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出版者:国防科技大学

作者:刘政华

出品人:

页数:252 页

译者:

出版时间:2005年07月

价格:24.0

装帧:平装

isbn号码:9787810245951

丛书系列:

图书标签:

• 机械电子学
• 机电一体化
• 传感器
• 执行器
• 电路
• 控制系统
• 自动化
• 电子技术
• 机械工程
• 工业自动化

机械与光影的交织：现代光学与精密仪器工程 本书导言： 在人类对未知世界的探索历程中，视觉始终扮演着至关重要的角色。从古老的透镜制作到如今的纳米级光刻技术，光学作为一门跨越物理学、材料科学与工程学的核心学科，驱动着信息获取、处理和传输的革命。本书《机械与光影的交织：现代光学与精密仪器工程》并非探讨机电一体化或传统控制系统，而是将焦点完全聚焦于光——这一最基础且最灵活的物理媒介，及其在现代工程领域中的应用和实现。我们深入剖析了光波的本质、光的调控、成像系统的设计，以及如何将这些原理固化为高精度、高稳定性的工程装置。 第一部分：光的基础理论与波导技术 第一章：电磁波理论在光学中的应用 本章首先回顾麦克斯韦方程组在介质中的具体形式，重点阐述光波作为一种横向电磁波的传播特性。我们详细讨论了光在不同折射率介质界面上的反射、折射规律，并引入菲涅耳公式，用于精确计算不同偏振态光束的能量分配。随后，章节深入探讨了光的偏振现象，包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振的产生、转换与测量，特别关注了基于液晶（LC）和电光效应（Pockels Effect）的快速偏振控制技术，这些是现代光通信和显示技术的核心。 第二章：几何光学与成像理论的深化 虽然现代光学越来越依赖波动理论，但几何光学依然是设计宏观光学系统（如望远镜、显微镜和投影仪）的基石。本章从费马最小时间原理出发，严格推导了基点的概念，并阐述了近轴近似下的斯涅耳定律简化形式。重点分析了简单透镜和反射镜组的像差理论，包括球差、彗差、像散、场曲和色差。我们利用汉密尔顿特征函数法对复杂多镜系统进行了系统分析，并引入了MTF（调制传递函数）作为评估成像系统性能的客观标准，这是高精度光学仪器的设计核心指标。 第三章：光纤与集成光波导：光的导引与调控 本章着眼于光信号的传输与集成化。我们详细分析了全内反射原理在阶跃型和渐变型光纤中的应用，推导了数值孔径（NA）与有效折射率的定量关系。对于波导结构，我们引入了耦合模理论（CMT），用于描述不同波导模式间的能量交换，这是设计耦合器、滤波器和定向耦合器的理论基础。此外，本书详尽介绍了硅基（Si-photonics）和铌酸锂（LiNbO3）波导的制造工艺、损耗机制及光栅耦合器的设计参数，展现了光通信和光计算的前沿技术。 第二部分：精密光学元件的制造与测量 第四章：超精密表面加工技术 光学系统的性能高度依赖于元件表面的精度。本章聚焦于亚波长精度的表面加工方法。我们详细考察了传统的车削、研磨和抛光技术，并引入了现代的非接触式加工技术，如离子束抛光（Ion Beam Figuring, IBF）和磁流变抛光（Magnetorheological Finishing, MRF）。对这些工艺的误差源分析是关键，包括表面粗糙度（RMS）的控制、点位误差补偿（PDC）和刀具路径优化算法，确保了元件的均方根误差（RMS Error）能达到λ/50甚至更高水平。 第五章：光学镀膜技术与薄膜干涉 光学元件表面的增透膜（AR）和高反射膜（HR）的设计与实现是现代光学仪器的灵魂。本章基于薄膜的电磁场边界条件，推导了多层膜系的反射和透射矩阵公式。我们系统地介绍了真空蒸发、溅射（Sputtering）和原子层沉积（ALD）等关键镀膜技术，讨论了应力控制、膜层稳定性和激光损伤阈值（LIDT）的优化策略。此外，高精度测量中常用的干涉测量技术，如Fizeau干涉仪和白光干涉仪的原理与应用被深入解析。 第六章：光学计量与波前传感 本章探讨如何量化和验证光学系统的性能。我们详细阐述了傅里叶变换（FT）与夫琅禾费衍射相结合的成像质量评估方法。重点介绍现代波前传感技术，特别是夏克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前传感器的工作原理、子孔径光斑的位移测量与Zernike多项式展开，用以精确重构复杂波前畸变。本章也涵盖了对微纳光学结构进行三维形貌测量的共聚焦显微技术及其系统误差修正方法。 第三部分：光机系统集成与动态控制 第七章：精密光学仪器的机构设计与热稳定性 将光学元件稳定地安装在机械平台上，是保证系统长期稳定性的前提。本章关注光机系统（Opto-Mechanical System）的设计原则。讨论了挠性铰链（Flexure Hinges）在无摩擦精密位移台中的应用，以及步进电机、压电陶瓷（PZT）驱动器在纳米级定位中的控制特性。对于大型高精度系统，热膨胀是主要的设计挑战，本章引入了热平衡分析方法，并介绍了低膨胀系数材料（如零膨胀玻璃、SiC）在仪器主体结构中的选型和应用。 第八章：主动光学与自适应系统 本章深入研究了如何实时补偿由环境扰动或自身制造误差引起的光学畸变。详细介绍了变形镜（Deformable Mirrors, DM）的驱动原理，包括压电驱动和电热驱动阵列。对于自适应光学（AO）系统，我们分析了相位恢复算法（如迭代傅里叶变换或梯度下降法）和实时控制回路的带宽要求，这些技术是现代自适应望远镜和高功率激光系统稳定性的关键。 第九章：激光物理与高能光束的操控 本书的最后一部分聚焦于高功率激光系统的工程实现。我们分析了固体激光器（如Nd:YAG）和光纤激光器的增益介质、泵浦源与谐振腔的设计，重点讨论了腔内光学元件的热透镜效应与双折射问题。对于高能光束的整形与偏转，本章探讨了基于衍射光学元件（DOE）的光束匀化技术，以及高速扫描和调制中使用的声光偏转器（AOD）和电光调制器的响应速度与效率极限。 结语： 《机械与光影的交织：现代光学与精密仪器工程》旨在为有志于从事高精度光学设计、制造和系统集成的工程师提供一套完整且严谨的知识框架。本书强调理论与实践的紧密结合，从光的本质出发，逐步推导至复杂的工程实现，是理解和掌握现代精密光学装备设计方法的专业参考书。

