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第1篇 概述 3

第1章 光机电一体化技术概述 3

1.1 光机电一体化的概念 3

1.2 光机电一体化的特点 4

1.2.1 多种技术系统的有机融合 4

1.2.2 结构简化，使产品易于实现小型化、轻型化 4

1.2.3 精度提高，功能增加 4

1.2.4 高可靠性、高稳定性和高使用寿命 4

1.2.5 智能化、柔性化程度高 5

1.2.6 产品高新技术含量高 5

1.3 光机电一体化的相关技术 5

1.3.1 机械技术 5

1.3.2 光学技术 5

1.3.3 计算机与信息处理技术 6

1.3.4 检测与传感技术 6

1.3.5 自动控制技术 6

1.3.6 伺服驱动技术 6

1.3.7 系统集成技术 6

1.4 光机电一体化技术的发展方向 7

1.4.1 微型化 7

1.4.2 智能化 7

1.4.3 模块化 7

1.4.4 数字化 7

1.4.5 集成化 7

1.4.6 网络化 8

1.4.7 人性化 8

1.4.8 带源化 8

1.4.9 绿色化 8

第2篇 相关共性技术与系统 11

第2章 应用光学基础 11

2.1 光学成像原理 11

2.1.1 共轴理想光学系统 11

2.1.2 理想光学系统的物像关系式 15

2.1.3 光学系统的放大率 18

2.1.4 理想光学系统的组合 19

2.2 光学系统像差基本概念 22

2.2.1 球差 22

2.2.2 彗差 24

2.2.3 像散与像场弯曲 25

2.2.4 畸变 27

2.2.5 色差 29

2.3 光学系统中光束的限制 30

2.3.1 概述 30

2.3.2 孔径光阑、入瞳、出瞳 31

2.3.3 视场光阑、入射窗、出射窗 33

2.3.4 渐晕光阑、消杂光阑、光阑位置及安放原则 35

2.3.5 平面上空间像的不清晰度、景深 38

2.3.6 远心光学系统 40

2.4 光度学基础与光能计算 41

2.4.1 光源的辐射特性 41

2.4.2 发光强度、光照度、光出射度和光亮度 43

2.4.3 光源特性及光源选择 47

2.4.4 光能计算 50

第3章 典型光学系统及其设计 54

3.1 光学设计概述 54

3.1.1 光学系统、光学部件 54

3.1.2 光学系统（部件）设计方法概述 54

3.1.3 光学设计的科技进步与光学设计CAD 56

3.2 光学系统像质评价 58

3.2.1 几何像差公差——像差容限 58

3.2.2 波像差、瑞利准则和中心亮斑所占能量 60

3.2.3 点列图和能量集中度评价 61

3.2.4 分辨率和星点检验 62

3.2.5 光学传递函数 64

3.3 望远物镜设计 68

3.3.1 望远物镜光学特性与结构类型 68

3.3.2 设计实例（1）：双胶合、双分离物镜设计 69

3.4 显微物镜设计 71

3.4.1 显微物镜光学特性与结构类型 71

3.4.2 设计实例（2）：生物显微镜25×消色差物镜设计 78

3.4.3 设计实例（3）：16×无限远像距长工作距离平场物镜的设计 80

3.4.4 设计实例（4）：生物显微镜多功能光电质检仪远心物镜设计 83

3.5 目镜设计 87

3.5.1 目镜光学特性与结构类型 87

3.5.2 设计实例（5）：用试验法设计的系列目镜 89

3.5.3 显微电视CCD摄录接口的设计 90

3.6 照相物镜设计 92

3.6.1 照相物镜的光学特性和结构形式 92

3.6.2 设计实例（6）：照相机标准镜头设计 98

3.7 显微镜光学系统设计 100

3.7.1 显微镜光学系统设计方法 100

3.7.2 设计实例（7）：普通生物显微镜成像光学系统设计 103

3.7.3 设计实例（8）：特种显微镜无限远像距光学系统设计 109

第4章 精密机械系统及其设计 114

4.1 概述 114

4.1.1 精密机械在光机电一体化产品中的地位与作用 114

4.1.2 光机电一体化产品对精密机械系统设计的基本要求 114

4.2 机械传动 115

4.2.1 同步带传动 115

4.2.2 精密齿轮传动 118

4.2.3 精密螺旋传动（Ⅰ）：滑动螺旋传动设计 126

4.2.4 精密螺旋传动（Ⅱ）：滚珠丝杠副传动 135

4.3 光学机械典型结构（Ⅰ）：精密轴系 138

4.3.1 标准圆柱形轴系结构和特点 138

4.3.2 圆锥形轴系 140

4.3.3 运动学和半运动学式圆柱形轴系 141

4.3.4 设计实例（9）：高精度轴系创新结构与配作工艺 144

