第2版前言

光电系统(装备、设备、仪器、产品)的发展在于研发，研发的核心在于设计，设计是研发的关键环节和重要阶段。传统的光电系统设计(狭义设计)往往只考虑专有特性的实现，而现代光电系统设计(广义设计)应全面考虑光电系统的专有特性和通用特性，以及可销售(贸易)性和全寿命周期。作为越来越多学科化、复杂化、“专精特新”化的光电系统，其质量特性既有专有特性，也有通用特性，如何能在规定的约束条件下，全面实现、满足和保证质量特性，这是设计的主要任务和工作内容。

从工程角度看，能设计出来，不一定能加工(制造)出来； 能加工(制造)出来，不一定能装配出来； 能装配出来，不一定能检验、试验出来； 能检验、试验出来，不一定能便捷高效操作、使用、维护与保障； 能单件或小批量生产、检验、试验，不一定能适合大批量生产、检验、试验。因此，系统设计应统筹考虑加工与装配工艺、检验与试验方法、“六性”“三化”等因素的全过程协调性与匹配性。

从技术角度看，光电系统的设计牵涉光(光学)、机(机械结构)、电(电子)、算(计算机)、材(材料)、软件、控制、工艺、目标与环境等多学科的技术内容。既有单项技术设计，也有总体技术设计，更有综合优化设计。既涵盖材料设计、元器件(零部件)设计、结构设计，更包括综合集成总体设计。

从构型角度看，光电系统的设计既有微型化、微纳化趋势的高集成性微观设计，也有多单机、多子系统趋势的大系统性宏观设计。

从工具角度看，光电系统的设计工具软件，从分离的单项设计工具软件(如CODE V、SYNOPSYS、ANSYS、Multisim等)到基于装配、生产的设计工具软件，再到逐渐发展并构成多类别软件通用(专用)接口、共享相关数据的设计工具软件一体化有机融合综合智能系统。

光电系统设计从不同学科、专业技术间的简单“串并联”结合“施工”，将转向多学科、技术相互渗透、交叉的复杂化、模块化、专业化、协作化、规律化的“集团施工”。

作者于2009年、2010年在科学出版社分别出版了《光电系统环境与可靠性》(简称2009版)、《光电系统设计基础》(简称2010版)，于2018年、2019年、2021年在清华大学出版社分别出版了《光电系统环境与可靠性工程技术》(简称2018版)、《光电系统设计： 方法、实用技术及应用》(简称2019版)、《光电系统设计基础》(简称2021版)。2009版、2010版分别是光电系统环境与可靠性、光电系统设计的国内最早版本，构成当时相对完整的一套光电系统设计书。随着对相应科学、技术、工程的研讨与思考的进一步深入和拓展，以及国内外科学技术、工程技术的不断进步，2009版发展成2018版； 而2010版发展成为内容深度与广度、读者对象等有所针对的2019版和2021版两个版本，这两个版本既有其内容互补性，也有各自偏重和相对独立性，形成姊妹篇。虽然2018版与2019版、2021版共同构成目前相对完整的一套光电系统设计书，但仍有诸多有待完善之处。

光电系统设计正向着成为一门相对独立的综合设计分支学科——“光电系统设计学”的方向发展。在2009版中，作者最早对“光电系统”概念进行了较完整的界定； 在2010版中，提出光电系统的一种分类——“信息光电系统”和“能量光电系统”； 其后在2021版，又对“光电系统”概念进行了更完善的扩展界定，并进一步提出把光电系统分为“信息光电系统”“能量光电系统”“信息/能量光电系统”三大类的分类方法； 等等。作者尝试不论从光电系统设计思想的纵向构架与方法，还是横向构架与方法，以及光电系统设计学这一分支学科的体系内容与边界、交叉性、继承性与创新性等，进行了20多年的探索。因此，可以管窥之见地说，光电系统设计学的萌芽与发展是必然的，对光电系统的技术设计与工程制造必将起到正向推动作用。

本书从2019年出版以来，已多次印刷，得到了广大光电行业技术与管理人员的肯定。借此再版的机会，对2019版的许多内容进行了较全面的增补、勘误、完善与优化。从全书构架来说，依然保持原书的总体结构，但对不同章节修订内容的多少、深浅有所侧重，主要体现如下： 

(1) 在第1章中，基于先进性角度，对“设计概述”“光电系统的分类”“光电系统的应用”“光电系统的发展基础”等内容进行了修订； 增补了“光电系统的发展”； 在“光电技术及系统发展的主要制约因素”中，提出了“标准滞后与标准化程度薄弱”的问题与对策； 在“光电系统设计与仿真软件”中，提出了利用众多相关工具软件构成综合集成设计软件的示例技术思路。

(2) 在第2章中，修订了“绝对黑体及其基本定律”这一节，并增补了“色温、亮温与全辐射温度”，以及相关技术数据与工程应用等内容。

(3) 在第3章中，增补、完善了“大气的散射衰减”，研讨了“激光辐射在大气中的传输及计算方法”“部分相干辐射在大气中的传输”等内容。

(4) 在第4章中，从技术更新角度，完善了“光学仪器及其发展”，增补了“光学镜头的分类”等内容，用前沿性的“基于谐衍射与自由曲面的离轴三反设计示例”，替代了传统的“可见光光学系统设计示例”。

