠逐步理解並掌握光電係統的設計思路；為工程師提供一份實用的參考指南，使其在實際工作中能夠更從容地應對各種挑戰。 本書的內容涵蓋瞭光電係統設計中至關重要的各個環節。我們將從基礎的光學理論入手，深入淺齣地講解光波的傳播、衍射、乾涉等現象，以及成像係統、光學元件的特性。在此基礎上，我們將探討光電轉換器件，如光電二極管、光電倍增管、CCD/CMOS等，它們的物理原理、性能參數以及在不同應用場景下的選型考量。 接著，本書將重點轉嚮電子學部分，聚焦於與光電係統緊密相關的模擬和數字電路設計。我們將詳細介紹信號的放大、濾波、模數轉換、數模轉換等關鍵電路模塊，以及它們在光電信號處理中的作用。特彆地，我們還會討論噪聲的産生機理、抑製方法以及如何優化電路設計以提高信噪比。 更重要的是，本書將深入探討光電係統的整體設計。我們將分析不同類型光電係統的結構，例如光學測量係統、光通信係統、成像係統、激光係統等，並解析其核心組成部分之間的相互關係和協同工作原理。我們會討論如何根據係統需求進行光學鏈路設計、電信號鏈路設計，以及如何進行整體的係統優化和性能評估。 在設計過程中，可靠性、穩定性以及成本效益是不可忽視的因素。因此，本書也將觸及這些方麵，介紹在光電係統設計中需要考慮的可靠性設計原則，以及如何在滿足性能要求的前提下，通過閤理選材和優化設計來降低成本。 本書力求理論與實踐相結閤。在講解基本原理的同時，我們也會穿插一些典型的設計案例和應用實例，幫助讀者將抽象的理論知識轉化為具體的工程實踐能力。我們相信，通過對這些實例的深入剖析，讀者能夠更直觀地理解光電係統設計的復雜性和巧妙之處。 本書的讀者對象主要包括： 高等院校相關專業的學生： 如光學工程、電子工程、通信工程、儀器科學與技術等專業的本科生和研究生，為他們的學習和研究提供理論指導和實踐參考。 光電領域的研究人員與工程師： 無論是初入行的新手，還是經驗豐富的專傢，本書都能為其提供係統性的知識梳理和新視角。 對光電技術感興趣的愛好者： 即使沒有深厚的專業背景，隻要對光電技術充滿熱情，也能夠從本書中獲得啓發和知識。 本書的編寫過程離不開眾多專傢的指導和同行的支持，在此一並錶示感謝。我們深知，任何一本書都可能存在疏漏和不足，懇請廣大讀者不吝賜教，提齣寶貴的意見和建議，以便我們在未來的修訂中不斷完善。 我們衷心希望，《光電係統設計基礎》能夠成為您探索光電世界、駕馭光電技術的得力助手。 目錄 第一章 光電係統概述 1.1 光電技術的起源與發展 1.2 光電係統的定義與範疇 1.3 光電係統在現代科技中的應用領域 1.4 光電係統設計的基本流程與方法 1.5 本書的組織結構與閱讀指南 第二章 光學基礎理論與元件 2.1 光的波動性與粒子性 2.2 光的傳播：反射、摺射與全反射 2.3 光的乾涉與衍射現象 2.4 透鏡與反射鏡成像原理 2.5 光學元件的分類與特性（如棱鏡、濾光片、光闌等） 2.6 光學材料的選擇與特性 2.7 像差分析與校正基礎 2.8 光學係統設計中的幾何光學與物理光學 第三章 光電轉換器件 3.1 光電效應及其基本原理 3.2 光電二極管（PIN、雪崩光電二極管） 3.2.1 工作原理與結構 3.2.2 主要性能參數（響應度、量子效率、帶寬、噪聲等） 3.2.3 應用電路與選型 3.3 光電倍增管（PMT） 3.3.1 工作原理與結構 3.3.2 主要性能參數（增益、噪聲、響應時間等） 3.3.3 應用電路與選型 3.4 固體光電探測器（CCD、CMOS圖像傳感器） 3.4.1 工作原理與結構 3.4.2 主要性能參數（像素尺寸、靈敏度、動態範圍、噪聲等） 3.4.3 應用電路與選型 3.5 其他光電轉換器件（如光電導、光敏電阻、光電晶體管等） 3.6 光電器件的噪聲分析與抑製 第四章 光電信號處理電子電路 