Opto-Mechanical Systems Design, Third Edition (Optical Engineering) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC

作者:Jr., Paul R. Yoder

出品人:

页数:835

译者:

出版时间:2005-12-09

价格:USD 139.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781574446999

丛书系列:

图书标签:

• 光学设计
• Optics
• Mechanical Engineering
• Optical Design
• System Design
• Precision Engineering
• Instrumentation
• Aerospace
• Photonics
• Engineering
• Opto-mechanics

光力学系统设计：第三版 导言 光力学系统是指将光学元件与机械结构紧密耦合，利用光与机械相互作用的原理来实现特定功能的系统。这类系统在现代科技中扮演着至关重要的角色，广泛应用于科学研究、工业制造、医疗健康、国防军工等诸多领域。从高精度激光加工设备到精密的光学测量仪器，从先进的半导体制造设备到微创手术机器人，光力学系统的身影无处不在。 本书“光力学系统设计：第三版”致力于为读者提供一个全面、深入的光力学系统设计理论框架和实践指南。本书旨在帮助工程师、研究人员和学生理解光力学系统的基本原理，掌握设计、分析和优化此类系统的关键技术，并能够应对实际工程中的挑战。与前两版相比，第三版在内容上进行了 extensive 的更新和拓展，融入了最新的研究进展、技术发展和工程应用案例，力求成为光力学领域最具权威性和实用性的参考书籍之一。 核心内容概览 本书的编写结构清晰，逻辑严谨，内容覆盖了光力学系统设计的各个方面。以下将详细介绍本书的主要内容模块： 第一部分：光力学系统的基本原理与建模 本部分为理解光力学系统奠定了坚实的基础。 光学与力学的相互作用： 详细阐述了光与物质相互作用的基本物理原理，包括光的热效应（如光压、光热诱导形变）、光力效应（如光镊、梯度力）以及这些效应在微观和宏观尺度上的表现。 材料的力学与光学特性： 深入探讨了常用光学材料（如玻璃、石英、金属、聚合物）的光学性能（折射率、透射率、吸收率、散色等）与其力学性能（弹性模量、泊松比、热膨胀系数、应力-应变关系等）之间的关联。理解这些关联是进行光力学耦合分析的前提。 微纳尺度效应： 针对日益重要的微纳光力学系统，本书详细介绍了在微纳尺度下，表面效应、量子效应等对光力耦合的影响，以及相应的理论模型。 数学建模与仿真方法： 提供了多种先进的建模和仿真工具，用于分析光力学系统的行为。这包括： 有限元分析 (FEM)： 详细介绍了如何利用FEM对包含光学元件的复杂机械结构进行应力、形变、热应力以及振动分析。 光学仿真软件： 讲解了如何使用 Zemax、Code V、FRED 等光学设计软件进行光学性能的模拟，并考虑其与机械结构的耦合。 多物理场耦合仿真： 重点介绍了如何将光学仿真结果（如光载荷、热载荷）输入到力学仿真中，反之亦然，实现精确的多物理场耦合分析，例如分析光致形变对光学性能的影响。 解析模型与近似方法： 在某些简化条件下，本书也提供了可行的解析模型和近似方法，以快速评估系统性能。 第二部分：关键光力学元件的设计与制造 本部分聚焦于光力学系统中常用的关键元件，并探讨其设计与制造中的挑战。 光学元件的机械支撑与固定： 讨论了各种光学元件（如透镜、反射镜、棱镜、滤光片）的安装方式，包括边缘支撑、面支撑、弹性支撑等，以及如何设计支撑结构以最小化形变和应力。 光学支架与光学平台的设计： 深入研究了光学支架（如镜架、透镜架）和光学平台（如面包板、光学台）的设计原则，强调其刚度、稳定性、热稳定性以及减震性能。 精密驱动与定位机构： 介绍了用于精确控制光学元件位置和姿态的驱动与定位技术，包括压电驱动器、步进电机、精密导轨、倾斜台等，并分析其在光力耦合下的精度影响。 微纳器件的设计与制造： 针对微型光力学系统，本书详细介绍了微机电系统 (MEMS) 技术在光力器件制造中的应用，如微反射镜、微透镜阵列、光镊装置等。 先进制造技术： 讨论了激光加工、3D打印、微流控等先进制造技术在光力学元件制造中的应用，以及这些技术如何实现复杂结构的设计和制造。 第三部分：光力学系统的集成与优化 本部分将理论与实践相结合，关注光力学系统的整体集成和性能优化。 系统集成与公差分析： 详细阐述了如何将各个光学元件和机械部件进行有效地集成，并对设计中的公差进行敏感性分析，以确保系统的整体性能。 热设计与热管理： 探讨了光力学系统中热效应的影响，包括热膨胀、热形变、温度梯度引起的应力等。本书提供了有效的热设计策略和热管理技术，以维持系统在特定温度下的稳定性。 振动分析与隔振设计： 深入研究了光力学系统在工作过程中可能遇到的振动问题，包括外部环境振动、系统内部运动产生的振动等。本书讲解了振动分析方法以及有效的隔振和阻尼设计技术。 性能优化与控制： 介绍了多种优化方法，用于提升光力学系统的性能，如光学性能的优化（像差校正、光束质量提升）、机械精度的优化（刚度提升、形变减小）、以及动态性能的优化。 案例研究与实际应用： 本书收录了大量来自不同领域的实际光力学系统设计案例，涵盖了： 高精度激光干涉仪： 分析了其光学路径稳定性和机械结构抗干扰设计。 天文望远镜的光学支撑系统： 讨论了其在大尺度下对形变和热扰动的控制。 半导体光刻设备： 讲解了其在微纳尺度下对精度和稳定性的极端要求。 显微镜的聚焦与扫描系统： 分析了其在高分辨率成像中的光力耦合挑战。 光镊与光捕获系统： 探讨了其在生物学和材料科学研究中的应用。 微型无人机与卫星的光学载荷： 讨论了其在轻量化和鲁棒性设计中的权衡。 第四部分：前沿技术与未来展望 本部分着眼于光力学系统的最新发展和未来趋势。 智能光力学系统： 探讨了将传感器、反馈控制和人工智能技术集成到光力学系统中，以实现自适应、自校准和自主优化的智能系统。 量子光力学： 介绍了量子光力学领域的最新进展，包括量子态的操控、量子传感器的开发等。 可重构与柔性光力学系统： 探讨了开发可编程、可变形的光力学系统，以适应不断变化的应用需求。 生物光力学： 关注光力学在生物医学领域的应用，如细胞操纵、药物递送、生物成像等。 本书的特色与价值 “光力学系统设计：第三版”之所以能够成为该领域的权威参考，主要归功于以下几个特色： 内容全面深入： 涵盖了光力学系统的基础理论、关键技术、设计方法、制造工艺以及最新的前沿研究。 理论与实践相结合： 不仅提供了严谨的理论推导，还通过大量的工程实例和案例研究，将理论知识应用于实际问题解决。 最新的技术进展： 第三版充分吸纳了近年来在材料科学、精密制造、微纳技术、人工智能等领域取得的突破，并将其与光力学系统设计相结合。 面向工程师和研究人员： 本书的编写语言清晰易懂，图文并茂，能够满足不同层次读者的需求，无论是初学者还是经验丰富的专家，都能从中获益。 高度的实用性： 旨在为读者提供解决实际工程问题的工具和思路，帮助他们设计出更高效、更可靠的光力学系统。 目标读者 本书适合以下人群阅读： 光学工程师： 需要设计和优化包含光学元件的机械系统。 机械工程师： 关注光学系统对机械结构的要求，以及机械结构对光学性能的影响。 系统集成工程师： 负责将复杂的系统组件集成在一起，并确保其整体性能。 研究人员： 在物理学、工程学、材料科学、生物医学等领域从事与光力学相关的研究。 大学在读学生： 学习光学工程、机械工程、精密仪器、微纳科学等相关专业的学生。 结论 “光力学系统设计：第三版”是一本集理论性、实践性和前瞻性于一体的著作。它不仅是一本教科书，更是一本解决实际问题的工具箱。通过对本书的学习，读者将能够深刻理解光力学系统的复杂性，掌握设计和优化此类系统的关键技能，从而在不断发展的科技领域中，创造出更具创新性和影响力的光力学解决方案。无论是为了提升现有系统的性能，还是为了开创全新的应用领域，本书都将是您不可或缺的指南。