(5) 在第5章中，增补了“红外光学材料”“红外光学系统无热化设计方法”等内容。

(6) 在第11章中，增补了“光电产品的装配及其工艺过程”“结构设计要求”“结构设计程序”“尺寸链计算”“精度设计”“光学零件紧固设计”“模块化设计”等内容，强化该章技术内容的完整性、工程性与应用性。

(7) 在第12章中，增补了“目标特性分析”“捕获的技术要求与影响目标捕获的主要因素”“捕获跟踪的视场及响应时间”“捕获跟踪系统的统计分析”等内容。

(8) 对全书各章的许多技术细节内容进行了修订、增补与完善。

在本书的再版修订过程中，参考了许多文献资料，在此对其作者表示衷心的感谢。由于本书内容既有技术体系广度，也有细分专业纵深，更有融合交叉性、创新性、探索性的特点，虽想极尽优化，但由于作者水平和能力所限，以及许多学科、技术内容均处在不断快速发展之中，书中难免存在不足、疏漏，甚至错误之处，恳请读者批评指正。



吴晗平2023年7月

于武汉工程大学光电子系统技术研究所












第1版前言

光电技术与光电系统的发展历史虽然可追溯到一百多年前光电效应及光电器件的出现和应用之际，但光电技术的大量应用是在20世纪50年代中期。作为现代科技发展的标志性领域，光电技术正全面渗透到人类社会的各个方面，甚至部分改变着人们的生活环境与生活模式。借助计算机技术、信息技术、材料科学技术、先进制造技术、电子技术等的推动与支持，光电技术扩展了人类了解自然、改善生存环境和提高主宰能力的空间，尤其在探测、感知、显示、通信、存储、加工等方面显示了极强的发展潜力和扩展力。

现代光电技术主要包括激光技术、红外技术、紫外技术、太赫兹技术、微光夜视技术、CCD或CMOS成像技术、平板显示技术、光纤传感技术、光通信技术、光存储技术、光电探测技术、光电检测与控制技术、太阳能光伏发电技术、光电照明技术、微纳光电技术、集成光路和光电子集成技术等。以光电技术为核心支撑的光电系统（装备、设备、仪器、产品），在国民经济众多领域和国防领域发挥着越来越重要的作用，甚至是不可替代的作用。

随着科学技术的进步，以及光电技术具有的许多优点，光学系统（仪器）逐渐拓展到了光电系统，并已发展成从X射线、紫外线、可见光、红外线到太赫兹波段的多功能、高精度的许多类别的高技术产品。光电系统的设计涉及光（光学）、机（机械结构）、电（电子）、算（计算机）、软件、控制等多学科的技术内容，而且由于光电系统类别繁多，发展迅速，光电系统设计至今没有一个完整的规范性定义。

本书从总体技术设计、军民用途的角度，基于光、机、电、算、软件、控制等方面的综合一体化思路和技术方法，介绍和论述了信息光电系统和能量光电系统及其设计，内容包括光电系统及其设计概要、目标与环境辐射及其工程计算、辐射大气透过率的工程理论计算、光学系统及其设计、红外凝视成像系统及其工程技术设计、CCD和CMOS及其应用系统设计、光电微弱信号处理及设计、光电系统作用距离工程理论计算及总体技术设计、太阳能光伏发电及其系统设计、光电系统软件开发与设计、光电系统结构及模块化设计、光电伺服控制系统及其设计。

对于其他军民用光电系统，如光电制导系统、高能激光武器系统、激光探潜系统、光纤传感系统、自适应光学系统、激光通信系统、激光加工与制造系统、太赫兹探测系统、真空紫外探测系统、微纳光电系统等，以及某些设计内容，如“六性”（可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性、环境适应性）设计、“三化”（通用化、组合化、系列化）设计等，由于篇幅所限或另有专著介绍等原因，本书则较少介绍或没有涉及，读者可以参阅相关专著或其他文献资料（如有关环境与可靠性设计，也可参阅作者的另一本著作《光电系统环境与可靠性工程技术》）。

本书不求面面俱到，但求提升能力、启发潜能、注重创新与工程应用，以几类典型光电系统和有关重要设计技术内容为着重点，突出总体综合一体化。本书涉及多学科，其中有些技术思路、方法反映了作者的观点和工作感悟，通过书中示例，以期读者能举一反三。希望本书的出版能起到抛砖引玉的作用。

作者从20世纪90年代初开始，主持并参加了多个型号光电装备（军用光电装备）的预先研究、总体论证、技术设计、研制、生产、内外场试验、检验等全过程的一线工作，亲历相关工程实践。本书从立意、科研、积累素材到书稿成型历时二十余年，融合了作者长期从事相关技术工作的部分成果、经验和体会。在成书过程中还参考了许多文献资料，在此向文献作者表示衷心的感谢。此外,还要特别感谢清华大学出版社和盛东亮编辑为本书的出版所做的工作。

多年来，本书主体内容在国内航空、航天、兵器、电子、中国科学院、部队等光电类科研院所、大型企业的相关科技人员、项目负责人在职高级研修培训，以及在光学工程、检测技术与自动化装置、电子科学与技术等专业研究生和光电信息科学与工程专业高年级本科生教学中进行多次试用，虽然每次试用内容有所增减、繁简侧重不同、深度有所区别，但反响良好。本书虽经不断修订与完善，期望能与时俱进，但由于内容范围非常广泛，加之作者水平所限，以及许多技术内容还处在不断快速发展之中，书中仍难免存在诸多不足、疏漏，甚至欠妥之处，欢迎读者批评指正。



吴晗平2019年2月

于武汉工程大学光电子系统技术研究所