4.1 模擬信號處理基礎 4.1.1 放大電路（跨阻放大器、跨導放大器等） 4.1.2 濾波電路（低通、高通、帶通濾波器） 4.1.3 信號調理與偏置電路 4.2 數字信號處理基礎 4.2.1 模數轉換器（ADC） 4.2.2 數模轉換器（DAC） 4.2.3 數字濾波器 4.3 噪聲分析與優化 4.3.1 噪聲的來源（熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲等） 4.3.2 噪聲的計算與評估 4.3.3 降噪技術與電路設計 4.4 電源管理與信號完整性 第五章 光電係統設計方法與集成 5.1 係統需求分析與規格定義 5.2 光學鏈路設計 5.2.1 光源選擇與設計 5.2.2 光路優化與布局 5.2.3 光學元件的精度要求與公差分析 5.3 電信號鏈路設計 5.3.1 信號路徑選擇與規劃 5.3.2 元件匹配與阻抗匹配 5.3.3 信號衰減與串擾的控製 5.4 係統集成與互聯 5.4.1 光學與電子部分的接口設計 5.4.2 機械結構設計與熱管理 5.4.3 電磁兼容（EMC）設計 5.5 係統性能評估與測試 5.5.1 關鍵性能指標的測試方法 5.5.2 仿真與建模在設計中的應用 第六章 典型光電係統設計實例 6.1 光學測量係統設計（如光譜儀、測距儀） 6.2 光通信係統設計（如光縴通信節點） 6.3 圖像采集與處理係統設計（如機器視覺相機） 6.4 激光係統設計（如激光測距、激光雷達） 6.5 光電傳感器的應用設計 第七章 光電係統設計中的可靠性與成本考量 7.1 可靠性設計原則 7.1.1 元件壽命與失效分析 7.1.2 環境適應性設計 7.1.3 冗餘與容錯設計 7.2 成本效益分析 7.2.1 原材料成本與製造成本 7.2.2 優化設計以降低成本 7.2.3 權衡性能與成本 第八章 未來發展趨勢與挑戰 8.1 光電技術的新興應用領域 8.2 智能化光電係統設計 8.3 微型化與集成化趨勢 8.4 光電技術麵臨的挑戰與機遇 參考文獻 附錄 --- 《光電係統設計基礎》 第一章 光電係統概述 在人類探索未知、改造世界的漫長曆史中，光與電，作為自然界中最基本、最重要的現象，各自獨立發展，卻又彼此呼應，最終在科學技術的浪潮中匯聚成一股強大的力量——光電技術。從古代人們對日月星辰的觀察，到現代光縴通信的速度；從簡單的透鏡成像，到復雜的航空航天光學係統；從最早的電磁波探測，到如今精密的光學測量與控製，光與電的結閤，不僅極大地拓展瞭人類的認知邊界，更深刻地改變瞭我們的生活方式和生産模式。 光電技術，顧名思義，是指利用光與電的相互作用來獲取信息、傳輸信息、處理信息或實現特定功能的科學技術。它是一個涵蓋麵極為廣泛的交叉學科領域，涉及光學、電子學、材料科學、信息科學、機械工程等多個學科的知識。一個典型而復雜的光電係統，往往是光學部分負責光的産生、傳輸、調製、接收，而電子部分則負責光信號的檢測、放大、處理、轉換，最終實現係統的預定功能。 1.1 光電技術的起源與發展 光電技術的萌芽可以追溯到對光和電基本性質的早期探索。19世紀，光被確認為一種電磁波，法拉第的光電效應實驗，以及後來的赫茲對電磁波的驗證，都為光電技術的齣現奠定瞭基礎。20世紀初，愛因斯坦對光電效應的解釋，確立瞭光子理論，標誌著量子光學時代的到來，也直接催生瞭光電器件的研究。同時，電子管的發明和晶體管的齣現，為光信號的有效處理提供瞭可能。 20世紀中期以來，隨著激光的誕生，光學領域迎來瞭革命性的發展。激光具有高方嚮性、高單色性、高相乾性和高強度的特點，極大地推動瞭光通信、光存儲、光加工等領域的發展。同期，半導體技術的飛速進步，使得高效、小型化的光電器件成為可能，如光電二極管、LED、CCD等。 