光電系統(tǒng)設計基礎

前言

　　光電技術與光電系統(tǒng)的發(fā)展歷史雖然可追溯到一百多年以前光電效應及光電器件的出現和應用之際，但大量應用是20世紀50年代中期以后的事。作為現代科技發(fā)展的標志性領域，光電技術正全面滲透到人類社會的各個方面，影響甚至部分改變著人們的生活環(huán)境與生活模式。借助計算機技術、信息技術、材料科學技術、先進制造技術、電子技術等的推動與支持，以光電技術為核心形成了新的能力，擴展了人類了解自然、改善生存環(huán)境和提高主宰能力的空間，尤其在探測、感知、顯示、通信、存儲、加工等方面顯示了極強的發(fā)展?jié)摿蛿U展力?！　‖F代光電技術主要包括：激光技術、紅外技術、微光夜視技術、CCD（CMOS）成像技術、平板顯示技術、光纖技術、光通信技術、光存儲技術、光電探測技術、光電檢測與控制技術、太陽能光伏發(fā)電技術、光電照明技術、微納光電技術、集成光路和光電子集成技術等。以光電技術為核心支撐的光電系統(tǒng)（裝備、設備、儀器、產品），在國民經濟眾多領域和國防領域發(fā)揮著越來越重要的作用，甚至是不可替代的作用。　　隨著科學技術的進步，光學系統(tǒng)（儀器）逐漸拓展到了光電系統(tǒng)，并已發(fā)展成從紫外到遠紅外，多功能、高精度的許多類別的高技術產品。光電系統(tǒng)的設計牽涉到光學、機械、電子、計算機、控制等多學科的內容，由于光電系統(tǒng)類別繁多，發(fā)展迅速，光電系統(tǒng)設計至今沒有一個完整的規(guī)范性定義和內容?！　”緯鴱目傮w技術設計、軍民用途的角度出發(fā)，選擇信息光電系統(tǒng)和能量光電系統(tǒng)及其設計的幾個典型內容予以介紹和論述，主要包括：光學系統(tǒng)設計、目標輻射特性工程計算、紅外輻射大氣傳輸、紅外凝視成像系統(tǒng)、紅外傳感器設計、CCD及其應用系統(tǒng)設計、光電系統(tǒng)作用距離計算、LED及其應用設計、太陽能光伏發(fā)電及其系統(tǒng)設計、光電伺服控制系統(tǒng)及其設計。對于其他軍、民用光電系統(tǒng)（如光電制導系統(tǒng)、光電搜索系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)、激光制造系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)、微納光電系統(tǒng)等），及其相關內容（如電氣系統(tǒng)設計、結構設計、環(huán)境與可靠性設計、維修性設計、電磁兼容性設計等），由于篇幅所限、處于發(fā)展中或另有專著等原因，則沒有涉及，建議讀者參閱相關專著或文獻資料?！　」怆娤到y(tǒng)設計是光電信息工程、光信息科學與技術等光電信息類專業(yè)及相關類別專業(yè)的一門重要專業(yè)主干課程，是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決實際工程問題的一門課程。目前，這種應用性較強、口徑較寬的設計技術性教材、專著尚未見到。本書不求面面俱到，但求從培養(yǎng)能力、啟發(fā)潛能、注重實用的角度，介紹幾類典型光電系統(tǒng)和有關重要設計技術內容。本書可作為光電類專業(yè)和相關專業(yè)高年級本科生、研究生的教材或參考書，也可供從事光電系統(tǒng)（裝備）技術及相關技術工作的科技人員、管理人員學習或參考。

內容概要

　　《光電系統(tǒng)設計基礎》從總體技術設計、軍民用途的角度出發(fā)，選擇信息光電系統(tǒng)和能量光電系統(tǒng)及其設計的幾個典型內容予以論述，圍繞著如何提高總體系統(tǒng)性能水平這一主線，介紹了光電系統(tǒng)設計的基礎理論和工程方法。全書共分11章，內容包括：緒論、光學系統(tǒng)設計概要、目標與環(huán)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、紅外凝視成像系統(tǒng)、紅外傳感器工程設計、CCD及其應用系統(tǒng)設計、光電系統(tǒng)作用距離工程計算、LED及其應用設計、太陽能光伏發(fā)電及其系統(tǒng)設計、光電伺服控制系統(tǒng)及其設計?！豆怆娤到y(tǒng)設計基礎》融合了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合，系統(tǒng)性和工程應用性強，概念清晰，易于理解，條理分明?！　　豆怆娤到y(tǒng)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(yè)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(yè)研究生的教材或參考書，同時可供從事光電系統(tǒng)（裝備）總體論證、技術設計、研制、試驗、檢驗等方面工作的相關技術與管理人員學習、參考，對于從事電子系統(tǒng)（裝備）的科研和工程技術人員亦有一定的參考價值。