4.4 光学机械典型结构（Ⅱ）：光学零件与机械零件的联接 147

4.4.1 概述 147

4.4.2 圆形光学零件的固定 147

4.4.3 非圆形光学零件的固紧 153

4.5 光学机械典型结构（Ⅲ）：各种镜头的常用结构 156

4.5.1 物镜的常用结构 156

4.5.2 显微目镜的常用结构 161

4.5.3 设计实例（10）：辊边法固定圆形光学零件的应用——显微物镜光机结构设计 161

4.5.4 设计实例（11）：压圈法固定圆形光学零件的应用——目镜光机结构设计 161

4.5.5 设计实例（12）：非圆光学零件固紧的应用——棱镜组光机结构设计 164

第5章 光电传感与智能光电系统 165

5.1 CCD与CMOS图像传感技术 165

5.1.1 CCD图像传感器 165

5.1.2 CCD图像测量技术 168

5.1.3 设计实例（13）：基于CMOS的显微图像采集系统的设计 172

5.1.4 CCD与CMOS图像传感技术的最新发展 179

5.2 智能光电系统 182

5.2.1 智能光电系统的构成与特点 182

5.2.2 智能光电系统设计方法与要点 184

5.3 设计实例（14）：智能光机电机器视觉图像采集系统设计 186

5.3.1 机器视觉系统概述 186

5.3.2 光电检测原理及光学系统初步设计 186

5.3.3 光学系统特性及设计要点 187

5.3.4 大视场高分辨率机器视觉摄录物镜的设计 188

第6章 伺服控制系统及其设计 193

6.1 机械系统控制 193

6.1.1 控制系统及其组成 193

6.1.2 控制系统的基本要求 194

6.1.3 控制系统的类型 195

6.2 伺服系统的基本要求和设计方法 197

6.2.1 概述 197

6.2.2 伺服系统的基本要求 198

6.2.3 伺服系统设计方法 199

6.3 开环伺服系统设计 200

6.3.1 机械系统设计 200

6.3.2 控制系统设计 204

6.4 闭环伺服系统设计 205

6.4.1 闭环伺服系统的构成 205

6.4.2 闭环伺服系统设计 206

6.5 设计实例（15）：步进电机细分技术在高倍显微物镜自动调焦中的应用 208

6.5.1 自动显微镜调焦原理 208

6.5.2 步进电机细分原理与实现 209

6.6 设计实例（16）：自动倒置显微镜伺服控制系统的研制 212

6.6.1 系统的组成及工作原理 212

6.6.2 伺服控制系统的硬件设计 213

6.6.3 伺服系统的软件设计 213

6.6.4 自动调焦系统 215

6.6.5 显微工作台重复精度的测量 216

第3篇 应用 219

第7章 光机电一体化产品设计 219

7.1 光机电一体化产品设计方法 219

7.1.1 概述 219

7.1.2 产品设计方案的评价与分析方法 220

7.2 光电精密仪器的总体设计 222

7.2.1 设计任务与信号转换 222

7.2.2 精度分析和精度设计 225

7.2.3 总体参数的确定方法 231

7.2.4 总体设计举例 231

第8章 现代制造业装备与光电仪器产品设计案例 233

8.1 案例（Ⅰ）：LF—100型多束激光热轧带钢板形测量仪 233

8.1.1 技术内容 233

8.1.2 测量原理 234

8.2 案例（Ⅱ）：半自动生化分析仪 235

8.2.1 引言 235

8.2.2 生化分析仪基本工作原理 236

8.2.3 生化分析仪光学系统的分光比色方法 236

8.2.4 生化分析仪光学系统的设计 237

8.3 案例（Ⅲ）：油污染度光电检测仪 242

8.3.1 引言 242

8.3.2 系统总体设计 242

8.3.3 光学系统的选择与设计 243

8.3.4 图像处理 243

8.4 案例（Ⅳ）：LED阵列光电检测仪 245

8.4.1 引言 245

8.4.2 系统的检测原理 245

8.4.3 光学系统关键零部件的设计 246

8.4.4 结语 248

8.5 案例（Ⅴ）：硬度微压痕显微图像光电检测装置的设计与实现 248

8.5.1 概述 248

8.5.2 维氏硬度光电检测关键技术 248

8.5.3 设计实例：锚夹片硬度光电检测光学系统 250

8.5.4 图像处理 253

8.6 案例（Ⅵ）：新型金相显微镜系列产品的研发 253

8.6.1 金相显微镜的现代化与现代金相显微术概述 253

8.6.2 JX—4型自动正置金相显微镜 254

8.6.3 自动显微系统多媒体互动实验教学平台 255

8.6.4 金相显微光电检测原理 256

参考文献 259