光学技术人工物的结构统一理论之结构层次划分与结构模式（一）

目 录

摘要

一、 光学工程结构统一的研究现状    

二、技术人工物各个分支领域统一理论构建过程中遇到的难题回顾

三、光学领域结构统一的特殊问题

   3.1缺失的层次

   3.2统一的结构模式重建

   3.3电场光场的信号传递

   3.4结构模式的统一

四、 光学结构统一的层次划分

      4.1 层次划分的原则

      4.2 层次划分的基本框架

      4.3  串联层次

      4.4  元件层次

      4.5  组件层次

      4.6  转换器层次

      4.7 光路层次

      4.8 整机层次    

五、技术人工物的结构模式（一）

      5.1分支领域结构模式

      5.1 多领域一体化结构模式  

六、技术人工物的结构模式（二）

超级复杂技术人工物结构层次和结构模式研究

        6.1 生物群体的结构层次划分

        6.2超级复杂技术人工物结构层次划分

6.3超级复杂技术人工物结构模式

七、结论     

摘要：

为建立系统、完整的光学工程结构统一理论，重点讨论了光学系统的层次划分、结构模式等问题。

类比生物结构层次的层次划分，借鉴机械结构统一理论，参考电工电子学科的结构层次划分，提出相对应的光学工程结构层次划分体系。该体系对现有光学工程层次划分体系，进行了适当改造，形成了与生物体系和广义机械、电工电子结构层次同构的六个层次。包括光学材料层次、光学构件层次、光学组件层次、光学转换器层次（对应电工电子转换器层次）、光学光路层次（对应机械机构和电路层次）、光学整机层次。光路层次的结构模式普遍采用了串联、并联和梳联回路的描述方式。为与广义机械、电工电子的结构统一打下了基础。

 补齐了超级复杂技术人工物系统的层次划分。在整机层次之后，与生物层次类似，增加了技术人工物局域同类集群层次，技术人工物局域共同体全集，技术生态系统和技术圈四个层次。并探讨了超级复杂技术人工物的结构模式。指出，超级复杂技术人工物系统的结构模式，是以宏观实体结构的梳联连接为主要框架，以梳背上和梳齿上的横向的和纵向的包括时空两个方面的物质，能量，信息之间的交换交流，形成的一个复杂的实体技术网络。

关键词：光学工程；结构层次划分；类比分析；光路；梳连光路，串联光路，并联光路，技术人工物，结构模式。

   光学技术人工物的结构统一理论

     之结构层次划分与结构模式研究   

一、  引言

1.1 研究背景与意义

 1.1.1光机工程

 光机工程主要研究光学系统的设计、集成和优化以及与机电系统的组合，确保光学器件在机电环境中的精确、稳定运行。光机工程属于光学与机电工程交叉的学科领域，光机工程优化光学与机电工程的协同与集成。

光机电工程的典型应用场景包括，高端光学仪器，如太空望远镜（如哈勃、韦伯）、显微系统、光谱仪，星载光学载荷。先进制造，例如，光刻机，晶圆检测设备、激光加工设备。通信与传感，例如光纤通信系统、激光雷达、红外成像仪，光谱仪、机器视觉。科学研究中，有粒子加速器光束线、引力波探测装置（如LIGO的干涉仪反射镜悬挂系统）。生物医疗领域有显微镜、内窥镜、光学相干断层扫描。消费电子领域有AR/VR光机、相机模组、激光雷达。等等。本文仅研究光学部分。 

1.1.2  研究意义

关于统一理论的建立是科学的一个永恒主题。技术人工物结构层次划分是建立技术人工物统一理论的重要内容。在生物学领域，通过“生物大分子-细胞-组织-器官-系统-个体”的层次划分，清晰揭示了生命系统的构建逻辑和结构统一性；在机械工程领域，作者类比生物结构层次，建立了“机械材料-机械构件-机械组件-实体运动副-机构-整机”的完整层次体系，其中实体运动副等新概念的提出，梳联连接和结构模式的发现并命名，机构引入了一个新成员：梳联机构，进一步完善了机械结构的认知框架，为机械系统的设计、分析与优化提供了重要理论指导。

光学工程涉及的光学部件种类繁多、功能各异，从基础的光学镜片到复杂的激光加工设备、光刻机等整机系统。然而，现有光学工程领域缺乏统一、系统的结构层次划分标准。层次划分与生物结构层次不统一，生成关系欠清晰。光学结构没有统一的结构模式。

因此，类比生物结构层次划分的逻辑，借鉴机械结构层次划分方法，建立一套完整、系统的光学工程结构层次划分体系，明确各层次的主要特征、划分依据与具体部件实例，解决中间层次（组件、转换器、机构）与现有光学部件的对应难题，进而统一光学结构工程，具有重要的理论意义与实践价值。

 1.2 国内外研究现状

国内外关于光机工程结构的统一理论没有检索到相关文献。关于光学结构的层次划分也没有看到专门的研究报告。但是，在一些教科书，经典专著的章节编排中，对结构层次的表达是比较清晰和一致的。下面的两本专著所表达的层次划分是比较清晰和明确的，也是具有代表性的。 

书籍1：*Paul R. Yoder Jr.*, "Opto-Mechanical Systems Design"(3rd Edition or later), CRC Press.

书籍2："Systems Engineering for Optical Systems"(SPIE Press Tutorial Texts)：

文献把整机划分为五个层次：   

（1）. 材料层（Material）：制造零件的原材料（有时隐含在零件属性中）。

（2）. 零件/元件层（Part / Element）：不可拆卸的最小物理实体（如单透镜、反射镜、镜筒、压圈）。

（3）. 组件/模组层（Assembly / Unit）：由多个零件组成的装配件（如透镜组件、主镜组件、焦平面组件）。

（4）.子系统层（Subsystem）：完成特定功能的分系统（如光学成像分系统、机械支撑分系统、控制分系统）。

（5）. 整机/系统层（ System）：整个光学仪器（如望远镜、相机）。

Yoder和SPIE的著作均为光学工程领域的权威参考文献，其层次划分被广泛引用和验证。例如，ISO 10110等国际标准明确要求光学系统设计采用类似的分层结构。在很多光机设计的专著中，继承并采用了这个层次划分方式。这也是工程管理和技术实施中通用的层次划分。 

这种五层次划分具有如下特点：

（1）. 具有层级递进性：从 从微观材料到宏观系统，层级关系清晰，符合 “由部分到整体”的系统论思想。

（2）.各层级的定义均以“功能”为核心（如子系统完成特定功能、零件是不可拆卸的最小物理实体），符合系统工程中“功能驱动设计”的原则。

（3）.该划分是产品分解结构的典型应用，在光机系统研发中被广泛用于成本控制、进度管理与质量保证，具有成熟的学术与工程基础。

（4）. 对各层级的定义比较明确，避免了模糊性，符合学术研究中“概念界定清晰”的要求。该划分学术上具有严谨性。

1.3 存在的主要问题

该层次划分，符合理论规范和实践要求，获得广泛应用和认可，具有重要的学术价值和应用价值。但是，从另一个视角，从统一技术人工物结构的视角，审视上述层次划分，存在如下两个主要问题：

在概念体系方面没有同广义机械科学形成统一的概念框架；

在结构层次划分方面没有与广义机械科学的结构划分形成严格的对应；

结构模式的表达术语不统一。 

二、技术人工物各个分支领域统一理论构建过程回顾

构建光学工程的结构统一理论，有必要回顾广义机械科学结构统一理论和电工电子学科结构统一理论的建立过程。

2.1  统一问题的缘起

发现机械原理课程内容比较松散、缺乏系统性的问题是第一步（发现问题），萌生统一机械原理理论的想法（这是试图解决问题），并在长期思考的过程中，想到类比生物结构的方法（这是方法）是重要的一个环节。

至于为什么选择类比方法，而且是与生物类比？想不到合理的解释。对于作者而言，生物学知识几乎为0。作者是文革期间上中小学的，小学上了三年，中学四年，中学有一年半（初中）批林批孔。高中两年半学了一些知识。但是，没有生物课。生物启蒙应该是少年儿童出版社第一版的十万个为什么。想到与生物类比应当具有偶然性。现在看来，这种方法的选择具有重要意义。至少，目前还想不到更好的方法。当然，这与后来研究过程中的强行推进有关。没有类比条件，就创造条件，没有相应的层次就创造一个层次，没有概念就创造一个概念。实体运动副是逼出来的一个概念，是逼出来的一个层次。从机械走向建筑工程也是一个“拉郎配”的过程，是一个强行对应的过程。液压阀的层次定位也是在实体运动副层次与液压阀强行配对后再寻求它们之间的联系的。而组件层次的确立也是一个困难而漫长的过程。当时的信念是，同样作为技术人工物，它们之间没有“生殖隔离”（这是在类比生物），所以它们是同类，它们应当、必须具有相同或相似的结构特征。

2.2、从生物结构的统一通过类比走向机械结构统一

从生物的结构层次走向机械原理的层次划分，面临多个问题。生物的特性是多方面的，与生物的哪些特性对比是遇到的第一个问题。最后决定与生物的结构特性类比。在结构层面，机械与生物初步对比后，发现重点问题是中间层次的缺失。机械原理学科从构件到机构之间缺失过渡层次。机构与机器之间，也没有明确的结构方面的联系。从运动副概念（一种连接方式）到实体运动副（一个实体）概念，经过反反复复的比对，研究，迈出最重要、最坚实一步。实体运动副的建立，对整个技术人工物的统一，起到至关重要的作用。实体运动副概念的最后确立，最后获得充分的自信，也是在建立液压气动系统的结构统一理论时才获得的（建立液压阀与实体运动副的对应，发现液压阀在液压系统中的重要作用后，消除了对实体运动副的任何疑虑）。机构与机器在结构层面的关联，也是在有了实体运动副的概念之后，又有了主动实体运动副的概念，真正建立了机构与机器的结构层面的联系。所以，我们构建了实体运动副层次，解决了层次划分的主要障碍，主要问题。实际上，上述每一步都是比较困难的。即使是组件层次的确立，也是在建立建筑学科统一理论时才最后决定的。

2.3、从机械结构统一走向液压气动结构统一，

从机械到液压，液压与生物之间的层次对应关系十分接近，相似。它有构件层次，有液压阀层次，液压回路层次，液压整机层次。液压阀层次是中间层次。液压回路也是中间层次。总体上至少具备了四个层次。而且对构件层次稍加分解，就形成了构件和组件两个层次。他是对应比较完整的一个学科。但是这种比较完整的对应是要需要揭示的，就是揭示了实体运动副层次和液压阀层次的相似关系。揭示液压回路与机构之间的同构。揭示和探寻他们之间的相似性，他们之间的不变量。

建立液压气动系统的统一理论还有一个难题是在之前就解决了的。这为建立液压气动统一理论扫清了一个大障碍。整个难题就是在建立机构与机器的联系时，涉及的气体和流体。如何确立流体构件的概念是一个棘手的问题，是一个长期思考的问题。这得益于与病毒概念的类比。病毒必须依附于细胞才能生存。多数流体必须依靠固态部件的协助才能发挥作用。于是，把流体设想为一个病毒类构件。于是流体构件的概念就产生了。流体构件与病毒的对应，是研究过程最令人振奋的事件之一。还有一个是生物与技术人工物的对应，也是十分令人振奋的：生物的动物与实体运动副对应，生物的植物与组件对应。它们的层次与生存方式都具有高度的相似性。这些神奇的对应，不得不让人思考生物与技术人工物的深层次联系。

2.4从机械结构统一走向建筑结构统一，

从机械结构统一走向建筑结构统一，是一个比较困难的过程，又是一个不得不做的工作。统一广义机械，躲不开建筑领域。没有建筑，广义机械是不完整的、不全面的。

但是把建筑主体归于机械，多少有些匪夷所思。

因为机械和建筑，虽然，他们都属于广义的机械，都属于工学，但是在结构层次上，建筑的层次缺失得太多。与生物的层次比较，层次相差太多，与机械的层次相差太多。建筑与机械不属于同一个一级学科。建筑以静为主，机械多以动为主。在结构层面，它们都是由基元作为基本结构单元组成的。机械基元是机械构件，建筑基元是建筑构件，二者也共用一部分构件，二者都可以构成一个统一的整体。二者遵循相同的力学规律。由此看到，在结构方面，二者在基元层面和整体层面具有某种统一性。在中间层次，结构的共性不突出。

