光機電系統設計與製作
Design and Fabrication of Optro-Mechatronics system
作  者╱
黃君偉 著
出版社別╱
五南
出版日期╱
2018/09/27   (2版 1刷)
  

I  S  B  N ╱
978-957-11-9949-8
書  號╱
5DH0
頁  數╱
852
開  數╱
16K
定  價╱
900


  本書原是台灣大學光學設計和工程,光機電設計和製作之授課內容,在過去十年課程已有將近200位台大學生使用過。本書參考多本國際知名作者光機電習用參考書,經過多次編繹及修訂,並整合作者之專利,累積之著作,及作者上課講義而編成;盼此書成印能讓更多學子得益處,期許可提昇國內光機電知識,軟體操作及測試和製造能力。
※書籍推薦人
經濟部部長   張家祝
台灣大學應用力學所特聘教授    李世光
※推薦文
  根據研究,我們日常生活中接收的資訊,有80%來自視覺。近年來視覺的功能,拜科技之助,大為擴充,小自智慧型手機,大至太空探索,遼闊的視野,遠遠超越了人體有限的生活範疇。這其中,可看到光學,機械,電子學門科技的長足進步,而結合這些科技所發展的光機電系統技術,更將其應用推到極致。
  面對這樣複雜的系統,台灣的產業界雖長於製造,卻亟待加強技術創新。我們過去產業技術的發展,著重在「知其然」(如何做?),而忽略了「知其所以然」(為何如此做?),另一方面,我們勤於改進,卻鮮少探究學理的根源,因此,台灣有很多改良式的發明,卻缺乏足夠的、原創的、本質上的創新。這些狀況,反應在我們的製造業,經數十年的努力,雖然卓然有成,然而當前面臨先進及後進國家的競爭,必須更上層樓。因此,加強基礎學理的研究,產生原創的發明,乃成為科技發展當務之急。此外,我們也亟需強化系統產品的創新設計能力,架基在基礎學理之深耕,能夠促成差異化創新,引領風潮。
  這種基礎學理的深入探討,和系統產品的設計方法,正是本書的特色。作者黃君偉博士乃我摯友,早年留美專攻光機電學,返國後一直在中山科學研究院從事研究工作,公餘之暇並在台大應力所開授光機電設計和製造課程,多年來其教學研究成果十分豐碩,堪稱國內光學領域之權威。本書首先介紹光機電學的理論基礎,依此基礎衍伸探索設計原則,以及設計用的工具軟體。光機電學的學習貴在實作。在本書中亦帶領學習者探索製作與測試,系統設計實例。最後再論及光機電應用的未來發展。在光機電的領域中,少有書籍涵蓋範圍如此之廣,而又切中台灣產業的需要。
  本書的價值,對於初學者而言,在於學到基礎的學理之後,能進一步了解這些學理在實務世界的應用,與達成應用的設計。對於有經驗的工程師,長期使用設計軟體工具之餘,能夠回頭檢視學理,而思有以改進,從而超越設計工具的限制。在此產業界面臨變革之際,此書的出版,饒具意義。我們期待本書能夠嘉惠讀者,從而培養產業所需的基礎科技和系統設計的創新人才。值此書付梓之際,爰為之序。

經濟部長   張家祝

黃君偉 Jiun-Woei Huang, Ph. D.
現任:
國防部中山科學院技正和副研究員/台灣大學應力所兼任副教授,主要教授課程:光學設計和製作,及光機電設計和製造。

學歷:
國立台灣師範大學物理系獲得理學士(1973/8 至 1977/7);
國立台灣師範大學物理研究所碩士(1978/8 至 1981/7) ;
美國德州基督徒大學物理和天文所博士(1985/1至 1990/5) 。

經歷:
中原大學擔任物理系講師:教授大二電磁學及大三近代物理實驗3年(1981/8 至 1984/12);
美國德州基督徒大學研究助理:紅外能譜理論計算,電子順磁共振儀控程式設計及系統製作,及低溫紅外富氏光譜學研究(1985/1至 1990/5);
美國科羅拉多州立大學光雷達實驗室博士後研究員:量測介面之程式撰寫及1.2米反射光學設計及製(1990/5 至1991 /8);
中央研究院博士後研究員:電子順磁共振的理論計算(1991/8 至 1992/1);
中山科學院技正:光學設計,光電系統,光纖通訊及高精度光纖陀螺儀之設計和製作(1992/1-)。