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这本新版的《Opto-Mechanical Systems Design》真是让人眼前一亮，尤其对于我们这些长期在光电系统领域摸爬滚打的工程师来说，它提供了一种近乎教科书式的、系统性的视角来审视一个复杂的设计难题。我特别欣赏作者在处理公差分析和结构稳定性这两个核心问题上所展现出的深度。书中对有限元分析（FEA）在光机设计中的应用进行了详尽的阐述，不仅展示了如何使用软件工具，更重要的是，它教会了我们如何**解读**那些密集的应力图和变形云图，并将这些抽象的数值结果转化为可指导实际装配和材料选择的具体行动。例如，在讲解热膨胀对精密仪器的影响时，作者没有停留在简单的线性公式推导，而是深入到不同材料间的界面应力控制策略，这在处理高精度望远镜或扫描仪这种对环境敏感的系统中至关重要。再者，关于主动光学和被动隔离系统的对比分析，也极其到位，它不再是单纯的理论介绍，而是结合了实际的案例数据，比如在航天级振动环境下，如何平衡系统的响应速度与静态精度。这本书的价值在于，它成功地架设了一座桥梁，将基础的物理原理、先进的数值模拟技术，以及严苛的工程实践要求完美地融合在一起。对于想要将设计水平从“能用”提升到“卓越”的专业人士来说，这本书提供的洞察力是无价的。