建筑具有构件层次和整机层次两个层次，中间层次不明确。建筑主体，与机械机构直接相关的概念是运动副（门折页，门铰链），运动副是一种连接，不是实体。完成建筑与机械的层次对应，确实具有挑战性。但是发现和定义了实体运动副（特别是箱型实体运动副概念）和梳联连接方式和梳联机构这两个概念后，层次对应的问题见到了曙光。

实体运动副概念和梳联机构的概念是作者首次提出的概念。实体运动副概念在广义机械的第三个层次划分中发挥了重要作用。梳联连接的概念，在机械领域的第四个层次划分的工程中，具有补齐结构模式的作用。在建筑领域的层次划分中，两个概念的作用更为重要。没有这两个概念，建立机械与建筑主体在结构层面的同构几乎是不可能的。

完成了这两个概念的建立后，这才基本上完成了建筑主体结构与机械结构的中间层次方面的对应与统一。

在建立生物与建筑，机械与建筑的层次对应过程中，他们在结构层次的联系上也有一个意外的惊喜，就是发现建筑有一个特殊的建筑类型称之为构筑物。这个构筑物就是我们在建立机械过程当中的组件。在这之前，笔者一直为是否把组件作为一个独立层次而犹豫不决。在分析构筑物这个建筑类的庞大家族后，坚定了笔者把组件作为一个独立层次的决心。构筑物是组件这个层次得以独立的一个重要的支撑，也是组件作为一独立层次的最好的一个例证。 

在完成建筑结构的统一理论框架后，回头审视建筑结构与机械结构的相似性，二者的同构是那么的协调和顺理成章。对建筑结构的层次划分，一点都不显得违和，一点都不显得突兀。对现有的建筑结构理论不但没有任何影响，而是更有条理，更清晰。反过来看，如果建筑结构不是以这个模样出现在技术人工物的大家庭中，将是不可思议的。因为，一类结构模式，即学术界广泛应用的并联、串联，缺少一个成员（梳联）。没有梳联，这一类结构模式构成的大家庭是不团圆的。而且，梳联结构是生物界和技术界存在的最广泛最普遍的连接方式和结构模式。在建筑主体结构中是应当有反映的。

在把建筑主体引入广义机械这个大家庭后，有一个滑稽而重要的发现。在结构层面，涡轮喷气发动机与楼房具有近亲关系（都属于梳联机构），涡轮喷气发动机与活塞发动机的亲属关系要疏远一些。活塞发动机是并联机构，喷气发动机是梳联机构。只是在功能方面，喷气发动机与活塞发动机具有更近的亲属关系。

虽然，建筑与机械统一了，但是其区别还是很明显的。就是第四个层次，虽然都是机构，其特性还是有很大区别的。

2.5、从广义机械结构统一走向电工电子结构统一，

从机械、液压气动还有建筑，转向电工电子，。这条路其实最困难的是观念的转换。这个转变就是从广义的机械运动，向微观的电子运动，光子运动的转变，要接受这个转变，接受运动概念的外延拓展。经过拓展之后，那么在运动层面建立一个基本的统一基础。有了这个运动层面的基础，然后在层次上划分，就有了根基。

在这个拓展了运动层面，机械领域的实体运动副层次，就与电工电子的转换器层次建立了联系，接着是机构和液压气动回路与电路，与光路层级建立起联系。

2.6、从广义机械结构统一和电工电子结构统一走向光学工程结构统一

从机械结构走向光学，有了在电工电子领域的拓展实践，运动层面的障碍已经基本清除。要做的工作是把微观的电子运动拓展到光子运动。

从生物走向机械类比，实际上，我们有一点这个“拉郎配”的感觉，即强行的建立联系的一个过程。从机械到电工电子，然后到光学光路，实际上，从光学工程当中找到一个与并联电路、串联电路、并联机构，串联机构对应的部件层次层次也有点拉郎配的感觉。但是不勉强，没有强求，没有违和的感觉。实际上，在光学工程当中，这个并联光路、串联光路就存在那儿，它只是不用这个串联、并联的名字而已。因为它的产生是早于串联电路和并联电路的，是早于串联机构和并联机构的。光学领域没有应用这两个名词是有历史原因的。我们所做的工作就是给他换一个名字而已，对学科没有伤害，没有任何影响。

由于光子具有明显的波粒二象性，所以，这个拓展包含从生物粒子到波的拓展。还有一个问题是结构模式的对应。

经过分析可以看到，实际上光学工程中，广泛存在着与并联、串联、梳联等结构模式类似的结构。但是在光学领域自己的学术圈内，不这样称呼，或者说没有这样一个统一的名词。这个名词称谓的转换与统一，也是一个需要完成的重要工作。

   所以，完成光学工程的结构统一，需要做好以下几个方面的工作。

（1）、由技术人工物核心公理确定基元和基本生成方法

（2）、由层次划分寻找缺失环节和层次

（3）、构建缺失层级并论证合理性

（4）、构建完整的层级理论

三、光学工程结构统一中的几个主要问题

从构建广义机械和电工电子学科的结构统一理论的经验看，构建光学结构统一理论，其基元层次和整机层次业已存在。重点要放在中间层次的划分和对应上。中间层次的划分和对应，需要解决几个问题，包括层次划分和结构模式统一。

3.1光学发展过程和串联并联梳联概念的诞生过程回顾

3.1.1电学发展过程

（1）电学中有关概念的产生和发展 

18世纪末是概念萌芽阶段。在系统理论出现之前，科学家已在实践中使用了这些连接方式。例如，亚历山德罗·伏打在1799年发明的“伏打电堆”，就是将多个电池单元串联起来以获得更高电压。

19世纪初是理论奠基阶段。格奥尔格·西蒙·欧姆于1827年发表《直流电路的数学研究》，明确了“电阻”概念并提出了欧姆定律，为定量分析串/并联电路的总电阻、电流和电压关系提供了数学工具。

19世纪中叶是电学理论成熟的阶段。古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫在1845年提出了基尔霍夫电路定律，系统性地概括了复杂电路中电流和电压的关系，标志着串并联电路理论的成熟。

（2）机构学发展过程

机构学中的“串联”与“并联”主要指机器人或精密装备的构型。串联结构并联结构是一个相对现代的概念。

在机器人领域，串联机构类似人的手臂，多个关节（运动副）依次相连，其研究和应用较早。

并联机构概念的出现有一个明确的标志性事件。1947年，英国人V.E. Gough为测试轮胎而发明了 “空间运动发生器” ，这被认为是现代并联机构的雏形。1965年，Stewart提出了著名的Stewart平台，之后这类机构开始在飞行模拟器、高端机床等领域得到应用。

如今，结合了串联和并联优点的 “混联机构” （如串并混联机器人）是高端装备领域的研究热点。

（3）光学发展过程，有不同的表达传统

在早期的主流光学领域，并没有普遍使用“串联/并联”这套术语来描述镜头组合。

最早的光学望远镜于1608-1609年间由荷兰眼镜商和伽利略独立发明。当时人们描述光学系统时，更关注单个透镜的构造、焦距和像差，而非多个子系统的“连接方式”。当时电子学还没有问世。

当代光学设计将复杂系统（如望远镜）视为多个子系统的组合、级联或复合。例如，望远镜是物镜系统、转像系统和目镜系统的组合。

虽然电气工程中的“串联/并联”有时会被借用来类比，但这并非光学的标准术语。光学的目标是光线追迹和像差理论，分析重点在于光线如何穿过一系列光学表面并最终成像。

关于梳联，是作者与2024年提出的新概念（后面论述）。光学等文献没有出现是正常的。              

从时间线可以清晰地看出以下两点

（1）.光学实践远远超前：早在电学理论诞生两百多年前，光学仪器就已在使用类似串联和类似并联的物理结构。但当时这只是一种工匠式的结构安排，并未抽象出统一、普适的数学理论。

（2）.电学理论后来居上：19世纪，物理学家（欧姆、基尔霍夫等）从能量、电流、电势等抽象概念出发，用数学方程（欧姆定律、基尔霍夫定律）为“串联电路和并联电路”建立了一套简洁、普适、可量化计算的理论体系。这成为现代电路分析的基石，并迅速进入教科书，成为标准知识。

在光学中，虽然不常用“串联/并联”作为标准术语，但从系统连接和功能应用的角度，确实存在高度类似的结构。

可以说，光学仪器是这些连接思想的早期实践先驱，而电学则是将其理论化、范式化的集大成者。电学理论的巨大成功，使得“串联/并联”这套术语和思维模式被广泛借鉴到其他领域（如机构学、甚至管理学中），成为一种强大的分析工具。

3.2 光学为什么没有出现串联并联和梳联的概念？

光学领域早期没有发展出类似电学那样普适的“串联/并联”概念，可以推测到的原因是在相当长的历史时期内，光学缺乏一个与“电流”或“电压”相当的、可全局定义的、易于测量的主要物理量来支撑起一套网络化的分析理论。       

3.2.1 主要物理量的本质差异：从“流”到“场”

光学领域，很早就抓住了 “电流” 这个核心的、可全局定义和测量的“流”变量。电流在导线中流动，有明确的方向、路径（电路）和守恒定律（基尔霍夫电流定律）。一旦定义了电流和与之共轭的“电压”，整个电路就可以被抽象为由“支路”和“节点”构成的网络，“串联、并联”正是描述这个网络拓扑结构最自然、最基础的语言。

在麦克斯韦统一电磁理论（19世纪60年代）之前，光的本质是波还是粒子是一个长期争论的问题。光的重要描述量是复杂的 “光场” （振幅、相位、波长、偏振），它是一个分布在空间中的“场” ，而不是被约束在一条明确路径中流动的“流”。你很难说“一股光流从A点流到B点”，因为光会扩散、干涉、衍射。那是没有光纤和激光的概念。因此，缺乏一个简单、全局的“光流”概念来作为网络分析的基石。

3.2.2. 系统构建的目的与方式不同

电学（电路）的目的：传递与分配能量/信号。从伏打电池开始，电学的中心任务就是如何高效、可控地将电能从电源输送到负载。这天然就是一个路径和网络问题。“串联”是为了累积电压，“并联”是为了分流电流，概念直接服务于主要工程目标。

从透镜、望远镜到显微镜，早期光学的目标是在空间中形成高质量的像。工程师（当时更多是工匠和哲学家）关注的是单个光学元件的形状（球面、非球面）、材料（折射率）以及它们对光线路径的精确控制，而不是光能量的“分配网络”。其追求的目标是几何光线的精确汇聚，而非“光流”的拓扑连接。

3.2.3. 数学工具与理论成熟的时机

19世纪初，欧姆（1827年）和基尔霍夫（1845年）用简洁的代数方程（欧姆定律、KCL、KVL）为电路建立了完美的集总参数模型。这套理论抽象程度高，完全忽略了电场在空间中的复杂分布，只关心端口特性，使得“串联/并联”的分析变得极其简单和强大。

光学的数学化走的是另一条路。它更早（17世纪，斯涅尔、费马）但更复杂，其目标是几何光学中的光线追迹（三角公式）和后来波动光学中的偏微分方程（麦克斯韦方程组）。这些工具擅长描述光在连续空间介质中的传播与变换，而非描述离散元件组成的网络。直到20世纪“信息论”和“线性系统理论”出现，人们才开始用“传递函数”、“信号流图”等工具来系统性分析光学成像链，这才具备了将光学系统视为“网络”的理论基础。

早期光学是以“器件为中心” 的，聚焦于制造一个更好的透镜或反射镜。而电路理论自诞生就是以“系统为中心” 的，关注多个元件如何连接成一个整体功能。

只有当光学发展到现代，面临的任务从“制作一个镜头”变为“设计一个包含光源、调制器、滤波器、探测器的复杂光电系统”时，特别是集成光子学出现后，光学元件被微型化并“印制”在芯片上，形成明确的“光路”，这时，“光流”（光功率流）、“光学端口” 的概念才变得清晰和必要。此时，从电路理论借鉴而来的“串联”、“并联”、“反馈”等网络拓扑概念，才成为重要的分析与设计语言。