進入21世紀，光電技術更是呈現齣爆發式的增長。微電子、光電子、納米技術、人工智能的交叉融閤，使得光電係統朝著更高精度、更高效率、更智能化、更微型化的方嚮發展。從智能手機的攝像頭到無人駕駛汽車的激光雷達，從醫療領域的內窺鏡到天文觀測的巨型望遠鏡，光電技術已經滲透到我們生活的每一個角落。 1.2 光電係統的定義與範疇 光電係統是指由一個或多個光電器件與相應的光學元件、電子電路、機械結構等組成，能夠完成特定光電信號的産生、傳輸、接收、處理或轉換功能的有機整體。 光電係統的範疇非常廣泛，可以根據不同的標準進行分類： 按功能分類： 光學測量係統： 如光譜儀、乾涉儀、測距儀、傳感器等，用於精確測量物理量。 光通信係統： 如光縴通信係統、無綫光通信係統，用於高速、大容量的信息傳輸。 成像係統： 如照相機、顯微鏡、望遠鏡、工業相機、安防攝像頭等，用於獲取和記錄圖像。 激光係統： 如激光器、激光雷達、激光加工設備等，利用激光的特性實現特定功能。 光電顯示係統： 如LED顯示屏、OLED顯示器等。 光電器件製造與測試係統： 用於生産和檢測光電器件。 按工作原理分類： 基於光電轉換的係統： 如利用光電二極管檢測光信號。 基於光激勵的係統： 如熒光顯微鏡。 基於光控製的係統： 如光學開關。 按應用領域分類： 消費電子領域： 手機攝像頭、電視、DVD播放器。 通信領域： 光縴通信網絡。 工業領域： 機器視覺、無損檢測、激光加工。 醫療領域： 內窺鏡、激光手術器械、醫學成像。 國防軍事領域： 雷達、偵察設備、夜視儀。 科學研究領域： 粒子探測器、天文望遠鏡、實驗室儀器。 1.3 光電係統在現代科技中的應用領域 正如前麵所提及，光電係統已成為現代科技的基石，其應用領域之廣泛，幾乎覆蓋瞭人類活動的各個層麵。 信息與通信： 光縴通信以其高帶寬、低損耗的特性，構成瞭現代互聯網的骨乾。光信號的調製、解調、傳輸與接收，是光通信係統設計的核心。 計算機與存儲： 光盤（CD、DVD、Blu-ray）是典型的光存儲介質。未來，光計算和光互連技術有望進一步提升計算機的處理速度和效率。 測量與傳感： 光學測量技術精度高、非接觸、易於實現自動化。從實驗室的高精度乾涉儀，到工業現場的激光測距儀，再到環境監測的光譜分析儀，光電傳感器無處不在。 成像與顯示： 數碼相機、手機攝像頭、醫學成像設備（X光、CT、MRI）、安防監控係統，都依賴於先進的圖像傳感器和光學成像技術。同時，各種LED、OLED顯示器也為我們提供瞭豐富多彩的視覺信息。 工業自動化與製造： 機器視覺係統使得機器能夠“看見”並理解世界，在自動化生産、質量檢測、機器人導航等方麵發揮著關鍵作用。激光技術則廣泛應用於精密加工、焊接、切割等領域。 醫療健康： 激光手術、內窺鏡檢查、光動力療法、基因測序中的熒光標記，都離不開精密的光電係統。 科學探索： 從宇宙深處的觀測（如詹姆斯·韋伯空間望遠鏡），到微觀世界的粒子探測（如大型強子對撞機），光電技術是科學傢們探索自然奧秘的重要工具。 新能源與環境： 太陽能電池利用光伏效應將太陽能轉化為電能。光化學、光催化技術也在環境治理、能源轉化方麵展現齣巨大潛力。 1.4 光電係統設計的基本流程與方法 設計一個成功的光電係統，需要遵循一套係統性的流程，並掌握相應的分析與設計方法。 1. 需求分析與規格定義： 這是設計的起點。需要明確係統的預期功能、性能指標（如精度、靈敏度、帶寬、分辨率、穩定性、可靠性等）、工作環境、成本預算以及安全性要求。 2. 概念設計： 在明確需求後，需要構思係統的整體架構，選擇核心的光電器件和關鍵技術，並初步確定係統的組成模塊及其相互關係。 3. 詳細設計： 光學設計： 根據成像、傳輸或照明需求，設計光學係統，包括光源選擇、透鏡/反射鏡參數設計、光路布局、濾光片設計等。 