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光機電系統設計與製作

Design and Fabrication of Optro-Mechatronics system

作　　者：黃君偉
出版社別：五南
出版日期：2018/09/27(2版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-11-9949-8
書　　號：5DH0
頁　　數：852
開　　數：16K
定　　價：900元
優惠價格：810元

經濟部部長  張家祝
台灣大學應用力學所特聘教授   李世光

　　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。

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-)。

  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

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。

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