光学早期没有发展出“串联/并联”的普遍概念，并非因为其系统不包含这些结构，而是因为其主流问题（成像）、其主要物理量（光场）、及其主导数学工具（几何与波动光学）都未曾引导它朝“网络拓扑分析”的方向发展。这一缺失，恰恰反衬出电路理论在“系统构建科学”上的超前与强大。直到光学工程变得足够复杂，需要与电子系统深度融合时，这套成熟的理论范式才被引入。

 以上的分析，准确的讲是对历史事件的一种推测，或者称为一种假设。是一家之言。 

3.3 梳联结构的出现

梳联结构是自然界普遍存在的结构模式。例如单株植物之间的关系技术梳联关系。这种关系，早已存在，只是没有被正式命名，没有被关注。直到2024年，作者提出梳联连接和梳联结构的概念。

“梳连”结构有一个共同的起点或节点，分出多个独立的支路，这些支路在功能上不再重新交汇，各自通向不同的终点或执行不同的任务。就像一把梳子，柄（脊背）是公共端，梳齿（支链）是独立开放的支路。（传统光学有时被称为“星型”或“辐射状”结构）

（1）. “梳连”是光学系统（尤其是多通道、分布式系统）中一种极为重要和普遍的结构范式，它精准地描述了一分多、各自独立的拓扑关系。

（2）. 它不同于以干涉、合成为目的的经典“并联”结构（如迈克尔逊干涉仪）。两者在功能和拓扑上都有清晰区别。

（3）. 将光学系统结构细分为串联、并联（汇聚性分支）、梳连（发散性分支）以及它们的混联，这为我们分析、设计和描述复杂光路提供了一个更精确、更强大的概念工具箱。

以下两个实例是梳联结构

（1）. 多光谱/高光谱成像仪是最典型的“梳连”系统。

公共端：望远镜收集的同一束入射光。分支点：色散光栅或棱镜、或二向色镜分光阵列。独立支路：分出的不同波长的光带，分别被独立的线阵探测器或通道接收。每个通道独立记录特定波段的信息，最终合成光谱数据立方体。它们在工作时是并行的，但光信号不再汇合。

（2）.光纤到户网络是另一个梳联光路。

3.4  串联并联梳联是光学普遍应用的规范的术语吗？

 “串联光路”和“并联光路”并不是光学工程中最基础的教科书式术语（不像“串联电路”那样是第一章的定义）.光学工程师更倾向于使用更具物理特性的专业术语。但在特定的细分领域和工程描述中，它们是完全可以接受的表述。

 3.4.1. “串联”在光学中的规范化程度较高（但术语略有不同）

在光学工程中，尤其是激光技术和光纤通信领域，隐形的“串联”的概念非常普遍，但更常被称为“级联”或“串接”。表达的是同一种连接方式。

·工程文档现有的规范术语是级联。

  当把多个放大器串联起来，或者把多个滤波器串联使用时，工程文档会写，“采用多级放大器级联设计”。这里的“级联”就是“串联”。

·在光纤网络中规范术语用串接，常说“光纤断点的串接”。

·几何光学中，通常不强调“串联”，而是直接描述为“光束依次经过元件A、B、C”。或者说这是一个“共轴光路系统”。

上述““串接”“级联”“共轴光路系统”，说的都是“隐形的”串联光路。

 3.4.2. “并联”在光学中的规范化程度

“并联”这个词在光学中比较复杂，因为它涉及光是沿着导线走（光纤）还是在空间自由传播。

 （1）. 在光纤通信/集成光学领域中，并联是规范术语。无源光网络 (PON)， 这是光纤入户的主流技术。利用分光器将一根光纤的光分给多根用户光纤。虽然工程上常叫“分光结构”，被视为并联。但在拓扑结构分析上，这不完全是并联。

（2）. 在自由空间光学/传统光学领域：通常不叫“并联”

在自由空间（比如透镜组、显微镜）中，我们很少说“并联光路”。因为光不像电线那样有固定的“管子”，光是在空间铺开的。工程师会根据物理现象使用更精确的术语。

如果是光束分离就叫做“分束”或“分光”。比如：半透半反镜构成了分光光路。（实际上，这是梳联结构）。  

如果是多光束干涉： 叫做“多光束干涉”（如法布里-珀罗干涉仪）。虽然物理本质是光在两个反射面之间来回跑（并联震荡），但术语不叫并联。

如果是多个独立的成像系统： 叫做“多通道”。

比如：卫星遥感相机可能有多个“并排”的望远镜视场，这叫“多通道成像系统”，而不常叫“并联光路”。

可以看出，现有文献的并联，包含并联的概念雏形。

在于梳联，由于概念出现很晚，光学文献没有应用。

 3.4.3. 为什么光学不直接用“串联/并联”

这主要是由介质的物理特性决定的：

1.电工电子系统、液压系统： 介质被束缚在导线或管道里。拓扑结构非常清晰，就是树状或网状。所以“串联并联”是最优描述。

2.光学： 介质（光场）通常是弥漫在三维空间中的（自由空间光）。

一个透镜的边缘和中心都在工作，光在透镜的整个孔径上同时通过。这不像两个电阻那样界限分明。

但是，一旦光被“约束”起来（例如进入光纤、进入波导，或者严格限制在像平面处理），“串联”和“并联”的概念就立刻变得清晰且规范了。    

3.5、串联、并联、梳联和混联结构模式可以作为光学领域的基本结构模式的可行性

我们看到关于串联并联概念的雏形，最早出现在光学设备当中。电子科学把它进行了一个理论化的发展，变得比较成熟，系统，规范。那么我们现在反过来，用比较成熟的串联并联的概念来分析（反哺）光学当中的这些结构，用拓扑的思想来概括光学结构当中的一些结构共性，解构光学当中的这些结构现象，应当具有重要的理论意义和现实意义。

3.5.1.  提供统一的分析语言与抽象框架 

电学中的“节点”、“支路”、“回路”、“网络拓扑”等概念，为分析复杂系统提供了高度抽象的“骨架”。将光路（如激光谐振腔、光纤网络、集成光子芯片）映射为等效的“光学电路”或“光子网络”，可以剥离具体物理细节（是电子还是光子），专注于信息或能量的流向、分配与变换关系。这允许研究者使用成熟的图论、矩阵、网络理论工具来分析光学系统。

3.5.2.  揭示跨学科的深层结构共性 

“串联”对应于信号或能量的顺序处理与级联变换（如望远镜中物镜→转像系统→目镜）。“并联”对应于信号的复制、合成（如双筒望远镜的两个通道，）。梳联对应分路，如光纤分束器。

这种拓扑视角揭示，无论载体是电流、光子还是机械运动，其系统构建的基本逻辑模块（顺序、分岔、反馈、合成）是相通的。这有助于建立一种统一的“系统结构”。

3.5.3 把现有的把光路分成串联，并联，梳联和混合光路的合理性分析

任何复杂的系统，无论其内部物理过程多么复杂，从输入端到输出端的拓扑关系，必然逃不出以下几种情况：

串联： 输出依赖于前一级的输出，次序固定，不可逆（逻辑上）。其逻辑地位是提供一个基础链路。

分流： 一个源头变成了多个去向。现实信号的分发。

合流：多个源头变成了一个去向。现实信号的汇聚。

基于这三个基本动作，定义了四种状态：

（1）. 串联：只有基础链路。链路无分流、无合流。

（2）. 并联：链路既有分流，又有合流，且各支路在汇合点存在相互作用或逻辑协同。

（3）. 梳联：只有分流，没有合流（或者合流发生在逻辑终点/接收端，各支路互不干涉）。

（4）. 混合：上述三种情况的任意组合。

结论： 从集合论的角度看，这四种分类构成了全集，不存在第五种连接方式。

所以，将光路系统抽象为“串联、并联、梳联、混合”四种拓扑结构，在逻辑上是自洽的、严密的，是没有漏洞的。

3.6 对光有时会弥漫在整个的三维空间的解读

在光的传播过程当中，光有时会弥漫在整个的三维空间。这一种情况与串联、并联、梳联结构模式中信号的单向传播显著不同。

但是在实际应用中，对于一个信号接收端来说，或者对多个信号接收端来说，那么从输出端到达接收端，它是一个直线的传播的过程，是一个独立的接收过程，而且两个或多个接收端之间互不干扰，这相当于有一个独立的光路，或者有一个独立的光纤。那么它在效果上，与独立的光路是完全相同的。这个接收端的接收也不会影响另一个接收端的信号。对于光信号弥漫这种现象，或者是“一锅粥”传播的这种情况，如果作理性的分析，它还是互相分离的，是相互并联或者互相梳联的。

可以从以下三个层面深入说明上述观点：

3.6.1. 接收端定义了“光路”的存在

在自由空间中，光确实像“一锅粥”一样弥漫（电磁波充满空间）。但是，如果没有接收端（比如人眼、相机传感器、光纤端面），那么那些光只是背景辐射，不构成“信息”。

一旦引入了接收端，情况立刻发生了质变：

接收端有一个孔径（比如光纤的纤芯、像素的感光面）。

这个孔径就像一个漏斗，它只“抓取”进入这个特定空间和特定角度的光子。

对于接收端来说，只有从光源射向目标的光子才是有效信号；射向目标的光子，虽然可能在空间中与的路径上其它光子交叉，但不受影响。

所以是接收端把弥漫的光场“切割”成了一根根独立的“线”。所以，从功能和逻辑上看，它们就是独立的。

3.6.2. 光的“线性叠加”特性保证了“互不干扰”

“两个接收端之间互不干扰”，这背后是光学的重要原理——线性叠加原理。

光源发出的光束 1 传给接收端 A，光束 2 传给接收端 B。在空间中，这两束光可能像两股车流一样交错穿行（甚至发生干涉）。但是，当光束 1 到达 A 时，它的状态完全由它自己决定，它不记得自己在路上曾经和光束 2 打过架。它携带的信息（振幅、频率、相位）没有损失。

这就像两个人在空旷的广场上同时说话，虽然声波在空气中混在一起（一锅粥），但仍然能够接收到准确的信息，两边的信息是互不影响的。

正是因为这种“你在你的频道，我在我的频道”的物理特性，我们完全有理由把它们在逻辑上视为互相分离的支路。

 3.6.3  实际应用

在无线光通信领域，空间分集技术正是利用了上述原理。

工程师们，开发出了空间分集技术。他们会在一个发射机上装几个LED，或者一个接收机上装几个光电二极管。

虽然光是在空气中乱传的（“一锅粥”），但工程师在算法和电路设计上，把它们当作几条完全独立的“梳联”支路来处理。如果一条路被挡住了（比如有人走过挡住了一个光束），其他路照常工作，互不影响。

所以，这种自由空间的多目标或多通道光路仍然可以归入串联并联或梳联光路。

四、光学结构层次划分  

 4.1、 光学工程结构层次划分的原则与理论依据

 4.1.1 层次划分的目的

光学工程结构层次划分作为光学工程结构统一的一个重要方面，承担两个任务。一个是实现本学科的结构统一，二是寻求与相邻学科结构的一致性，便于实现更高层级的统一。

4.1.2层次划分的基本原则

光学工程结构层次划分需遵循以下原则：

（1）类比一致性原则：保持与生物和机械结构层次划分的逻辑一致性，即每个层次均对应生物或机械结构的某一层次，确保层次体系的可类比性。这就要求，层次划分工既要自身统一，又要与其它学科结构层次对齐。例如，光学材料层次对应机械材料层次。材料层次是构成系统的基础物质载体。光学整机层次对应机械整机层次。

（2）光学功能定位原则：每个层次需具有明确、统一的光学功能定位。每一个层次的组成部分，并不完全都是光学部件。其它领域的部件或许处于或高或低或相同的层次，或位于多个不同的层次。这种情况下，层次划分必须以光学功能为依据。层次之间的功能边界必须清晰，避免出现功能交叉或模糊的情况。例如，转换器层次的主要功能是实现光学信号或能量的转换，与组件层次的“固定连接整合功能”形成明确区分。

（3）结构单元独立原则：每个层次的光学部件连同其它相关的辅助部件，需构成相对独立的结构单元，能够单独实现某一基础功能或复合功能。例如，光学构件层次的凸透镜作为独立结构单元模块，能够实现光线的会聚功能。

（4）覆盖全面性原则：层次划分体系需覆盖光学工程领域的所有或几乎所有典型部件，包括基础元件、中间功能部件、集成系统等，确保体系的完整性与普适性。例如，既需涵盖传统光学元件（如镜片、棱镜），也需涵盖现代光学部件（如光调制器、光纤组件）。

