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出版者:电子工业

作者:史健芳

出品人:

页数:311

译者:

出版时间:2007-9

价格:29.00元

装帧:

isbn号码:9787121044038

丛书系列:

图书标签:

• 智能仪器
• 仪器设计
• 传感器技术
• 数据采集
• 信号处理
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• 测量技术
• 自动化
• 控制系统

《现代光学系统成像与应用》 图书简介 本书全面深入地探讨了现代光学系统的基本原理、关键技术、设计方法及其在多个前沿领域的具体应用。全书内容涵盖了从基础的光学理论到复杂系统的工程实践，旨在为光学工程、精密仪器制造、光电子技术等相关专业的学生、研究人员和工程师提供一本兼具理论深度与实践指导意义的参考书。 第一章：光的基础理论与波动光学 本章系统回顾了电磁波理论在光传播中的基础地位，详细阐述了光的电磁场性质、惠更斯-菲涅耳原理以及光的干涉与衍射现象。重点分析了夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射在系统成像中的影响，并引入了傅里叶光学的基础概念，解释了透镜作为傅里叶变换器的核心作用。此外，对光的偏振态、偏振元件（如起偏器、检偏器、波片）的特性及其在光束控制中的应用进行了详尽的论述。本章为理解后续复杂光学系统的成像规律奠定了坚实的理论基础。 第二章：几何光学与成像系统基础 本章聚焦于几何光学模型，这是描述光线传播和成像的宏观框架。内容包括斯涅尔定律、光线追迹的矩阵方法（ABCD矩阵）在光瞳和场曲分析中的应用。详细解析了理想成像系统的基本参数：焦距、放大率、视场角和数值孔径（NA）。深入剖析了理想透镜的成像过程，并引入了光束的束腰半径和光束质量因子（$M^2$）的概念，这对于激光系统的设计至关重要。同时，本章也探讨了反射镜、棱镜等基本光学元件的结构和功能。 第三章：光学系统的像差理论与校正 光学系统在实际工作时，由于实际元件的局限性，总会引入各种像差，严重影响成像质量。本章是全书的核心部分之一，详细分类讲解了五大经典几何像差：球差、彗差、像散、场曲和畸变。每一类像差的成因、数学表达式以及对图像的影响都进行了细致的分析。在此基础上，本章重点介绍了校正这些像差的工程手段，包括使用非球面镜面、复眼透镜组、巴洛（Barlow）透镜组以及多镜组合技术。同时，也引入了色像差的分类及其在消色差设计中的应用原则。 第四章：现代光学系统的调制与性能评价 本章着眼于如何量化和评价光学系统的成像性能，将理论分析过渡到实际指标。引入了调制传递函数（MTF）的概念，详细推导了点扩散函数（PSF）、线扩散函数（LSF）和MTF之间的关系。阐述了光学系统对不同空间频率信号的响应能力，并讨论了由像差、衍射和衬度限制引起的MTF下降机制。此外，本章还讨论了光阑、光学传递函数（OTF）的概念，以及如何利用人眼视觉模型对系统性能进行综合评价。对于微纳光学系统，本章也涉及了衍射效率和光栅耦合器的性能分析。 