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作为一名刚刚接触嵌入式系统集成的初学者，我本来希望能在这本《机械电子学》中找到一个清晰的路线图，指导我如何将微控制器（比如STM32或树莓派）有效地集成到机电系统中。遗憾的是，这本书在这方面的叙述几乎是空白。它只是零星地提到了“使用微处理器进行数据采集”，然后就跳回了传统的继电器逻辑和模拟电路设计。关于如何编写高效的实时操作系统（RTOS）任务来管理多轴同步、如何利用DMA进行高速数据传输，以及如何设计稳健的看门狗和故障处理机制，这些现代机电系统必不可少的内容，在这本书里完全找不到。读完它，我感觉自己仿佛还停留在使用PLC和继电器控制的时代，对于利用C/C++或Python进行底层硬件交互的经验一点帮助都没有。这本书对“电子学”这部分的理解，似乎还停留在硬件电路层面，完全脱离了当今软硬件深度融合的大趋势。

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我花了整整一个周末来试图啃完这本书的关于“传感器接口与信号处理”的那几章，但最终放弃了。这本书对信号采集的描述过于静态和理想化，完全忽略了现实世界中电磁干扰（EMI）、噪声源以及漂移这些核心问题。它只是简单地介绍了电阻式、电容式传感器的基本工作原理，然后就跳到了复杂的数字滤波算法。但关键是，它没有详细说明在实际的PCB设计中，如何布局才能有效隔离模拟地和数字地，也没有讨论过如何选择合适的隔离放大器来应对高共模电压。对于一个关注系统可靠性的工程师来说，这些“工程实践细节”比那些复杂的傅里叶级数展开重要得多。书中提到的例子都非常简单，像是教科书上的理想模型，完全无法映射到我正在处理的高速运动控制系统中遇到的那些棘手的信号完整性问题。总而言之，这本书的深度停留在“知道是什么”，而完全没有触及“如何做好”这个层面上。

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这本书在“系统集成与可靠性”方面的论述，尤其让我感到失望。它似乎默认所有系统都在一个完美的、无尘、恒温的实验室环境中运行。我翻遍了全书，几乎找不到任何关于热管理、电磁兼容性（EMC）测试、或者结构振动对电子元件寿命影响的深入分析。例如，当讨论到功率电子器件时，它只是简单地提到了散热片的设计，却完全没有提及如何通过热阻模型来预测器件的长期可靠性，更不用说如何通过有限元分析（FEA）来优化冷却路径了。对于任何一个需要将原型机投入实际工业环境进行长期运行的设计师来说，可靠性是第一位的。这本书提供了一个美好的理论框架，但却提供了一个完全不切实际的“实现蓝图”，它似乎在回避工程实践中最令人头疼的、也是最耗费精力的那些现实问题。读完后，我对于如何确保我的设计在恶劣环境下能稳定工作，依然毫无头绪。

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这本书在讨论“运动控制系统设计”的部分，简直是浪费篇幅。它花了大量的篇幅去讨论传统的PID控制器的调优，而且给出的各种公式和经验法则，感觉像是从上世纪八十年代的工业手册里直接抄出来的。我本来期待能看到更多关于现代高性能伺服驱动器、矢量控制（FOC）或者至少是基于模型预测控制（MPC）的介绍，这些才是当前高端自动化设备的核心技术。然而，这本书里关于磁场定向控制的讨论，浅尝辄止，公式推导也显得非常跳跃，缺乏严谨的物理意义解释。当我试图对照书中的示例去模拟一个实际负载下的电机响应时，发现书中的参数设定与实际情况严重脱节，导致模拟结果与我用专业软件仿真得到的结果相差甚远。这让我严重怀疑作者对当前工业界主流的驱动技术和控制算法的掌握程度，它更像是一份过时的技术综述，而不是一本面向未来的参考书。

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这本《机械电子学》的书实在是让人摸不着头脑，从头到尾都在讲一些晦涩难懂的理论，感觉作者完全没有站在读者的角度去思考。比如，它用了大量的篇幅去解释一些基础的电机原理和控制系统的数学模型，但对于如何将这些理论应用到实际的工业设计中，却几乎只字未提。我本来是想学习如何设计一个能够精确控制的机械臂或者一个智能化的生产线，结果这本书里充斥着各种拉普拉斯变换、状态空间表示这些高深的数学工具，让我感觉自己像是在上大学的微积分课，而不是在学习一门实用的工程技术。书中的图示也相当陈旧，很多电路图看起来像是上个世纪的设计，完全看不到现代嵌入式系统或者物联网技术的身影。读完之后，我对机械和电子的结合点依然是一头雾水，更别提如何利用现代的传感器和微处理器来实现更高级的功能了。这本书更像是一本理论教材的堆砌，缺乏实践指导和案例分析，对于希望快速上手或者解决实际问题的工程师来说，简直是灾难性的。

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