（5）生成规则一致性原则

 必须满足较高层次的部件以较低层次的部件作为基本结构单元或基本功能单元。主要以相邻的较低层次的部件作为基本结构单元，同时允许应用较高层次或较低层次或相同层次的其它领域的部件作为基本结构单元。

4.1.3 理论依据

光学工程结构层次划分的理论依据主要包括两个方面：一是系统论的层次化认知理论，二是机械结构，电工电子学科结构与光学系统的共性构建逻辑。

系统论认为，复杂系统是由若干相互关联的子系统或单元按照一定的层次结构组成的有机整体，层次化认知是理解复杂系统的重要方法。光学工程系统作为典型的复杂工程系统，其内部部件之间存在明确的层级关联。从基础物质到最终整机，呈现出“简单-复杂”“基础-集成”的递进关系，符合系统论的层次化认知规律。

机械结构和电工电子学科结构与光学系统具有共性的构建逻辑，均遵循“基础材料-基本构件-功能组件-功能转换单元-拓扑机构-整机集成”的递进构建规律。机械结构通过固定或活动连接，构成具有相同或不同类型的拓扑结构（串联、并联、梳联等）的结构，最终集成整机。电工电子学科结构通过电子转换器等实现信号转换，构成具有同类型拓扑结构（串联并联梳联等）的电路，实现电工电子结构功能的整合，最终集成电器整机。光学系统通过光学转换器实现信号转换，构成具有同类型或不同类型拓扑结构（串联并联梳联等）的光路体系，实现光学功能的整合，最终集成光学整机。这种共性构建逻辑为类比划分提供了坚实的理论基础。

4.1.4层次划分中的实际问题

在众多的技术人工物中，特别是比较复杂的技术人工物中，经常存在某一个部件包含多个层次部件的情况。一些低层次部件，包含了较高层次的部件。这种“低层功能的实现，调用了高层结构的组件”或者“跨领域高层组件服务于低层功能”的现象，在光电一体化领域尤为突出。对应这种情况，全面已经给出了处理原则，即以功能为主的原则。

下面收集并分析的几个典型例子，进一步阐释这个原则，实例主要集中在光学及光机电一体化领域。为了说明问题，也有其它领域的实例。

例1、眼镜

一副眼镜包括，转动副（眼镜腿），万向铰（鼻托），光学眼镜镜片，镜框。

从整体结构看，他是一个梳联机构，有四个分支支链。两个实体转动副支链，两个实体万向铰（鼻托）支链。梳联机构属于第五层次。转动副（眼镜腿），万向铰（鼻托）属于实体运动副层次，位于第四层次。而两个眼镜片，连同眼镜框架，给出一个光学组件。光学组件属于第三层次。

从功能看，眼镜的主要功能是对视力的纠正，主要是光学功能。它是一个用于辅助调整视力的器件。眼睛腿和鼻托属于实体移动副层次，其作用仅仅是一个辅助功能。整体机构属于梳联机构，梳联机构也只是一个辅助功能。

综合考虑，按照层次划分原则，从功能出发进行定位，一副眼镜就是一个光学组件。

例2 一辆行驶在路面上的房车和一辆停止的房车

一辆行驶在路面上的房车，属于一个什么层次？

从结构观察，汽车由汽车底盘、汽车悬架、汽车车厢、发动机及其传动系统等组成。行驶在路面上的房车，还包括路面。从组成观察，发动机是一个整机层次，汽车底盘、汽车悬架组成一个梳联机构。这个梳联机构与地面连接，构成一个四支链五自由度并联机构。车门，车厢与底盘组合，构成一个箱型实体移动副或实体转动副。从整体观察，一辆行驶在路面上的房车，是一个实体运副。路面是其定子，底盘和车厢是运动子，车轮和悬架是耦合子。

所以，结构方面，汽车包含多个层次。整机层次，机构层次，实体运动副层次。

以功能为依据进行层次划分，行驶中的汽车的主要功能是什么？很显然，汽车的主要功能是运动。哪个层次的部件有宏观的机械运动功能？那就是实体运动副。哪个实体移动副能够提供运动功能？以车轮和悬架作为耦合子哪个实体移动副是汽车实副。

所以一辆行驶中的汽车，与路面配合的汽车，是一个实体运动副。那么，类似的，一架飞行中的飞机，一个航行的游轮，都是实体运动副。这与他的结构复杂性关系不大。主要是看主要功能。

例3 一辆停止的房车

一辆停止的房车是一个建筑物，车厢是房间，是一个箱型运动副，是一个高脚屋。一辆停止的房车属于箱型运动副层次。

一辆被支撑起来悬空的维修的汽车，那么它是一个梳联机构，四个车轮属于4个梳联支链，支链可以被动运动。当然了，有一些主动悬架的车轮支链，可以主动运动。

例4  空气开关

空气开关，属于一个转换器层次的电气部件。它的内部也有电路部分，但是，虽然有电路，有更高层次的部件，但是它的主要功能还是一个开关。结构上属于电路层次。功能是属于转换器层次的部件，不属于机路层次。按照功能定位原则，空气开关是转换器层次。 

例5：变焦照相镜头

从内部结构看变焦镜头，它是一个极其精密的机械系统。它包含多组透镜镜筒，这些镜筒之间通过复杂的凸轮机构、螺旋传动副以及直线导轨相互连接。当旋转变焦环时，实际上是这些高精度的机械连杆在驱动镜片组按特定的非线性轨迹移动。此外，自动对焦镜头内部还包含步进电机或超声波马达（属于高层次的机电驱动部件），以及用于检测位置的光栅传感器。如果仅看结构，它是一套精密的多自由度机械传动装置。

从功能视角（光学）变焦镜头，无论内部机械多复杂，它的输入是光线，输出是经过折射和聚焦的光学图像。它的存在意义是光学成像，是对光线的收集、放大和聚焦。机械运动仅仅是改变透镜间距的手段，是辅助功能。这些“较高层次或跨领域的部件”在此处完全服从于“光学成像”这一主功能。

所以综合考虑，按照功能定位原则，变焦镜头属于光学组件层次。

例6：光盘驱动器的激光拾取头

从结构上看，激光拾取头是一个复杂的微机电系统。它包含精密的线圈骨架、磁铁、悬挂弹簧（构成了一个动圈式执行器，类似于扬声器原理），以及聚焦和寻迹的伺服电路。这些部件使得激光头能在微米级别的范围内进行极高频的上下和左右微动。

从功能视角（光学）观察，激光拾取头的功能是读取光信息。它发射激光，经过光盘反射，通过光电二极管接收光信号的变化。上述复杂的机械和电磁动作，仅仅是为了让激光能精准地对准光盘上的极其微小的轨道。

按照功能定位原则，激光头应被定位为光电传感器/光学读取组件，属于光学/信息转换器层次。

例7：光纤通信接头

光纤通信接头是一个高精度的机械连接与固定装置。它包含陶瓷插芯（极其精密的同心圆柱体）、卡口或螺纹紧固机构、弹簧组件等。特别是那个陶瓷插芯，其加工精度达到了亚微米级，属于超精密机械加工的范畴。其结构目的是实现两个物理实体的刚性对接。它的功能是光路耦合。它的作用是让两根光纤纤芯对准，使光信号以极低的损耗通过。它不产生光，也不处理电，它的唯一任务是“光的通道连接”。光传输功能，决定了它的属性。所以，它属于光学无源器件层次。

4.2 光机工程六层次划分框架（见表格4-1）

基于上述原则与理论依据，类比机械结构的六层次划分体系，提出光机工程的六层次划分框架，从简单到复杂依次为光机材料层次，光机元件层次，光机组件层次，光学转换器层次，光机光路层次，光机整机层次。更复杂结构的层次划分，见本文的第六节。

每一个层次都有一个以光学部件为主要功能的组成部分。本文主要讨论这个组成部分。

（1）. 光学材料层次：对应机械领域的机械材料层次。该层次是构成所有光学部件的基础物质载体，具有特定的光学功能属性（如透光性、反射性、感光性等）。光机工程涉及的材料不仅包括光学材料，还包括机械材料电工电子材料和其它材料。光学材料以外的材料可参阅其它文献。

（2）. 光学元件层次：此层次对应机械构件层次，是光学工程中最基本的结构单元，主要由光学材料加工而成，能够实现单一的基础光学功能（如会聚光线、发散光线、偏振等）。有时，把由一个光学元件同机械构件通过固定连接方式形成的整体，也称为光学元件。机械构件仅是一个辅助或保护构件。

（3）. 光学组件层次：该层次对应机械组件层次，由两个或多个元件组成，其中至少包括一个光学元件，其它涉及机械构件或电工电子元件等，这些元件或构件通过固定连接方式形成的整体，称为光学组件。光学组件能够实现简单或复合的基础光学功能。例如多镜片的聚焦、分光等等。通常，至少包括两个光学元件的光学组件称为光学组件。

（4）. 光学转换器层次：光学转换器由光学转换装置或光学组件（包括光学元件）组成，能够实现光学信号、能量或物理量的转换。这是光学系统中的功能转换单元。这个层次对应机械领域的实体运动副层次。例如电-光转换、光-声转换、光频率转换等等。光学转换器层次是光学系统的基础功能单元。与电工电子领域的电气转换器处于同一个层次。

（5）. 光学光路层次：由多个光学元件、组件或光学转换器通过光路连接形成的具有特定拓扑结构的整体。拓扑结构包括串联、并联、梳连、混联四种基本光路拓扑形式。一般的，光学光路是多领域一体化的复杂结构。对应机械结构的机构层次和生物系统层次。光学光路能够实现比较复杂的光学功能。例如成像、干涉、扫描、分束传输等。

（6）. 光学整机层次：对应机械整机层次或生物个体。光学整机由一个或多个光学光路以及其它领域的部件集成形成的整体，能够实现完整的工程应用功能。例如如成像、检测、加工、通信等。

实际应用中，以上每一个层次的部件都可以构成一个独立个体，直接供人们使用，也可以作为一个基本结构单元或功能单元，组成更为复杂的系统。下面讨论的个体是由光路组成的个体。   

表格4-1表达的框架清晰界定了光学工程各层次的递进关系，解决了现有光学工程层次划分模糊的问题，尤其明确了组件、转换器、光路机构三个中间层次的定位，为后续的层次分析与实例匹配奠定了基础。

光学工程的六层次结构模型，其完整体系如下表所示：

表格4-1：光机工程结构层次划分体系与机械工程的对应关系

4.3 光学材料层次

4.3.1 材料层次的主要特征

光机工程材料层次是指光学工程涉及的一切材料。光机工程材料层次是光学工程结构的最底层。这个层次对应机械工程的机械材料层次。这个层次包括光学材料，广义机械材料，电子材料等等。其中，光学材料是光学工程中最重要的材料。光学材料具有特定的光学功能属性，是构成所有更高层次光学部件的基础物质载体。光学材料本身不具备完整的光学功能单元形态。光学材料需要经过加工成型后，才能成为光学构件。本小节主要研究光学材料。

光学材料仅关注材料的光学特性与化学组成，不考虑其加工后的结构形态。光学材料具有可加工性（如切削、研磨、镀膜等），能够直接用于制备光学构件。材料的光学性能需满足特定光学功能的需求。例如如透光率、折射率、色散系数、反射率等等。

4.3.2光学材料的分类

根据光学材料的功能属性与应用场景，可将其分为以下六大类：（1）透射光学材料，（2）反射光学材料（3）光电子材料（4）光电转换光学材料（5）光学功能薄膜材料（6）特殊光学功能材料等。

4.3.3 光学材料的实例

每一类光学材料均包含多种典型材料。

透射光学材料：

透射光学材料的主要功能是允许光线透过并保持光线的传播特性。它是制备透镜、棱镜、窗口片等光学构件的基础材料。下面列举一些实例。

无机玻璃：如K9玻璃（硼硅玻璃），其透光范围为400-1200nm，折射率n=1.5163，色散系数ν=64.1，广泛用于制备可见光波段的透镜、棱镜；石英玻璃（SiO₂），透光范围为200-3500nm，具有优异的耐高温性与化学稳定性，用于紫外、红外及可见光波段的光学构件；氟化钙（CaF₂）玻璃，透光范围为150-9000nm，低色散、低折射率，用于深紫外与红外光学系统；硼酸盐玻璃，具有高折射率、低色散特性，用于高性能成像镜头。