第五章：先进光学元件与材料 本章探讨了现代光学系统设计中常用的先进元件和特种材料。重点介绍了： 1. 非球面光学元件： 解释了非球面相对于球面校正像差的优势，以及非球面元件的制造公差和检测方法。 2. 衍射光学元件（DOE）： 深入分析了全息光栅、相位板（Phase Plate）和衍射透镜的原理，及其在波前整形和多焦点成像中的应用。 3. 光学镀膜技术： 详细介绍了增透膜、高反膜、分束膜的物理原理（多层膜理论），以及如何通过膜系设计控制特定波段的光谱特性和偏振特性。 4. 功能材料： 讨论了用于制造高折射率、低色散或特定吸收特性的光学玻璃和晶体材料的选择标准。 第六章：自由曲面与光线追迹仿真 随着计算能力的提升，自由曲面（Freeform Surface）光学设计已成为解决复杂成像难题的关键。本章引入了参数化自由曲面的数学描述方法（如Zernike多项式、T插值法），并探讨了如何利用这些曲面来大幅度简化光路，减小系统体积。本章的重点在于将理论与工程软件相结合，详细介绍了利用商业光学设计软件（如Zemax, Code V等）进行复杂光路追迹、系统优化和公差分析的流程和技巧。通过实际案例演示，展示如何根据系统指标（如MTF、RMS斑点尺寸）迭代调整元件参数直至达到设计要求。 第七章：激光光束整形与传输 激光系统作为现代光学的重要分支，对光束的质量和空间分布有极高的要求。本章集中于激光光束的特性：高斯光束的传播特性、束腰、 Rayleigh 距离和光束发散角。着重介绍了实现各种光束整形的技术，包括： 1. 平顶光束的生成： 利用DOE或复变函数透镜（Complex Amplitude Modulation Lenses）生成具有均匀能量分布的光斑。 2. 光束压缩与展宽： 利用 4f 系统和拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian）光束的特性进行光束的模式转换。 3. 光纤耦合： 分析了光纤的数值孔径、模场直径对耦合效率的影响，以及耦合损耗的优化策略。 第八章：成像系统集成与环境适应性 本章关注光学系统从设计走向实际产品的工程化过程。内容包括： 1. 机械结构对光路的影响： 分析了热形变、振动和装配误差对系统成像质量的退化作用，以及如何通过机械设计（如刚性支撑、应力隔离）进行补偿。 2. 环境适应性设计： 探讨了在宽温、高湿或高真空环境下，光学元件（包括镀膜）的稳定性问题，以及通过材料选择和封装技术提高系统可靠性的方法。 3. 镜头装配与对准： 详细阐述了精密镜头的装配流程，包括镜片间隙的控制、共焦调校和像面平整度的精确检测技术。 第九章：现代光学系统前沿应用案例分析 本章通过多个具体应用案例，展示了本书所学知识的应用深度： 1. 高分辨率显微成像系统： 分析了远NA物镜的像差控制、数值孔径与景深之间的权衡，以及共聚焦显微镜的光截面成像原理。 2. 空间遥感光学系统： 讨论了超远距离成像的衍射极限限制、大视场离轴三反系统的设计挑战与校正方法。 3. 工业机器视觉系统： 侧重于远心镜头的设计、深度测量（如双目视觉）中的标定和畸变校正技术。 通过对这些前沿案例的深入剖析，读者能够将基础理论与实际工程需求紧密结合起来，为未来复杂光学系统的开发打下坚实基础。