作者簡介

　　吳晗平，教授，工學博士，研究生導師。曾獲省(部)級科技成果獎一等獎一項，三等獎四項。以第一作者出版國家軍用標準一部，由科學出版社出版獨撰學術專著《光電系統(tǒng)環(huán)境與可靠性》，在國內外專業(yè)學術期刊上獨立或以第一作者發(fā)表論文七十余篇。2006—2010年教育部高等學校光電信息科學與工程專業(yè)教學指導分委員會協作委員、電子科學與技術專業(yè)教學指導分委員會協作委員。中國光學學會光學教育專業(yè)委員會常務委員，中國光學學會高級會員，中國電子學會高級會員。 《中國光學與應用光學》等期刊編委，多家核心期刊審稿專家。主要研究領域：光電子系統(tǒng)總體技術與設計，環(huán)境與可靠性工程技術，光電檢測技術，圖像處理與目標識別，光機電一體化等。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 光電系統(tǒng)及其基本組成與設計1.2 光電系統(tǒng)的分類1.3 光電系統(tǒng)的應用1.4 光電系統(tǒng)的發(fā)展基礎1.5 光電技術及系統(tǒng)發(fā)展的制約因素1.6 光電產品工程設計控制程序1.7 光電產品設計圖樣文件技術要求1.8 光電系統(tǒng)設計與仿真軟件第2章 光學系統(tǒng)設計概要2.1 光學儀器及其發(fā)展2.2 光學設計及其發(fā)展2.3 應掌握的光學設計基礎2.4 光線追跡及像差校正常用方法2.5 光學設計的大致類型及各類鏡頭的設計差別2.6 設計舉例第3章 目標與環(huán)境輻射及其工程計算3.1 光輻射與度量3.2 絕對黑體及其基本定律3.3 輻射源及其特性形式分類3.4 點源、小面源、朗伯擴展源產生的輻照度3.5 目標與環(huán)境光學特性的分類及特點3.6 環(huán)境與目標光輻射特性3.7 目標輻射的簡化計算程序第4章 紅外輻射大氣透過率的工程理論計算方法4.1 大氣衰減與透過率4.2 大氣的組成及吸收作用4.3 大氣中輻射衰減的物理基礎4.4 大氣透過率數據表4.5 海平面上大氣氣體的分子吸收4.6 不同高度時的分子吸收修正問題4.7 大氣分子與微粒的散射4.8 與氣象條件有關的衰減4.9 平均透過率與積分透過率的計算方法4.10 計算實例第5章 紅外凝視成像系統(tǒng)5.1 熱成像技術特點5.2 紅外凝視成像技術的發(fā)展5.3 紅外凝視成像系統(tǒng)的工作原理5.4 紅外焦平面陣列非均勻性產生的原因及其校正技術5.5 紅外凝視系統(tǒng)中的微掃描技術5.6 熱像儀產品選例第6章 紅外傳感器工程設計6.1 紅外工作波段的選取分析6.2 系統(tǒng)總體對紅外傳感器提出的功能及性能指標要求6.3 紅外傳感器工作原理與組成6.4 紅外探測器件及物鏡光學參數選取第7章 CCD及其應用系統(tǒng)設計7.1 CCD成像器件的特征參量及其評價7.2 CCD攝像機分類7.3 CCD的工程技術應用7.4 CCD圖像傳感器在微光電視系統(tǒng)中的應用7.5 高靈敏度CCD光電信號檢測系統(tǒng)設計第8章 光電系統(tǒng)作用距離工程計算8.1 紅外系統(tǒng)作用距離計算8.2 脈沖激光測距系統(tǒng)作用距離計算8.3 電視跟蹤儀作用距離計算8.4 微光電視作用距離計算第9章 LED及其應用設計9.1 LED的工作原理9.2 LED的發(fā)展歷史與半導體材料的分代9.3 LED的工作特性9.4 LED特性與主要參數9.5 LED的分類9.6 LED芯片的制造工藝9.7 大功率LED封裝散熱技術9.8 LED驅動電路及設計9.9 LED照明與其他照明方式性能比較9.10 半導體照明燈具系統(tǒng)設計概述第10章 太陽能光伏發(fā)電及其系統(tǒng)設計10.1 太陽能發(fā)電概述10.2 光伏發(fā)電的歷史及應用領域10.3 太陽能電池10.4 太陽能電池生產工藝流程10.5 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成10.6 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計10.7 住宅用太陽能光伏系統(tǒng)簡易設計10.8 10kW太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)設計概要第11章 光電伺服控制系統(tǒng)及其設計11.1 自動控制基礎11.2 控制系統(tǒng)的基本要求與性能指標11.3 控制系統(tǒng)設計的基本問題11.4 控制系統(tǒng)的設計方法11.5 光電伺服系統(tǒng)11.6 光電跟蹤控制系統(tǒng)11.7 機械結構因素對光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能的影響參考文獻