光学晶体：如蓝宝石（Al₂O₃），透光范围为150-6000nm，硬度高、耐磨性好，用于制备高端光学窗口片、透镜；铌酸锂（LiNbO₃）晶体，透光范围为400-5000nm，具有电光、声光、压电特性，同时也是重要的转换器材料；钽酸锂（LiTaO₃）晶体，透光范围为350-5000nm，性能与铌酸锂类似，用于高频光学转换器件；KTP（磷酸钛氧钾）晶体，透光范围为350-4500nm，具有优异的倍频性能，用于激光频率转换。

高分子光学材料：如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，有机玻璃），透光率高达92%，透光范围为400-1200nm，重量轻、易加工，用于制备低成本的透镜、光学窗口；PC（聚碳酸酯），透光率88-90%，抗冲击性强，用于制备航空航天、汽车领域的光学构件；光学级环氧树脂，用于制备光学胶黏剂与光学复合材料。

（2）反射光学材料：基本功能是反射光线，减少光线透射与吸收，是制备反射镜、反光板等光学构件的基础材料。实例如下。

金属反射材料：如铝（Al），反射率在可见光波段为85-90%，红外波段为90-95%，成本低、易镀膜，广泛用于制备普通反射镜；银（Ag），反射率在可见光波段高达95-98%，是反射率最高的金属材料，用于制备高性能反射镜；金（Au），反射率在红外波段为95-98%，化学稳定性强，用于红外反射镜；铜（Cu），反射率与银接近，但化学稳定性较差，需镀膜保护，用于特殊场景的反射构件

dielectric reflective materials：如多层介质膜材料（由SiO₂、TiO₂、ZrO₂等高低折射率介质交替叠加而成），反射率可达到99%以上，具有窄带反射、宽带反射等特性，用于制备高精度反射镜、滤光片；布拉格反射材料，基于布拉格衍射原理，用于特定波长的反射构件。

 卤化银乳胶：由卤化银（AgCl、AgBr、AgI）颗粒分散在明胶中形成，对可见光敏感，是传统胶片、相纸的主要感光材料

光刻胶：分为正性光刻胶与负性光刻胶，如PMMA光刻胶（正性）、酚醛树脂光刻胶（负性），在紫外光或深紫外光照射下发生聚合或分解反应，用于半导体光刻工艺；

（3）光电导材料：如硒化镉（CdSe）、硫化镉（CdS），在光线照射下电导率显著提高，用于制备光电导探测器；

感光高分子材料：如聚酰亚胺，在特定波长光线照射下发生交联反应，用于制备微纳光学结构。

（4）光电转换光学材料的功能是实现光信号与电信号的相互转换，是制备光电探测器、发光二极管（LED）、激光器等构件的基础材料。实际例子包括：

半导体光电材料：如硅（Si），用于制备光伏电池、硅基光电探测器；锗（Ge），用于红外光电探测器；砷化镓（GaAs），用于制备LED、激光器、高速光电探测器；磷化铟（InP），用于光纤通信领域的光电探测器与激光器；氮化镓（GaN），用于蓝光LED、紫外激光器；

有机光电材料：如聚噻吩、富勒烯衍生物，用于制备有机太阳能电池、有机LED；

量子点光电材料：如CdSe量子点、PbS量子点，具有可调的发光波长，用于制备量子点LED、量子点探测器。

（5）光学功能薄膜材料：其功能是通过薄膜形态实现特定的光学功能（如增透、增反、滤光、偏振等），是制备光学薄膜构件的基础材料。下面是几个例子。

增透膜材料：如MgF₂、SiO₂，用于制备增透膜，降低光学表面的反射率

增反膜材料：如TiO₂、ZrO₂，用于制备增反膜，提高光学表面的反射率；

滤光膜材料：如多层介质滤光膜、金属滤光膜，用于制备窄带滤光片、宽带滤光片；

偏振膜材料：如碘系偏振膜材料、二向色性染料偏振膜材料，用于制备偏振片；

导电光学薄膜材料：如ITO（氧化铟锡），具有透光性与导电性，用于制备触摸屏、LED电极。

（6）特殊光学功能材料：具有特殊的光学效应（如电光效应、声光效应、磁光效应、非线性光学效应等），是制备转换器层次部件的重要材料。列举实例如下。

电光材料：如铌酸锂（LiNbO₃）、钽酸锂（LiTaO₃）、KDP（磷酸二氢钾）晶体，在电场作用下折射率发生变化，用于制备电光调制器；

声光材料：如二氧化碲（TeO₂）、钼酸铅（PbMoO₄）晶体，在超声波作用下产生声光效应，用于制备声光调制器、声光偏转器；

磁光材料：如钇铁石榴石（YIG）、铋替代钇铁石榴石（Bi:YIG），在磁场作用下产生磁光效应（如法拉第旋转），用于制备光隔离器、磁光调制器；

非线性光学材料：如KTP、BBO（β-偏硼酸钡）、LBO（三硼酸锂）晶体，具有非线性光学效应，用于制备光学倍频器、和频/差频发生器。

上述光学材料比较前面的覆盖了光学工程领域的主要应用场景，它们是构成更高层次光学部件的基础。

4.4 光机工程元件层次

光机工程元件包括，光学工程元件（简称光学元件），广义机械构件，电工电子元件和其它光机元件等。光学元件是光机工程的主要功能元件，其它元件、构件是辅助部件。本小节主要讨论光学元件。

4.4.1 光机工程元件层次的主要特征

本层次的划分标准为：具有独立的几何形态与结构完整性，能够直接应用于光学系统的组装；具备单一的基础光学功能或辅助功能，功能边界清晰；光学工程元件是构成光学组件的最小结构单元。

光机元件是由光机材料加工获得的单体部件。

光学元件是光机元件中的基本部件。光学元件是光学工程中最基本的结构单元与功能单元，能够独立实现某一基础光学功能（如会聚、发散、反射、偏振、分光等）。

与光机材料层次的区别在于：光机材料是未加工的基础物质，而光机元件是经过加工成型的具有明确功能的结构单元；与光机组件层次的区别在于：光学构件是单一功能单元，而光机组件是多个元件构成的固定组合体。

4.4.2光学元件的分类

可将光学元件分为十大类。

成像光学元件构件，（2）分光、合光光学构件，（3）偏振光学构件，（4）滤光光学构件，（5）光纤基础构件，（6）感光光学构件，（7）照明光学构件，（8）光学窗口与保护构件，（9）微纳光学构件，（10）光学支撑与固定构件。

4.4.3 光学元件的实例解析

根据光学构件的功能类型，每类均给出多个有代表性的实例。

（1）成像光学元件的功能是实现光线的会聚、发散或成像，是光学成像系统的基础单元。实际例子如下。

透镜类：凸透镜（双凸、平凸、弯月凸）、凹透镜（双凹、平凹、弯月凹）、柱面透镜（平凸柱面、平凹柱面）、球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜；

棱镜类：直角棱镜、等腰棱镜、等边棱镜、道威棱镜、阿米西棱镜、屋脊棱镜

反射镜类：平面反射镜、球面反射镜（凸面、凹面）、非球面反射镜、抛物面反射镜、椭球面反射镜、双曲面反射镜。

此类元件的功能单一且明确，例如，平凸透镜能够实现平行光的会聚，直角棱镜能够实现光线的90°偏折，凹面反射镜能够实现光线的会聚成像。以K9玻璃制成的平凸透镜为例，其几何结构为圆形平面+球面凸面，经过研磨、抛光、镀膜（增透膜）后，能够独立实现可见光波段的会聚功能，是相机镜头、显微镜等成像系统的基础构件。

（2）分光/合光光学元件的功能是将一束光线分解为多束光线（分光）或多束光线合并为一束光线（合光），是干涉、光谱分析、光通信等系统的基础单元。实例比较多。下面是几个有代表性的例子。

分束镜类：平板分束镜、立方体分束镜、偏振分束镜；

光栅类：平面光栅、凹面光栅、闪耀光栅、阶梯光栅、全息光栅；

光楔类：单光楔、双光楔；

合光镜类：二向色合光镜、偏振合光镜。

例如，立方体分束镜由两个直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜面镀有半透半反膜，能够将入射光线分为透射光与反射光两束，用于干涉仪、激光测距仪等系统；全息光栅通过全息曝光技术制成，能够将复色光分解为单色光，用于光谱仪等系统。

（3）偏振光学元件：它的功能是产生、检测或调制光的偏振态，是偏振光学系统的基础单元。实例如下：

偏振片类：线偏振片（吸收型、反射型）、圆偏振片；

波片类：1/4波片、1/2波片、零波片、补偿波片；

偏振调制构件：偏振旋转器、偏振控制器（基础单元）。

例如，吸收型线偏振片由偏振膜与透明基底组成，能够只允许某一方向的线偏振光通过，用于液晶显示器、相机偏振滤镜等；1/4波片由双折射晶体制成，能够将线偏振光转换为圆偏振光或反之，用于偏振成像、光通信等系统。

（4）滤光光学元件选择性地透过或吸收特定波长的光线，是光学检测、成像、照明等系统的基础单元。滤光光学元件实际例子包括：

滤光片类：窄带滤光片、宽带滤光片、长波通滤光片、短波通滤光片、中性密度滤光片（ND滤光片）、彩色滤光片；

干涉滤光片类：法布里-珀罗干涉滤光片、薄膜干涉滤光片；

衰减片类：固定衰减片、可变衰减片（基础单元）。

例如，窄带滤光片能够只允许特定波长的光线通过（如632.8nm的氦氖激光），用于激光系统、光谱分析等；中性密度滤光片能够均匀衰减光线强度，不改变光的波长与偏振态，用于调节成像系统的光强。

（5）光纤基础元件的功能是传输光信号，是光纤通信、光纤传感等系统的基础单元。下面给出几个典型的实例。

光纤类：单模光纤（SMF-28）、多模光纤（MMF）、保偏光纤、色散位移光纤、光子晶体光纤；

光纤端面构件：光纤端面研磨件、光纤端面镀膜件；

光纤耦合基础元件：光纤准直器（基础单元）、光纤聚焦器。

例如，单模光纤的纤芯直径约为9μm，能够传输单一模式的光信号，具有低色散、低损耗的特性，用于长距离光纤通信系统；保偏光纤能够保持光的偏振态，用于光纤传感、相干光通信等系统。

（6）感光光学元件是记录光信号或图像，是成像、光刻等系统的基础单元。感光光学元件典型例子有：

感光元件类：CCD图像传感器芯片、CMOS图像传感器芯片、光电二极管（PD）、雪崩光电二极管（APD）、光电倍增管（PMT）阴极；

光刻构件：光刻胶涂层基片、光刻掩模版（基础单元）；

胶片类：黑白胶片、彩色胶片、红外胶片。

例如，CMOS图像传感器芯片由大量的光电二极管阵列组成，能够将光信号转换为电信号并形成数字图像，是手机相机、数码相机等成像设备的基本感光构件；光电二极管能够将光信号转换为电流信号，用于光功率检测、光通信接收等系统。

（7）照明光学元件产生或整形照明光线，是照明系统的基础单元。典型实例有以下几个：

光源构件：LED芯片、激光二极管（LD）芯片、半导体激光器芯片、氦氖激光器放电管、氙灯灯管、汞灯灯管；

照明整形元件：聚光镜、反光碗、光导纤维（照明用）、扩散片、导光板。

例如，LED芯片能够将电信号转换为光信号，是LED照明、显示系统的基础光源构件；扩散片能够使光线发生漫反射，用于液晶显示器的背光照明系统，实现均匀照明。

（8）光学窗口与保护构件：它的功能是隔离外界环境（如灰尘、水汽），同时允许光线透过，不影响光学系统的性能。典型实例包括：

光学窗口片：平面窗口片、球面窗口片、紫外窗口片、红外窗口片；

保护镜：激光保护镜、成像系统保护镜；

防尘玻璃：光学系统防尘罩玻璃。

例如，红外窗口片由氟化钙或蓝宝石制成，能够透过红外光线，同时隔离外界灰尘与水汽，用于红外成像、红外探测等系统；激光保护镜用于保护激光系统中的重要构件。

（9）微纳光学元件的功能是在微纳尺度上实现光的调制、成像或传输，是微纳光学系统的基础单元。例如微透镜类：微透镜阵列单元、微球透镜；微纳光栅类：微纳尺度光栅、亚波长光栅；光子晶体构件：一维光子晶体、二维光子晶体基础单元；超表面元件：超表面透镜、超表面偏振器等等。