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坦率地说，我拿到这本书时，内心其实是抱持着一丝疑虑的。市面上关于“基础”的教材汗牛充栋，大多陷入了公式堆砌和概念罗列的窠臼，读起来枯燥乏味，让人难以深入。然而，这本书的叙事方式完全颠覆了我的预期。作者似乎深谙读者的心理困境，他没有急于抛出那些抽象的数学模型，而是从一个更宏大、更具象的工程问题切入，仿佛带领我们走进一个虚拟的实验室。比如，在讨论传感器原理的那一章节，他没有直接给出频响曲线的数学推导，而是通过一个生动的工业监测场景，解释了为什么我们需要关注信噪比和线性度，这种“先见问题，后给方案”的逻辑构建，使得每一个技术点都拥有了存在的必要性和价值感，自然而然地吸引人去理解其背后的原理。阅读体验极其流畅，行文如行云流水，没有那种生硬的“教科书腔调”，更像是一位经验丰富的工程师在与同行进行一次深入且富有启发性的对话。

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这本书的深度远超出了我对于“基础”二字的传统认知。很多看似基础的概念，作者都挖掘到了底层逻辑，并提供了多维度的解释。例如，在谈及信号调理电路的设计时，它不仅覆盖了基本的滤波和放大技术，还深入探讨了诸如共模抑制比（CMRR）在实际抗干扰环境中的具体影响，甚至还引用了最新的低功耗设计规范作为设计约束条件。这表明作者的知识体系极其完备，能够将经典理论与现代工程实践无缝对接。我特别欣赏它在章节末尾设置的“设计挑战与反思”环节，这些开放性的问题往往直指设计中的痛点和权衡（Trade-offs），促使读者跳出“标准答案”的思维定势，开始真正地进行批判性思考。这与其说是一本教材，不如说是一部实践者的心法秘籍，它教会的不是“如何做”，而是“为什么这么做才是最好的选择”。对于希望从“操作者”晋升为“设计者”的读者来说，这种深度无疑是极其宝贵的财富。

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如果说有什么不足之处，那可能是在软件工具的应用案例上稍显保守。虽然书中对算法和硬件接口的描述清晰到位，但对于当前工业界越来越主流的某些新型仿真平台或快速原型开发工具（比如基于FPGA或特定嵌入式系统的集成开发环境）的实战演练，覆盖得还不够深入。我期待在未来的版本中，能看到更多关于如何将书中所学的理论知识，迅速转化为可运行的、带有实时数据采集和可视化界面的实际系统的案例分析。例如，关于数据预处理和上位机通信的部分，如果能结合最新的Python数据分析库或者MATLAB的实时数据流功能进行讲解，将会极大地增强其对现代工程学生的吸引力和实用性。目前的内容，更多地聚焦于硬件层面的原理构建和模型推导，这固然是基石，但对于追求效率和快速迭代的现代产品开发流程来说，软件实现环节的“接地气”程度，是衡量一本工程书实用价值的另一重要维度。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面那种低调的金属质感和简洁的字体排版，散发出一种专业而又深邃的气息，一看就知道这不是一本泛泛而谈的入门读物。我尤其喜欢它在色彩搭配上的克制，没有使用那些花哨的、容易过时的设计元素，反而用一种近乎严谨的蓝灰色调，烘托出内容本身的重量感。内页的纸张选材也十分考究，触感细腻，便于长时间阅读而不易产生视觉疲劳。更值得称道的是，书中大量的插图和示意图，那些复杂的电路结构和系统流程图，都被绘制得清晰、精准，线条的粗细和标注的字体大小都拿捏得恰到好处，即便是初学者也能迅速抓住核心概念的物理形态。这种对细节的极致追求，让这本书在众多同类教材中显得格外出众，它不仅仅是一本知识的载体，更像是一件精心打磨的工艺品，让人在翻阅的过程中，就能感受到作者对“设计”二字所蕴含的工匠精神的尊重。整体而言，从视觉到触觉，这本书都传递出一种高质量、高水准的信号，极大地提升了我的阅读期待。

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这本书在对“可靠性”和“鲁棒性”的强调上，达到了一个令人印象深刻的高度。在如今万物互联和高精度测量的背景下，一个设计优良的仪器，其性能指标固然重要，但其在非理想环境下的持续稳定工作能力，才是决定其商业价值的关键。这本书并没有将这些视为高级主题，而是将其融入到每一部分基础设计的讨论中。例如，在谈及元器件选型时，它会详细对比不同工艺的器件在温度漂移和长期老化方面的差异，并在设计冗余和故障保护机制方面提供了详尽的指导方针。这种前瞻性的安全意识和对长期运营成本的考量，使我深刻认识到，一个优秀的“基础设计”，其核心在于对不确定性的管理。它塑造了一种严谨、务实的工程哲学，教会我们设计不仅仅是实现功能，更是对风险的精准预判和化解。这本书的价值，恰恰在于它将这些“软性”但决定性的工程素养，以最扎实、最体系化的方式呈现了出来。

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