光電器件選型： 根據光學信號的特性和處理要求，選擇閤適的傳感器、探測器、發光器件等。 電子電路設計： 設計信號采集、放大、濾波、A/D轉換、D/A轉換、控製等電子電路，確保光信號能夠被有效處理。 機械結構設計： 設計係統的支撐結構、外殼、固定件等，確保係統的穩定性和可操作性。 熱管理設計： 考慮器件發熱以及環境溫度對係統性能的影響，進行散熱設計。 軟件設計： 如果係統包含微處理器或計算機控製，需要進行嵌入式軟件或應用軟件的設計。 4. 仿真與建模： 利用各種仿真工具（如光學仿真軟件、電路仿真軟件），對設計方案進行預測和優化，降低實際製作中的風險。 5. 原型製作與調試： 按照設計圖紙製作係統的原型，並進行各個模塊的功能調試。 6. 係統集成與測試： 將各個模塊集成起來，進行整體功能的驗證和性能測試，與設計規格進行對比。 7. 優化與改進： 根據測試結果，對係統進行優化和改進，直至達到設計要求。 8. 文檔編寫： 編寫詳細的設計文檔、測試報告、用戶手冊等。 1.5 本書的組織結構與閱讀指南 本書旨在係統地介紹光電係統設計的基礎知識和關鍵技術。全書共分為八章，從基礎理論到係統集成，再到應用實例和未來趨勢，力求全麵而深入。 第一章 為本書的引言，概述瞭光電技術的背景、定義、應用和基本設計流程，幫助讀者建立對光電係統的整體認知。 第二章 迴顧並深入講解瞭設計光電係統所必須的光學基礎理論，包括光的傳播、乾涉衍射、成像原理以及光學元件的特性。 第三章 重點介紹瞭光電係統中的核心環節——光電器件，詳細闡述瞭各種光電轉換器件的工作原理、性能參數及其在係統設計中的選型考量。 第四章 聚焦於光電信號的處理，深入講解瞭與光電係統緊密相關的模擬和數字電子電路設計，以及噪聲分析與抑製技術。 第五章 是本書的重中之重，詳細闡述瞭光電係統的整體設計方法，包括光學鏈路、電信號鏈路的設計，係統集成、互聯、性能評估等關鍵環節。 第六章 通過幾個典型的光電係統設計實例，將前麵章節學到的理論知識付諸實踐，幫助讀者理解實際工程設計中的應用。 第七章 討論瞭在實際工程設計中不可忽視的可靠性與成本問題，提供瞭相關的設計原則和考量方法。 第八章 展望瞭光電技術未來的發展趨勢和麵臨的挑戰，為讀者提供更廣闊的視野。 閱讀指南： 初學者： 建議從第一章開始，按順序閱讀，並重點理解第二章和第三章的基礎光學和光電器件知識，隨後深入學習第五章的係統設計方法。第四章的電子電路部分，可以根據讀者的電子學基礎選擇性閱讀或作為參考。 有經驗的工程師： 可以根據自身需求，直接閱讀感興趣的章節，例如第五章的係統集成與設計方法，或第六章的具體設計實例。 需要特定知識的讀者： 可以根據目錄和索引，快速定位到所需章節進行查閱。 我們相信，通過對本書內容的學習，讀者將能夠更清晰地理解光電係統的構成原理，掌握基本的係統設計方法，並為進一步深入研究和實際工程應用打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

從排版和語言風格來看，這本書呈現齣一種非常嚴謹和學術化的氣息，它顯然是麵嚮高等教育和專業研究人員的。閱讀體驗上，它要求讀者具備較高的專注度和耐心，因為每一頁都充滿瞭專業術語和復雜的公式。不過，作者在試圖構建一個完整的知識體係方麵做得非常齣色，它將光學元件的特性、半導體物理、電子電路理論以及係統層麵的誤差分析有機地串聯起來。我特彆欣賞它對“係統優化”這一核心思想的強調，它始終在提醒讀者，一個優秀的光電係統不是簡單地堆砌最好的元件，而是各個子係統之間相互配閤、達到整體最優解的結果。例如，它對雜散光抑製和熱管理的設計流程進行瞭詳細的步驟分解，這對於進行復雜多模態光學係統開發的研究生來說，提供瞭極佳的範本。這本書與其說是一本快速入門指南，不如說是一部係統性地梳理和深化光電係統設計底層邏輯的參考典籍。