光机构件中还有光学支撑构件和固定构件等等，这些辅助构件的功能是支撑与固定其他光学构件，保证光学系统的结构稳定性与光学性能。例如镜座类构件：透镜座、反射镜座、棱镜座；镜框类构件：透镜框、滤光片框；支撑轴类构件：光学元件支撑轴、调节轴（基础单元）。此类元件虽不直接参与光的调制与传输，但却是光学系统不可或缺的基础单元，其精度直接影响光学系统的性能。例如，透镜座用于固定透镜，保证透镜的光轴与系统光轴一致，用于相机镜头、显微镜等系统。辅助构件也是一个庞大的家族。

上述光学元件均具有明确的单一基础功能与独立的结构形态，是构成更高层次光学组件的最小单元。

4.5 光机组件层次

光机工程组件按照学科领域分为几个大类：包括光学组件，广义机械组件，电子组件，其它光机组件等。

4.5.1 光机组件层次的主要特征

光机组件由两个或多个光机元件或构件组成的整体，其中光学元件和构件之间的相对位置固定，且具有复合的基础光学功能。光机组件能够作为一个独立的功能单元应用于光机转换器的组装等。

光机工程组件按照是否具有光学功能分为两个大类。一类具有光学功能，称为光学组件，一类没有光学功能，仅具有辅助功能，称为辅助光机组件。

光机组件与光机构件层次的区别在于：光机组件是多个光机构件的固定组合体，具有复合功能；与光学转换器层次的区别在于：光学组件仅实现基础光学功能的复合或某种辅助功能，不涉及光信号或能量的转换。

光学组件是光机组件中的核心部件。光学组件是光学工程中最基本的结构单元与功能单元。由两个或多个光机构件组成，其中至少包括一个光学元件，且以光学元件为主要功能元件，通过固定连接方式（如胶合、机械紧固、焊接、镀膜结合等）形成的有机整体。该整体具有复合的光学功能，能够实现比单一光学元件更复杂的基础光学功能。该整体是构成光学转换器（或光学光路机构）的基础单元。

下面主要讨论光学组件。

4.5.2光学组件层次的分类

根据光学组件的应用场景与功能类型，可将其分为八大类：

（1）成像镜头组件；（2）光纤连接组件；（3）干涉仪基础组件；（4）照明组件；（5）偏振组件；（6）微纳光学组件；（8）光学检测基础组件；（7）光谱分析基础组件。

4.5.3 代表性实例列举与分析

八大类光学组件，每类均包含多种典型实例，涵盖传统光学组件与现代光学组件。

成像镜头组件

这类组件的功能是实现高质量的成像，由多个成像光学构件（透镜、棱镜、反射镜等）通过固定连接形成，是成像系统的核心组件。实例主要包括以下几种。

定焦镜头组件：例如，相机定焦镜头组（由多片凸透镜、凹透镜通过镜筒固定胶合或机械紧固组成）、显微镜物镜组件（由多片透镜固定组成，实现物体的放大成像）、望远镜物镜组件（由凸透镜或反射镜固定组成，实现远距离物体的会聚成像）；

变焦镜头组件（固定焦距段子组件）：例如相机变焦镜头的广角段子组件、长焦段子组件（每个子组件由多片透镜固定组成，子组件之间可相对运动，但子组件内部构件固定）；

光学取景器组件：由棱镜、透镜固定组成，实现成像的取景功能。

例如，相机50mm定焦镜头组件由4片3组透镜（如2片凸透镜、2片凹透镜）通过镜筒固定组成，各透镜之间的相对位置精确固定，能够实现大光圈、高分辨率的成像功能，其复合功能是各单透镜会聚、发散功能的协同叠加，有效校正了球差、色差等像差，成像质量远优于单一透镜。

（2）光纤连接组件：其功能是实现光纤之间的光信号连接或光纤与其他光学构件的光耦合，由多个光纤基础构件与固定壳体组成，是光纤通信、光纤传感系统的中心组件。实例如下：

光纤连接器组件：如SC光纤连接器（由陶瓷插芯、光纤、壳体、防尘帽等固定组成）、LC光纤连接器、FC光纤连接器、ST光纤连接器；

光纤分路/合路组件（固定型）：如固定比例光纤分路器组件（由光纤、分路器芯片、壳体固定组成）、光纤合路器组件；

光纤耦合组件：如光纤-透镜耦合组件（由光纤、准直透镜、固定座组成）、光纤-LED耦合组件。

例如，SC光纤连接器组件的陶瓷插芯内固定有光纤，陶瓷插芯与壳体之间通过机械结构固定，能够实现两根光纤的精准对接，保证光信号的低损耗传输，其复合功能是光纤的传输功能与陶瓷插芯的定位功能的协同叠加，确保了连接的稳定性与可靠性。

（3）干涉仪基础组件的功能是实现光的干涉。它是干涉测量系统的基础组件。它由多个分光/合光构件、反射镜、透镜等固定组成。代表性例子有：

马赫-曾德尔干涉仪固定组件：由分束镜、反射镜、透镜通过支架固定组成，实现光的分束与合束干涉；

迈克尔逊干涉仪固定组件：由半透半反镜、反射镜、补偿板通过支架固定组成，实现光的干涉测量；

法布里-珀罗干涉仪组件：由两块平行的反射镜通过支架固定组成，实现光的多光束干涉。

例如，马赫-曾德尔干涉仪固定组件的分束镜将入射光分为两束，两束光分别经过反射镜反射后，通过合光镜合束产生干涉，各构件之间的相对位置精确固定，确保了干涉条纹的稳定性，其复合功能是分光、反射、合光功能的协同叠加，为干涉测量提供了稳定的光路基础。

（4）照明组件：功能是实现均匀、稳定的照明。照明组件通常由多个照明光学构件（光源、聚光镜、反光碗、扩散片等）固定组成。照明组件是照明系统的核心组件。典型实例包括：

LED照明组件：由LED芯片、反光碗、聚光镜、散热壳体固定组成，实现高效的照明功能。LED照明组件的LED芯片产生光信号，反光碗将发散的光线反射会聚，聚光镜进一步整形光线，散热壳体保证组件的稳定工作，其复合功能是发光、反射、聚光、散热功能的协同叠加，实现了高效、均匀、稳定的照明。

显微镜照明组件：由光源、聚光镜、滤光片通过支架固定组成，为显微镜成像提供均匀的照明；

投影灯照明组件：由氙灯、反光碗、聚光透镜组固定组成，为投影系统提供高强度的照明。

（5）偏振组件：其功能是实现复杂的偏振态调制，由多个偏振光学构件（偏振片、波片、偏振旋转器等）固定组成，是偏振光学系统的核心组件。典型实例包括：

偏振态发生器组件：由线偏振片、1/4波片、1/2波片通过支架固定组成，能够产生特定的偏振态（如圆偏振光、椭圆偏振光）。偏振态发生器组件的线偏振片产生线偏振光，1/4波片将线偏振光转换为圆偏振光，1/2波片进一步调节偏振态，各构件之间的相对角度固定，能够精准产生特定的偏振态，其复合功能是各偏振构件功能的协同叠加，满足了偏振光学系统对特定偏振态的需求。

偏振检测组件：由1/4波片、线偏振片、检测器固定组成，能够检测光的偏振态；

偏振消光组件：由两个正交的偏振片与波片固定组成，实现光的消光功能。

微纳光学组件

其功能是实现微纳尺度上的复杂光学功能。它由多个微纳光学构件固定组成。典型实例包括：

微透镜阵列组件：由多个微透镜单元通过基底固定组成，实现光线的大面积聚焦与整形。微透镜阵列组件的每个微透镜单元能够实现小区域的聚焦，多个微透镜单元固定在同一基底上，能够实现大面积的光线聚焦与整形，用于微型投影仪、光通信模块等系统，其复合功能是各微透镜单元功能的协同叠加，拓展了微纳光学构件的应用范围。

微纳光栅组件：由多个微纳光栅单元固定组成，实现光的多通道分光；

超表面成像组件：由多个超表面构件通过基底固定组成，实现高性能的微型成像。

（7）光谱分析基础组件的功能是实现光的色散与光谱分离。通常由多个分光构件（光栅、棱镜）、透镜等固定组成。它是光谱仪的基础组件。下面是几个比较典型的例子。

光栅光谱仪组件：由光栅、准直透镜、聚焦透镜通过支架固定组成，实现光的色散与光谱成像；

棱镜光谱仪组件：由棱镜、准直透镜、聚焦透镜固定组成，实现光的色散与光谱分析；

光纤光谱仪探头组件：由光纤、准直透镜、光栅固定组成，实现光的采集与色散。

例如，光栅光谱仪组件的准直透镜将入射光转换为平行光，光栅将平行光色散为单色光，聚焦透镜将单色光聚焦成像，各构件之间的相对位置精确固定，确保了光谱分析的精度，其复合功能是准直、色散、聚焦功能的协同叠加，为光谱分析提供了稳定的基础。

（8）光学检测基础组件：功能是实现光信号的采集与初步处理。通常由多个检测构件（光电二极管、透镜、滤光片等）固定组成。他是光学检测系统的基础组件。下面列举几个实例：

光功率检测组件：由光电二极管、聚焦透镜、滤光片固定组成，实现光功率的检测；

光斑检测组件：由CCD芯片、透镜、滤光片固定组成，实现光斑形状与大小的检测；

位移检测基础组件：由反射镜、透镜、光电探测器固定组成，实现位移的光学检测。

例如，光功率检测组件的聚焦透镜将入射光聚焦到光电二极管上，滤光片过滤掉杂散光，光电二极管将光信号转换为电信号，其复合功能是聚焦、滤光、光电转换功能的协同叠加，实现了光功率的精准检测。

上述光学组件均由多个光学构件固定组成，具有复合的基础光学功能，是构成更高层次光学转换器或光路机构的基础单元。

4.6 光学转换器层次（第四层次）

4.6.1 光机转换器层次的定义、主要特征  

4.6.1.1定义

光学转换器是由单个或多个光学构件、或光学组件通过功能性连接（区别于组件层次的固定整合）形成的独立功能单元，其主要功能是实现光信号与其他形式能量（电、声、磁、热等）的双向转换，或改变光子的基本特性（强度、频率、相位、偏振、传播方向等），为光机光路系统层次的拓扑结构搭建提供基本功能单元。

光学转换器是光学系统与外界环境（电信号、机械信号等）交互的“接口单元”，也是光路系统实现复杂功能（如调制、探测、切换、频率扩展等）的基本部件。该层次赋予光学系统主动响应与功能调控的“智能属性”。

光机转换器是含有光学转换器一类光学部件的总称。几乎所有光学转换器都包括机械部件或包括电工电子部件或其它部件。它是构成光机光路的基本结构单元。其中，光学转换器是光机转换器的核心部件。光学转换器以外的其余部件是辅助部件。光学转换器和辅助光机转换器共同构成复杂光机整机系统。

 在光机工程的六个层次划分体系中，光机转换器层次作为连接光机组件层次与光机光路系统层次的中间层次，对应机械工程中的实体运动副层次，对应液压系统的液压阀层次、对应电工电子领域的二极管与逆变器等电子转换器层次。

4.6.1.2光学转换器的基本特征，

光学转换器具有以下四个特征：

第一，功能转换的独立性。光机转换器的主要功能是“转换”，包括能量形式的转换（如电→光、光→电）和光子特性的调控（如频率转换、偏振调制）。每个光学转换器作为独立功能单元，可单独实现某一特定转换功能 。

第二，结构组成的功能性与灵活性。光学转换器的结构组成以“实现转换功能”为核心，可由单个光学构件（如倍频晶体）构成，也可由多个光学元件、光学组件通过功能性连接形成。其连接方式区别于组件层次的“固定连接”，允许存在可调控的连接关系。例如，光开关中镜片的可转动连接。其结构具备一定的结构灵活性。

第三，层次衔接的枢纽性。光机转换器层次处于组件层次与光路系统层次之间，向上承接组件层次的基础功能。例如透镜的聚光功能为光电转换器的光接收提供保障。向下为光路系统层次提供功能节点。例如，多个调制器、开关的组合构成串联或并联光路。光学转换器是整个层次体系中“基础功能向复杂功能过渡”的关键枢纽。