第一篇 光機電基本原理
I. 光學系統原理
第一章 基本光學簡介
第二章 光學成像原理
第三章 鏡面和稜鏡
第四章 光學系統的要件
II. 照明原理
第五章 光源
第六章 輻射和光度
III. 光電轉換
第七章 光電效應及其他相關應用
IV. 機電整合
第八章 機電結構
第九章 光機電應用實例──數位相機

第二篇 光機電設計原則
I. 光學設計原則
第十章 光學計算
第十一章 像差
第十二章 成像評估
第十三章 一般光學系統設計原則
第十四章 特定目的光學系統設計
第十五章 光學和照明系統實例
II. 光學機械設計原則
第十六章 光機電系統的環境和材料
第十七章 光學材料
第十八章 光學機械設計原則
第十九章 大型鏡組
III. 電子和電機設計原則
第二十章 電路設計
IV. 整合設計原則
第二十一章 系統工程
第二十二章 光機電的極佳化理論
第二十三章 控制理論

第三篇 光機電軟體應用
I. 規格的釐定
第二十四章 各種規格
II. 設計軟體應用
第二十五章 光學設計軟體
第二十六章 照明設計軟體
第二十七章 機械軟體
第二十八章 電路設計軟體
第二十九章 控制軟硬體
第三十章 光機電整合軟體

第四篇 製作和測試
I. 光學製作
第三十一章 光學元件製作
II. 光學元件量測
第三十二章 眼睛
第三十三章 光學元件參數量測手續
III. 電路製作
第三十四章 電路及相關介面製作
IV. 機械製作
第三十五章 機械製作方法

第五篇 系統整合實例應用
第三十六章 數位單眼照像機
第三十七章 背光模組為液晶顯示器面板
第三十八章 投影機的模擬和設計
第三十九章 共光路系統設計

第六篇 未來發展
第四十章 光機電產業趨勢

名詞中英對照

光學設計達人必
修的九堂課
物聯網實作:工
業4.0基礎篇
(附光碟)
視光學概論
共舞雷射
自動化控制元件
設計與應用:台
達PLC/HM
I/SERVO
應用開發
半導體製程設備




1.2. 波光學理論及物理性質
但是,對於無法用光線光學理論去解釋的現象,如:折射(Refraction)、色散(Dispersion)、散射(Scattering)、偏振(Polarization)、干涉(Interference)、繞射(Diffraction)等物理現象,以波動理論去解釋卻更為合適,各說明如下:
折射(Refraction):若陽光經過三角稜鏡,因陽光具有可見光-從紅到紫,而在介質中的使得行進光線的方向發生改變的現象;可見不同的光波在同一介質行進的速度是不相同的。
色散(Dispersion):因光的折射率在不同波長並不相同,若是光不是單色時,在行經過一個距離後會產生分光的現象;
散射(Scattering):光射入一個非光滑面時,光會產生四面分散的現象,其分散方向,除了在反射方向外,其他光會隨的主反射光作分散式分佈;
偏振(Polarization):光的行進中,偏振方向和行進方向彼此垂直,若經過偏振元件可以使得光產生偏振現象;
干涉(Interference):同源性光若經過兩個或以上的光路徑,因為路徑光程差不同,若有和光波長相關的光程差;波會產生加成或相減的作用;
繞射(Diffraction):光若經過方型或圓型單光瞳或多光瞳,在會聚面上會因為光瞳的型狀和尺寸而產生波的加成現象,Frensnel 和Fraunhofer 導出圓型,方型,單夾縫或雙夾縫光欄的分光佈函數,Airy以圓型的光欄定義出繞射的極限。
以下部分,先就折射,干涉,及繞射部分先作討論;其他將在後面相關的章節再作說明。
1.2.1. 色散
對於光學介質來說,折射率隨著光的波長而改變。一般而言折射率再波長較短時比較長時大。在先前的討論中,假定在折射表面上的入射光為單色光所組成的。依照Snell’s Law-斯涅爾定律,如圖1.3為一個白光的光線藉由一個反射平面分成許多不同的組成波長。要注意的是藍光是透過一個比紅光還要大的角度彎曲,或折射。這是因為藍光的n2比紅光的n2還要大。當在這個實例中 一個常數,這是很顯而易見的假如在n2藍光中比紅光大,且I2在藍光中必定比紅光小。這樣隨著波長的折射率改變稱為色散;當被當作微分時被寫成dn,而在其他方面色散則為 ,其中λ1與λ2為在色散中兩種不同顏色光的波長。相對的色散可表示為 而且,在實際上,也可表達當中間波長的光彎曲總數的折射率時不同顏色光的散播。