章節(jié)摘錄

　　雖然光電系統(tǒng)的基本組成大體類似，但就其工作原理、應用目的和使用場所來講可謂千變萬化，分類方式也多種多樣。例如，按系統(tǒng)工作的光譜區(qū)域分類（可分為紫外光、可見光和紅外光三大類光電系統(tǒng)）；按主動（有源）工作還是被動（無源）工作來分類；按裝置的掃描方式分類；按信號處理的方式分類；按用途分類等。由于相互間穿插，很難做到明確的分類。又如，按用途可以分成以下幾類：　?。?）光電測繪系統(tǒng)，如多普勒測速（測振），光電測繪（緯儀），光電準直（激光直儀）?！　。?）光學顯微與觀測系統(tǒng)，如內窺鏡，光電瞄準，（光刻機，全自動對準），光電攝像，可視電話（圖像壓縮與解碼），天文觀測（哈勃望遠鏡）。　?。?）軍用光電系統(tǒng)。軍用光電系統(tǒng)是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為核心，將光學技術、電子微電子技術和精密機械技術等融為一體，具有特定戰(zhàn)術功能的軍事裝備，如激光測距儀（相位法測距，脈沖法測距），對潛艇通信（532nm激光（藍綠光）容易通過海水“窗口”），激光探潛（探水雷），激光偵聽（紅外激光）?！　。?）光電檢測系統(tǒng)。用光電的方法對某些物理量（聲、光譜、熱、電、磁、力）、化學量（濃度等）、幾何量（長度、角度、表面粗糙度）進行檢測的系統(tǒng)，如粉塵檢測，氣象雷達，大氣光學（光譜），光譜分析。其特點如下：①非接觸測量，即適合接觸測量易引起誤差的場合或無法用接觸的方法測量（遠程、高溫、危險）；②精度高；③空間分辨率高；④實時測量，如玻璃管直徑測量，光盤聚焦誤差測控；⑤有受光學介質的影響大（水、空氣、塵土），成本高的缺點?！　【蛙娪霉怆娤到y(tǒng)的分類而言，通常有兩種分類體系：一種是基于其配置和運載方式的“搭載”分類體系；另一種是基于其戰(zhàn)術功能屬性的“功能’’分類體系。按照搭載分類體系劃分，可分為車載光電系統(tǒng)、艦載光電系統(tǒng)、艇載光電系統(tǒng)、機載光電系統(tǒng)、彈載光電系統(tǒng)、星載光電系統(tǒng)等；按照功能分類體系劃分，可分為預警與遙感系統(tǒng)、偵察與監(jiān)視系統(tǒng)、火控與瞄準系統(tǒng)、精確制導系統(tǒng)、導航與引導系統(tǒng)、靶場測量系統(tǒng)、光學通信系統(tǒng)和光電對抗系統(tǒng)等八大類。　　如果就系統(tǒng)工作的基本目的和原理出發(fā)，光電系統(tǒng)可以分為信息光電系統(tǒng)（探測與測量系統(tǒng)、搜索與跟蹤系統(tǒng)、光電成像系統(tǒng)）和能量光電系統(tǒng)（能量光電加工系統(tǒng)和能量光電轉換系統(tǒng)）兩大類。

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