光機電系統設計與製作

　　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。

名人推薦

　　經濟部部長   張家祝
　　台灣大學應用力學所特聘教授    李世光
 

作者簡介

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-)。
 

一．光機電基本原理
1. 光學原理
1.1. 光線光學及物理性質
1.2. 波光學理論及物理性質
1.3. 電磁及晶体光學
1.4. 量子光學理論及應用
1.5. 光學理論在光機電上的應用
2. 光學成像原理
2.1. 一階光學成像原理
2.2. 物像位置與大小初步估算
2.3. 光線在鏡面介面的路徑計算
2.4. 光線追跡計算參數
2.5. 系統組裝機構的光學參數計算
3. 鏡面和稜鏡
3.1. 鏡面與稜鏡原理
3.2. 分光稜鏡
3.3. 系統用稜鏡
3.4. 稜鏡與反射系統的設計
3.5. 反射鏡
3.6. 製造微誤分析
4. 光學系統的要件
4.1. 光瞳與光欄
4.2. 光暈和光暈係數
4.3. 望遠光欄
4.4. 平滑孔徑、冷卻孔徑、反射板
4.5. 光欄的繞射影響
4.6. 焦深和景深
4.7. 高斯光束之繞射
4.8. 傅立葉轉換透鏡與空間濾波器
II. 照明原理
5. 光源
5.1. 黑體輻射
5.2. 發光二極体
5.3. 雷射二極体
5.4. 雷射半導体激發固態雷射
6. 輻射和光度
6.1. 光度學（photometry）
6.2. 輻射量度和光度
6.3. 光的強度
6.4. 輻射率和Lambert’s定律
6.5. 半球面上之輻射
6.6. 發散光源之輻照度
6.7. 輻射計量學之成像；輻射率恆定關係
6.8. 輻射參數和照明參數比較表
III. 光電轉換
7. 光電效應及其他相關應用
7.1. 光電物理現象
7.2. 一維的接收系統──光接收器
7.3. 二維接收器CCD
7.4. 影像感測器的發展
IV. 機電整合
8. 機電結構
8.1. 機械結構
8.2. 儲能裝置
8.3. 動力機械－步進馬達
8.4. 馬達的應用
9. 光機電應用實例──數位相機
9.1. 數位相機的起源
9.2. 數位相機工作原理
9.3. 數位相機與傳統相機的比較
9.4. 數位相機的光學

二．光機電設計原則
Ｉ．光學設計原則
10. 光學計算
10.1. 光線路徑的計算方法
10.2. 光學設計程式的實際步驟
10.3. 自動化設計
10.4. 設計參數的實際考慮
11. 像差
11.1. 像差理論
11.2. 像差的計算
11.3. 影響像差的因素
11.4. 波前光程差的計算
11.5. 主要像差的調整
12. 成像評估
12.1. 像差公差量
12.2. 成像能量分布（幾何）
12.3. 點和線的展開函數
12.4. 調制傳遞函數
12.5. 製作誤差(deviation)及公差(tolerance)
13. 一般光學系統設計原則
13.1. 設計基本步驟
13.2. 單鏡組設計
13.3. 雙合鏡組
13.4. 三合鏡組的無像散透鏡
13.5. 繞射光學設計原則
14. 特定目的光學系統設計
14.1. 望遠鏡，無限聚焦系統
14.2. 顯微鏡
14.3. 攝影鏡組
14.4. 聚光器系統
14.5. 反射系統
14.6. 鏡組公差值評估
15. 光學和照明系統實例
15.1. 測距儀
15.2. 輻射計和探測器光學
15.3. 光纖光學
15.4. 折射率漸變光纖
15.5. 歪像的系統
15.6. 變焦（變動焦距）系統
15.7. 照明裝置
II. 光學機械設計原則
16. 光機電系統的環境和材料
16.1. 光機電重要案例-哈伯望遠鏡
16.2. 環境物理因素
16.3. 材料重要機械特性參數
16.4. 一個實際的光機電系統的考慮因素
II. 光學機械設計原則
17. 光學材料
17.1. 光學材料的物理特性：反射、吸收、散布
17.2. 玻璃材料
17.3. 塑膠光學材料
17.4. 晶體光學材料
17.5. 金屬材料
18. 光學機械設計原則
18.1. 光機偏差量
18.2. 光學元件誤差的原因及改善方法
18.3. 單鏡組光機的設計
18.4. 複鏡組光機設計
18.5. 光機和光學元件之間介面與應力的關係
18.6. 抗溫度變化之光學機械設計
18.7. 稜鏡組的架罝
18.7. 光學元件在光機之校正方法
18.8. 光機製圖
19. 大型鏡組
19.1. 垂直大型鏡組
19.2. 水平大型鏡組
19.3. 動態大型鏡組
19.4. 金屬大型鏡組
19.5. 大型鏡組之減重方式
III. 電子和電機設計原則
20. 電路設計
20.1. 類比電路
20.2. 數位電路
20.3. 數位轉類比DAC電路
20.4. 處理器電路
20.5. 輸出介面電路
20.6. 馬達設計超微小型步進馬達的設計
20.7. 轉子徑值與定子徑值
20.8. 馬達的步進角
20.9. 設計出線軸與極齒
20.10. 組合 3
20.11. 馬達之驗證方式
IV. 整合設計原則
21. 系統工程
21.1. 系統工程程序的七個階段
21.2. 系統工程管理
21.3. 光機電的系統工程
21.4. 生產理論
22. 光機電的極佳化理論
22.1. Lagrange Multiplier原理
22.2. Lagrange 方程式原理
22.3. Lagrange Equation實例
23. 控制理論
23.1. 控制系統之定義
23.2. 控制系統的主要機構
23.3. 回授控制系統的分類
23.4. 控制材料與方法
23.5. 控制理論分析
23.6. 控制系統建立