第四，物理效应的依赖性。光学转换器的功能实现多依赖特定的物理效应，如电光效应、声光效应、磁光效应、非线性光学效应、光电效应等，这是其区别于其他层次的主要技术特征。组件层次的功能实现主要依赖光学构件的几何结构与光学特性，无需复杂物理效应的参与；而光路系统层次的功能实现依赖多个转换器、组件的拓扑组合。

4.6.1.3 光学转换器层次的定位边界（与上下层次的区别与联系）

为明确光学转换器层次的定位，需清晰界定其与组件层次、光路系统层次的边界关系，避免功能交叉与定位模糊，具体区别与联系如下：

与光学组件层次的区别：组件层次的结构是“固定连接的构件组合”，功能是实现复合基础光学功能（如物镜组的聚焦、分光功能），无能量转换或光子特性调控的功能；结构上以固定连接为主，无调控灵活性。而光学转换器层次的作用是“转换功能”，结构上可包含固定连接或功能性调控连接，功能上具有主动转换与调控能力。例如，光纤布拉格光栅（组件层次）由光纤与光栅结构固定组成，其功能是分光与滤波，无转换功能；而光纤耦合器（转换器层次）虽由光纤组成，但核心功能是实现光信号的分束与合束转换，具备能量分配的转换属性。

与光学组件层次的联系：组件层次是光学转换器层次的结构基础，多数光学转换器需以光学组件为组成单元（如电光调制器中的透镜组组件、偏振组件）；同时，部分结构简单的转换器（如单一倍频晶体）可视为“具备转换功能的特殊组件”，但因其核心功能为转换，仍归入转换器层次。

与光学光路系统层次的区别：光路系统是“多个组件与转换器的拓扑组合”。其功能是实现复杂的系统性光学功能（如成像、干涉、扫描），其工作依赖多个功能单元的协同协作。在结构模式方面，多数呈现明确的串联、并联、梳连或混联拓扑形态。而光学转换器层次是单一功能转换单元，结构上少有拓扑组合特征，功能上仅实现单一转换功能。例如，激光扫描系统（光路系统层次）由扫描镜、准直组件、调制器等多个转换器与组件串联组成，其功能是实现激光的二维扫描；而声光偏转器（转换器层次）作为该系统的核心单元，仅实现激光传播方向的偏转转换，功能比较单一。

与光学光路系统层次的联系：光学转换器是光路系统层次的主要组成单元，光路系统的复杂功能需通过多个转换器的拓扑组合实现；同时，光路系统的工作环境与调控需求，也决定了光学转换器的选型与设计。例如光纤通信链路需选用低损耗的光隔离器、光开关。

 4.6.2  光学转换器的分类

按照转换的能量形式或调控的光子特性，同时兼顾物理效应与应用领域， 分类如下：

（1）. 电光转换类：依赖电光效应或电致发光效应，实现电能与光能的双向转换，主要包括“电→光转换”与“光→电转换”两个子类，是电子系统与光学系统交互的主要单元。

（2）. 光光转换类：依赖非线性光学效应、散射效应等，实现光子特性（频率、相位、强度、传播方向）的直接转换，无需其他能量形式的介入，是扩展光波长范围、调控光传播特性的核心单元。

（3）. 声光/磁光转换类：依赖声光效应、磁光效应，实现声能/磁能与光能的转换，或通过声/磁信号调控光子特性，是机械信号、磁信号与光学系统交互的核心单元。

（4）. 光开关与路由类：依赖机械调控、电光调控等方式，实现光传播路径的切换、通断或路由分配，其功能是“光传播方向的转换与调控”，是光路系统拓扑结构切换的核心单元。

（5）. 波前与偏振调制类：依赖光的偏振特性、波前调控原理，实现光偏振态、波前形状的转换与调控，是提升光学系统成像质量、信号传输稳定性的重要单元。

该分类体系基本覆盖了光学工程领域所有典型的光学转换器，既符合层次划分的覆盖全面性原则，又明确了各类转换器的功能与技术特征。

4.6.3 各类光学转换器代表性的实例详解

本节将按照上述分类体系，结合工程应用中的典型实例，详细剖析各类光学转换器的结构组成、工作原理、技术参数与应用场景，每个实例均突出其“转换功能”与层次定位，确保内容的全面性与实用性 。

4. 6.3 各类光学转换器代表性实例详解

本节结合工程典型实例，剖析各类转换器的结构、工作原理、关键参数与应用场景。

4.6.3.1 电光转换类光学转换器

电光转换类转换器是光学系统与电子系统交互的重要接口，其功能是实现电能与光能的双向转换。根据转换方向的不同，可分为电→光转换器与光→电转换器两个子类。

（1）电→光转换器：他的概念是将电能转为光能，输出特定特性光信号。激光二极管（LD）：由P-N结与有源区组成，正向电压下电子-空穴对复合辐射激光，具有单色性好、方向性强等优势，关键参数含输出功率、中心波长，应用于光纤通信、激光雷达等；发光二极管（LED）：无激光振荡，输出非相干光，优势是功耗低、成本低，应用于照明、显示、传感光源；OLED（有机电致发光器件）：柔性轻薄、自发光，应用于柔性显示、透明显示等；半导体激光器泵浦源：由LD阵列组成，为激光器提供泵浦光，应用于光纤激光器、固体激光器。

（2）光→电转换器：功能是将光信号转为电信号，实现光信号探测与采集。光电二极管（PD）：基于光生伏特效应，PIN型、肖特基型应用广泛，关键参数含响应度、暗电流，用于光纤通信接收端、光功率测量；雪崩光电二极管（APD）：引入雪崩倍增效应，灵敏度高，用于弱光探测、长距离光纤通信；光电倍增管（PMT）：基于光电效应与二次电子发射，灵敏度极高，用于荧光光谱仪、弱光检测；CCD/CMOS图像传感器：阵列式转换，CCD成像质量高，CMOS功耗低、集成度高，应用于相机、成像仪、自动驾驶视觉系统；红外探测器：针对红外光转换，分制冷/非制冷型，应用于红外热成像、安防监控、红外遥感。

4.6.3.2 光光转换类光学转换器

实现光子特性直接转换，依赖非线性光学、散射等效应，广泛应用于激光技术、光谱分析等领域。转换器的实例如下：

（1）光学倍频晶体（SHG）：基于二阶非线性效应，将基频光频率翻倍（如1064nm红外转532nm绿光），应用的主要材料为LiNbO₃、KTP、BBO等，关键参数含倍频效率、损伤阈值，应用于激光显示、医疗激光、精细加工；（2）光学和频/差频发生器（SFG/DFG）：实现两束光和频（短波长）或差频（长波长）转换，应用于深紫外/中红外激光生成、光谱分析；（3）光学参量振荡器（OPO）：基于参量放大与振荡，实现波长可调谐转换，应用于拉曼光谱仪、激光雷达；（4）拉曼散射转换器：基于拉曼散射效应，实现频率偏移转换，应用于光纤放大器、物质结构分析；（5）光学衰减器：基于吸收/反射效应，调节光强度衰减，应用于激光功率校准、光纤通信；（6）光分束器/合束器：基于折射/反射效应，实现光信号分束或合束，平板/立方体/光纤型应用广泛，用于光纤通信、干涉仪系统。

4.6.3.3 声光/磁光转换类光学转换器

作用是实现声/磁能与光能转换或特性调控，依赖声光/磁光效应，是跨系统交互的重要单元。以下是几个实例。

（1）声光调制器（AOM）：由声光介质、换能器组成，将电信号转为超声波形成光栅，衍射光特性随超声波变化，实现光调制，关键参数含调制频率、衍射效率，应用于激光打标、光纤通信；（2）声光偏转器（AOD）：基于声光效应调控光传播方向，通过改变超声波频率实现偏转，应用于激光扫描、激光雷达；（3）磁光隔离器：由永磁体、法拉第旋转器、偏振片组成，基于法拉第效应实现光单向传输，防止反射光干扰，应用于激光器、光纤通信；（4）磁光调制器：基于磁光效应，通过磁场调控光偏振态与强度，应用于磁光存储、磁光传感；（5）磁光克尔效应传感器：基于克尔磁光效应，将磁场变化转为光信号变化，应用于磁性材料检测、生物医学分析。

4.6.3.4 光开关与路由类光学转换器

这类转换器用于实现光路径切换、通断与路由分配，依赖机械/电光/声光/热光调控，它们是光路拓扑灵活配置的重要部件。举几个实例：

（1）机械光开关：通过驱动机构控制反射镜/光纤移动，实现光路切换，MEMS光开关体积小、切换快，应用于光纤通信链路切换、光学测试；（2）电光光开关：基于电光效应，通过电压调控晶体折射率，实现光路通断/切换，应用于高速光纤通信、激光雷达；（3）声光光开关：基于声光效应，通过超声波控制光衍射方向，实现光路通断，应用于激光加工、光学测试；（4）热光光开关：基于热光效应，通过温度调控材料折射率，实现光路切换，应用于光子集成芯片、光纤传感；（5）光路由器：由多个光开关、分束/合束器组成，实现多输入多输出光信号路由分配，应用于数据中心光互连、骨干光纤通信网络。

4.6.3.5 波前与偏振调制类光学转换器

主要用于提升系统性能，实现偏振态、波前形状转换与调控。实例如下：

（1）空间光调制器（SLM）：由像素阵列、驱动电路组成，调控光的波前、振幅或偏振态，分相位/振幅/偏振型，应用于自适应光学、光学全息、激光束整形；（2）可变形镜（DM）：由微镜阵列、驱动单元组成，通过微镜位移校正波前畸变，应用于天文望远镜、激光通信；（3）偏振控制器：通过调控偏振元件或电场/磁场，实现偏振态转换与稳定，应用于光纤通信、偏振显微镜；（4）波片：基于双折射效应，产生特定相位差，实现偏振态转换（1/4、1/2波片应用广泛），应用于偏振光学系统、激光干涉仪；（5）偏振分束器/合束器：基于偏振特性，分离或合并不同偏振态光信号，应用于干涉仪、光纤通信。

4.6.4 光学转换器层次在层次体系中的作用与工程价值

光学转换器层次作为六层次体系的中间单元，其价值体现在理论、设计等方面。

理论层面，完善了传统的层次划分，形成了“材料-构件-组件-转换器-光路系统-整机”的完整体系，为光学工程理论研究提供了一个统一框架，为技术人工物的统一打下了基础；设计层面，以标准化、模块化特征为光学系统模块化设计奠定基础。

光学转换器层次兼具枢纽性、依赖性与灵活性，是光学结构体系不可或缺的关键层次。随着非线性光学、光子集成等技术发展，转换器将向更高性能、更小体积、更高集成度方向演进。

4.7 光学光路层次（第五层次）

在光机工程六层次划分体系中，光机光路系统层次（以下简称“光路系统层次”）介于光学转换器层次（第四层次）与光学整机层次（第六层次）之间，对应机械工程的机构层次与生物的系统层次。这一层次是连接单一功能转换单元与完整工程任务系统的枢纽。

光学光路由两个及以上光学构件、组件或转换器，通过串联、并联、梳连、混联等特定光路拓扑结构连接形成的功能整体。其功能是实现成像、干涉、扫描等超越单一转换器的复杂光学功能。

本层次的特征表现为“拓扑结构化”与“功能复合化”。区别于转换器层次“单一转换功能+独立单元”的属性，光学光路以光路拓扑连接为纽带，实现多组件协同工作。光路系统是光学整机的“主要功能模块”。一台完整光学整机（如光刻机、天文望远镜）通常包含多个各司其职又协同配合的光路系统（照明、成像、检测等）。多个光路系统协调工作，共同支撑完成整机功能。

基于光信号传输的特点，本文将光路系统按拓扑结构明确划分为串联、并联、梳连、混联四大基本类型。下文讨论一些光路的典型工程实例。

4.7.1 串联光路系统

4.7.1.1 定义与特征

串联光路系统是光束沿单一方向依次通过一系列光学部件，前一部件输出光信号即为后一部件输入光信号，形成“链式传输”形态的光学系统。串联光路系统是光学光路中最基础、最常见的拓扑结构。