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我最深的印象是它在理論與實踐的交匯點上所展現齣的平衡感，但這種平衡更多地偏嚮於對基礎物理原理的深刻理解如何指導實際設計。它不像某些工具書那樣隻教你“怎麼做”，而是花瞭大量的篇幅解釋“為什麼”。例如，在討論激光二極管的遠場光強分布時，它不僅僅給齣瞭數學錶達式，還追溯到瞭光腔的縱模特性和腔內增益的非均勻性，這使得讀者能夠理解為什麼改變電流驅動條件會影響光束的發散角。對於初學者而言，這本書的門檻可能略高，但對於已經掌握瞭基礎光學和電子學知識，並希望提升到更高設計層次的專業人員來說，它提供瞭一個絕佳的平颱來鞏固和拓展知識的廣度和深度。它培養的是一種係統性的、基於第一性原理的解決問題的思維方式，而不是簡單的應用現有模塊。閱讀完後，你會發現自己看待光電器件時的視角變得更加全麵和深刻。

評分☆☆☆☆☆

這部關於光電係統設計的著作，在理論深度上確實令人印象深刻。它並沒有停留在基礎概念的簡單羅列，而是深入挖掘瞭諸如半導體材料的能帶結構如何影響光電器件的性能，以及如何利用量子力學原理來優化光捕獲效率等前沿議題。作者對不同類型光電探測器（如PIN光電二極管、雪崩光電二極管和CCD/CMOS傳感器）的物理機製進行瞭極其細緻的剖析，並輔以大量的數學推導，確保讀者能夠理解從微觀粒子行為到宏觀係統響應之間的完整鏈條。特彆是關於噪聲理論那一部分，講解得尤為透徹，它清晰地闡述瞭散粒噪聲、熱噪聲和暗電流噪聲在實際係統中是如何相互作用並限製最終信噪比的，這對於設計高靈敏度光電設備的工程師來說，是無價的寶貴財富。這本書的圖錶質量也非常高，很多示意圖都經過精心設計，能夠直觀地展示復雜的光學和電子學原理，是理解抽象概念的絕佳輔助工具。總而言之，這是一本適閤有一定物理和電子學基礎，希望在光電器件設計領域深耕的專業人士閱讀的硬核教材。

評分☆☆☆☆☆

我最近翻閱的這本關於光電係統設計的書籍，給我的感覺是它在工程實踐層麵做得非常紮實和接地氣。它不像某些學術著作那樣隻關注理論的完美性，而是花費瞭大量篇幅去討論實際設計中遇到的權衡取捨問題。例如，在係統集成這一章節，作者詳盡地對比瞭不同封裝技術對光束準直精度和熱穩定性的影響，這對於構建一個可靠的戶外監測係統至關重要。書中給齣瞭大量的案例分析，涉及從低功耗的便攜式傳感器到高帶寬的光通信鏈路，每一種場景下的設計約束和優化策略都被分析得入木三分。尤其讓我受益匪淺的是關於信號處理和接口電路的討論，書中不僅提到瞭理想的運算放大器模型，更進一步分析瞭實際運放的失真、帶寬限製和輸入偏置電流對微弱光信號采集的影響，並提供瞭針對性的濾波和補償方案。這本書無疑是一本優秀的“實戰手冊”，它教會你如何將理論知識轉化為能夠穩定運行的工程産品，而不是僅僅停留在紙上談兵的階段。

評分☆☆☆☆☆

我一直在尋找一本能夠清晰闡述現代成像技術中傳感器讀齣噪聲特性的書籍，而這本著作在相關部分的闡述給我帶來瞭極大的驚喜。它不厭其煩地分解瞭電子學讀齣鏈中的每一個環節可能引入的噪聲源，從光子散粒噪聲的理論極限，到半導體結電容導緻的電荷轉移效率問題，再到片上模擬數字轉換器（ADC）的分辨率限製，都有深入的探討。最讓我覺得實用的是，它提供瞭一套完整的係統噪聲預算製定流程，指導讀者如何分配係統的容許噪聲容限到各個子模塊中，這在項目初期規劃階段是極其關鍵的。書中對高動態範圍（HDR）成像技術背後的原理，包括多重曝光和梯度像素技術等，也進行瞭細緻的比較和分析，幫助讀者理解在不同應用場景下，哪種HDR實現方式更為經濟高效。這本書對於那些緻力於高性能圖像傳感器和光譜儀設計的工程師而言，無疑是必備的工具書，其對細節的關注度令人贊嘆。