三．光機電軟体應用
I. 規格的厘定
24. 各種規格
24.1. 光學系統規格
24.2. 光電規格
24.3. 機電規格
24.4. 整合規格
II. 設計軟体應用
25. 光學設計軟體
25.1. 規格的厘定
25.2. 實例應用
26. 照明設計軟體
26.1. 設計步驟
26.2. 設計實例-汽車車燈
26.3. LED背光板
27. 機械軟體
27.1. 操作步驟
27.2. 設計實例-單一相同零件組成一中空四方體的方法
27.3. 相機機構簡易設計
28. 電路設計軟體
28.1. 電路設計程式操作步驟
28.2. 基本操作介面與檔案架構
28.3. 實作範例－簡單穩壓電路圖
29. 控制軟硬體
29.1. 8051 晶片
29.2. 8051 UART的工作方式
29.3. 馬達控制實例
30. 光機電整合軟體
30.1. 簡介
30.2. LabVIEW 2011子程式的內容
30.3. 關鍵操作手續
30.4. 基本操作實例
30.5. 操作實例：影像攝取

四．製作
I. 光學製作
31. 光學元件製作
31.1. 胚料
31.2. 初胚塑造
31.3. 研拋固裝
31.4. 拋光
31.5. 精密拋光
31.6. 對心
31.7. 高速處理
31.8. 非球面製作
31.9. Single-point 鑽石輪磨機
31.10. 塑膠鏡製作
31.11. 反射鏡
31.12. 吸收濾波器
31.13. 散射材料和投射螢幕
31.14. 極化材料
31.15. 準星
31.16. 光學膠和液體
31.17. 鍍膜技術－非導電性反射和干擾濾波器
II. 光學元件量測
32. 眼睛
32.1. 人眼功能
32.2. 眼睛的結構
32.3. 眼睛的特性
32.4. 眼睛的缺點
33. 光學實驗室製作手續
33.1. 透鏡測試座
33.2. 高解析度之勢位式干涉儀分析非球面之表面輪廓
33.3. 光學系統量測-MTF原理和應用
III. 電路製作
34. 電路及相關介面製作
34.1. 印刷電路板種類
34.2. 內層線路
34.3. 壓合
34.4. 鑽孔
34.5. 一次銅
34.6. 二次銅
34.7. 防焊綠漆
34.8. 文字印刷
34.9. 接點加工
34.10. 成型切割
34.11. 終檢包裝
IV. 機械製作
35. 機械製作方法
35.1. 鑄造技術
35.2. 金屬切削技術
35.3. 傳統機械技術
35.4. 焊接與接合技術
35.5. 金屬熱作用技術
35.6. 金屬冷作用技術
35.7. 塑膠材料與技術
35.8. 非傳統加工與超精密技術

五．系統整合實例應用
36. 數位單眼照像機
36.1. 單眼相機基本構造
36.2. 數位影像建立
37. 背光模組為液晶顯示器面板
37.1. 前言與背景
37.2. 背光模組簡介
37.3. 背光模組之關鍵零組件
37.4. 參數模擬與優化結果
37.5. 模擬結果分析
38. 投影機的模擬和設計
38.1. 設計目標
38.2. 設計原理
38.3. 系統設計構想
38.4. 設計評估
39. 共光路系統設計
39.1. 系統架構
39.2. 系統主要元件
39.3. 系統功能
39.4. 效益
40. 太陽能集光系統
40.1. 系統描述
40.2. 系統設計
40.3. 照明模擬
40.4. 結果討論
40.5. 效益

六．未來發展
41. 光機電產業趨勢
41.1. 己有光電產業的更新
41.2. 機器人化
41.3. 光機電驅動人工器官
41.4. 綠能設計
41.5. 整合性的光機電軟體
41.6. 總結