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坦白讲，初次翻阅时，我对其中部分章节的“工程经济学”侧重感到些许意外，但这很快变成了我对其高度赞扬的理由。在现代工程项目中，性能永远不能脱离成本和可制造性而单独存在。这本书的独特之处在于，它不仅仅停留在“如何设计一个高性能系统”，更深入探讨了“**如何设计一个可以被高效、可靠制造的高性能系统**”。比如，在讲解如何选择导轨和支撑结构时，作者不仅对比了空气轴承、磁悬浮与精密滚珠导轨的动态性能，还引入了MTBF（平均故障间隔时间）和单位生产成本的权重分析。这使得读者能够从一个更宏观、更贴近项目经理视角的角度去权衡设计选择。特别是关于“快速原型迭代”的章节，对于当前追求敏捷开发的行业趋势，作者提供了如何利用增材制造（3D打印）技术快速验证光机结构布局和散热路径的实用指南。这本手册的维度非常广，它不再是一个孤立的工具书，而更像是一本关于“**复杂光电系统工程化实现**”的全面指南，让你在追求技术指标的同时，也能确保项目在商业上是可行的。

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我个人认为，第三版最大的突破在于它对“集成与封装”的重视程度达到了前所未有的高度。过去，光机设计常常将光学元件的精确安置视为终点，而将电子元件的集成视为另一个独立的问题。然而，在这本书中，作者清晰地论证了电磁兼容性（EMC）、散热管理以及线缆应力对光轴稳定性的间接但致命的影响。比如，书中深入分析了驱动步进电机或压电陶瓷执行器时产生的微小电磁噪声如何耦合到敏感的光路中，并提供了一套系统的屏蔽和接地策略。对于现代的微型化光电系统而言，这种跨学科的整合思维至关重要。它不再将“光机”视为一个纯粹的静态结构，而是将其视为一个**动态、多物理场耦合的复杂实体**。这种“一揽子”的解决问题的思路，极大地拓宽了我们设计人员的视野，促使我们在设计初期就必须考虑热-力-电-光全链路的相互作用。对于那些致力于开发下一代便携式、高集成度传感器的工程师而言，这本书无疑是必备的“避坑指南”。

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这本书的排版和图示质量也值得称赞，这在专业技术书籍中往往是一个被忽视的方面。清晰、专业的工程图和剖视图是理解复杂装配关系的关键。我特别注意到作者对光学对准与标定流程的描述，这部分内容在许多文献中常常描述得过于理想化，仿佛元件一装配到位，系统精度就自动达成了。但在这本书中，作者非常诚实地展示了实际的装配误差是如何累积的，并详细介绍了诸如“三点定位法”或“虚拟球心法”等精密对准技术的实际操作步骤和误差传递模型。这些内容对于那些需要处理多级光学系统的设计者来说，是真正宝贵的财富。它没有回避工程中的“脏活累活”——即那些充满经验主义和反复试错的过程。通过阅读这些章节，我仿佛亲身参与了几次高精度的系统集成，对光轴的建立和维护有了更深刻的敬畏之心。它强调了机械设计不仅是刚度的堆砌，更是**对物理世界中误差的精确控制和补偿**。

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读完这第三版，我最大的感受是作者在“实用性”和“前瞻性”之间找到了一个极佳的平衡点。我过去阅读的很多光机设计书籍，要么过于偏重理论，让人觉得高深莫测难以落地；要么就是纯粹的经验总结，缺乏背后的物理逻辑支撑。然而，这本书却巧妙地避免了这些陷阱。我尤其欣赏其中关于“连接件设计”的那一章节，这在很多手册中常常被轻描淡写。作者深入探讨了螺纹预紧力矩的精确计算、粘接剂的选择及其固化过程对光学元件精确定位的影响，甚至提到了避免应力集中点在关键光轴附近的具体几何设计原则。这些都是我在初期设计评审中经常被质疑的细节，但在这本书里，它们被系统化、量化了。此外，对于新型材料，如碳纤维复合材料（CFRP）在光机结构中的应用，书中提供了非常现实的考虑因素，包括其各向异性对系统的影响以及如何通过层合板设计来控制双折射效应，这一点对于设计高功率激光系统或高精度测量设备的设计师来说，简直是及时雨。总的来说，它像一位经验丰富的老工程师，在你耳边细细道：“做设计，细节决定成败，而这些细节，才是真正的设计艺术所在。”

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