串联光路有三个特征：一是单通道传输，光路无分支、无汇合，传播方向唯一；二是功能累积性，整体性能由各部件性能叠加而成（如总透射率为各部件乘积），单个部件缺陷直接影响整体输出；三是结构简洁，布局线性化，设计与调试难度较低。

串联光路通过多部件依次作用，将简单光信号转化为复杂光信号（如自然光到聚焦成像光），从而现光信号“连续化处理”。串联光路是构成复杂光路系统的基础单元，适用于所有单一方向光信号传输处理场景。

4.7.1.2 典型工程实例详解

串联光路广泛应用于各类光学设备，以下结合多领域典型实例，剖析其结构、原理与应用：

（1）传统照相镜头光路：将自然光聚焦到感光元件成像。光路按序为：保护镜片→前组透镜→光圈→中组透镜（校正像差）→后组透镜（聚焦调节）→快门→滤镜→感光元件。光束依次经各部件折射调节完成成像，前组输出作为后组输入，应用于单反、无反、工业相机等。

（2）开普勒望远镜光路：天文观测的主要设备，串联结构实现遥远天体光线汇聚放大。光路按序为：物镜组（聚光）→场镜（校正像差）→转像棱镜组（正立成像）→目镜组（放大）→视场光阑→人眼/探测器。相较于伽利略望远镜，新增转像棱镜组解决倒立成像问题，聚光能力更强，应用于天文望远镜、双筒望远镜等。

（3）激光打标机核心光路：串联结构实现激光聚焦刻蚀，含多转换器协同。光路按序为：激光器（电光转换）→激光隔离器（防反射光干扰）→准直透镜组（平行光转换）→扩束镜（扩束减发散）→声光调制器（功率控制）→反射镜（转向）→聚焦镜组（微米级聚焦）→工件表面。激光经多环节处理后作用于工件，应用于金属刻蚀、塑料打标等工业场景。

（4）光纤通信发射端光路：作用是电光转换与信号耦合适配光纤传输。光路按序为：激光二极管（电光转换）→光隔离器（防激光器损坏）→电光调制器（信号加载）→准直透镜（平行光转换）→聚焦透镜（光纤耦合）→光纤连接器。各部件串联保障信号稳定性与传输效率，应用于光纤收发模块、光端机等。

（5）红外热成像仪光路：接收红外光并转化为可见图像，串联结构含红外专用部件。光路按序为：红外窗口（透红外阻杂光）→红外物镜组（聚光）→红外滤光片（滤杂波）→光阑（控进光量）→红外探测器（光电转换）。红外光经多环节处理后转化为电信号，形成热成像图，应用于安防监控、工业测温等领域。

（6）单色仪光路：是光谱分析的主要设备，属于精密串联结构，可实现复色光单色化。光路顺序为：入射狭缝（提分辨率）→准直镜组（平行光转换）→色散元件（复色光分解）→聚焦镜组（单色光聚焦）→出射狭缝（波长筛选）→光电探测器（信号转换）。复色光经多环节处理后输出单色光，部件精度决定分辨率，应用于光谱仪、拉曼光谱仪等。

（7）激光倍频光路是完成基频激光波长的扩展（如1064nm转532nm）。光路顺序为：基频激光器→激光隔离器（防干扰）→准直扩束镜组（提光束质量）→偏振器（匹配晶体偏振态）→倍频晶体（频率倍频）→滤光片（滤基频光）→聚焦镜组（聚焦输出）。基频激光经多环节处理后输出倍频光，主要应用于激光显示、医疗激光等领域。

（8）显微镜物镜成像光路：主要是决定微观成像分辨率。其光路按序为：样品（反光/透光）→物镜组（放大校正像差）→镜筒透镜（成像传递）→目镜组/相机接口→光电探测器。样品光线经多环节处理后形成放大像，应用于生物显微镜、金相显微镜等设备。

4.7.2 并联光路系统

4.7.2.1 定义与特征

并联光路系统是实现干涉、相干合成等复杂功能的核心重要结构。我们把入射光经分束器分解为多路独立光束，各光束分别处理（相位调制、光程调节等）后，再经合束器汇合，形成“分束-并行处理-合束”闭环形态的光路模式称为并联光路。并联光路与并联机构相似。

并联光路有三个主要特征。一个是多通道并行处理，光路有分支，各支路独立完成特定功能；二是功能协同性，支路处理结果经合束形成新信号（如干涉条纹），单支路性能影响整体效果；三是高精度要求，各支路光程差、偏振态等常需严格控制。

并联光路可以实现光信号“对比与合成”，完成串联光路无法实现的复杂功能（如干涉测量、相干光合成），适用于高精度测量、高功率激光、光谱分析等领域。

4.7.2.2 典型工程实例详解

并联光路多用于高精度设备，设计调试难度高于串联结构，以下结合多领域实例剖析其要点包括：

（1）迈克尔逊干涉仪光路：经典干涉测量设备，通过双光束干涉实现纳米级高精度测量。光路组成：光源→准直透镜→分束器（分反射/透射两路）→反射光支路（固定反射镜+光程调节机构）→透射光支路（可动反射镜+光程补偿板）→合束器→目镜/探测器。两路光经反射汇合后产生干涉条纹，通过条纹变化测量长度、折射率等，应用于长度计量、光学检测等领域。

（2）马赫-曾德尔干涉仪光路：作用是用于相位调制与干涉检测，无反射光回射光源，光源稳定性要求低。光路组成：光源→准直扩束镜组→第一分束器（分两路）→支路1（相位调制器+透镜）→支路2（光程调节滑块+透镜）→第二合束器→滤光片→探测器。支路1加载电信号实现相位调制，两路光汇合干涉后，通过强度变化还原电信号，应用于光纤通信调制解调、气体检测等。

（3）相干光合成（CPS）系统光路：作用是多路低功率激光合束为高功率激光。光路组成：多通道激光器→准直镜组（每路对应一组）→分束器阵列（分采样光与主光束）→采样支路（探测器+相位控制模块）→主光束支路（相位调制器+反射镜）→合束器→输出镜。通过相位校准确保多路光束相位一致，合束后输出高功率激光，应用于激光切割、核聚变实验等领域。

（4）萨格纳克干涉仪光路：光纤陀螺的作用是通过光程差检测旋转角速度。光路组成：光源→耦合器（分两路）→光纤环（两路光反向传输）→耦合器（合束）→探测器→信号处理模块。静止时两路光程相等，旋转时产生光程差，干涉信号变化反映角速度，应用于光纤陀螺、惯性导航系统等。

（5）双光束干涉测量光路：工业检测技术之一，实现工件表面粗糙度、平面度等参数测量。光路组成：光源→准直扩束镜组→分束器（分参考/测量两路）→参考支路（固定反射镜+光程调节机构）→测量支路（测量反射镜+聚焦镜）→合束器→成像透镜→CCD相机→图像处理模块。工件形变导致测量光程变化，条纹偏移量对应参数值，应用于机械加工检测、半导体晶圆检测等。

（6）法布里-珀罗干涉仪光路：高分辨率光谱分析设备，通过多光束干涉实现精密光谱分辨。光路组成：光源→准直透镜→入射光阑→法布里-珀罗标准具（两片高反射率反射镜）→出射光阑→聚焦透镜→探测器。复色光在反射镜间多次反射透射，形成多光束干涉，不同波长对应不同干涉级次，应用于原子光谱分析、激光波长校准等领域。

4.7.3 梳连光路系统

4.7.3.1 定义与特征

梳连光路系统是工程应用广泛但传统分类多被忽略的结构。把入射光从公共源发出，经分束器或色散元件分解为多路独立支路（梳齿），各支路导向不同目标且不再汇合的光路系统称为梳联光路。梳连光路形成“一分多、有分无合”树状形态。

梳联光路实现光信号“分发与扩展”，解决多通道、多目标分布式需求，适用于光纤通信、成像光谱、照明系统、传感网络等多个领域。梳联光路是现代多通道光学系统的主要拓扑形式之一。

4.7.3.2 典型工程实例详解

梳连光路在现代光电子技术中应用极广，以下结合多领域实例剖析其主要应用：

（1）光纤到户（FTTH）无源光网络（PON）光路：这是宽带通信的主流模式，光纤把光信号从主干光纤分发至多个家庭用户。光路组成：主干光纤（公共端）→无源光分路器→多路用户支路（用户光纤+连接器+光猫）。分路器将单一光束分解为数十路，各支路独立传输至用户光猫，应用于家庭、企业宽带等领域。

（2）高光谱成像仪光路：主要作用是同步获取目标空间图像与光谱信息。光路组成：望远镜物镜组（公共端，收集反射光）→色散元件（分支点）→多路波长支路（窄带滤光片+线阵探测器）。色散元件将复色光分解为多波长支路，各支路独立记录对应波长图像，合成高光谱数据，应用于航空遥感、农产品检测等领域。

（3）DLP投影系统光路：激光投影设备的重要组成部件，可以把光信号分发至微镜实现图像投影。光路组成：光源→积分器→色轮→透镜组（公共端处理）→DMD芯片（分支点，含数百万微镜）→多路微镜支路→投影镜头→屏幕。各微镜独立控制反射方向，投射对应像素点，应用于激光投影仪、激光电视等设备。

（4）多通道光纤传感网络光路：用于分布式多目标参数测量（温度、压力等）。光路组成：光源→耦合器→光放大器→光分路器（公共端处理）→多路传感支路（传感光纤+连接器）→耦合器→探测器。分路器将光信号分解至各传感支路，支路光信号经环境调制后返回检测，应用于周界安防、油气管道监测等领域。

（5）LED背光模组光路：是液晶显示的重要部件，将光信号分发并实现均匀照明。光路组成：LED光源阵列→导光板（公共端+分支点）→多路照明支路（扩散片+增亮膜+液晶面板）。导光板通过网点阵列将光发散至整个平面，各支路光束实现均匀照明，应用于液晶显示器、手机屏幕等设备。

（6）激光雷达（LiDAR）扫描光路：这是自动驾驶的重要设备之一，功能是激光束分发，实现三维扫描测距。光路组成：激光器→准直扩束镜组（公共端）→扫描振镜/光纤分束器（分支点）→多路空间支路（照射不同目标点）→接收支路（接收透镜+探测器）。各支路激光照射目标后反射检测，通过传播时间测距，应用于自动驾驶、无人机测绘等领域。

（7）多通道荧光检测光路：生物化学检测技术之一。其作用是激发光分发至多通道检测样品荧光。光路组成：激发光源→激发滤光片→准直透镜→分束器（公共端处理）→多路检测支路（样品池+发射滤光片+聚焦透镜+光电倍增管）。各支路独立检测对应样品荧光信号，应用于酶标仪、生物芯片检测等设备。

（8）光纤分路器应用光路：这是一种梳连结构。常见光路组成：输入光纤（公共端）→PLC芯片（分支核心）→多路输出支路（输出光纤+连接器）。光信号经芯片波导结构分解为多路独立传输，应用于光纤通信链路分发、激光功率分配等场景。

（9）图像传感器面阵光路：成像设备主要结构之一。作用是把光信号分发至像素点实现图像采集。光路组成：镜头组→滤光片（公共端处理）→传感器面阵（分支点，含数百万像素）→多路像素支路（感光二极管+读出电路）。各像素独立接收光信号并转换为电信号，应用于相机、监控摄像机等设备。

（10）.  激光打标/加工头中的多光束输出：

一束高功率激光被分束镜组分成多束，同时加工工件的不同位置。各加工点独立。

 “梳连”结构在光学文献中，有时被称为“星型”或“辐射状”结构。 

4.7.4 混联光路系统

4.7.4.1 混联光路定义

混联光路系统是指同时包含串联、并联、梳连两种及以上结构模式，通过各种组合形成的复合光路形态。混联光路可实现光信号“复杂集成处理”，满足光刻机、自适应光学望远镜等高端设备的高精度、多功能需求 。

4.7.4.2 典型工程实例详解

混联光路多用于高端光学设备，以下结合实例剖析其基本构成：

（1）光刻机照明光路：这是半导体制造设备的作用部件之一。混联结构实现光刻适配照明。基本光路：激光光源→倍频模块（串联，基频转深紫外光）→准直扩束镜组（串联）→积分器（串联，光均匀化）→分束器（梳连，光分发）→支路光程调节模块（并联，相位匹配+合束）→透镜组（串联，聚焦）→掩模台。集成串联连续处理、梳连分发、并联匹配功能，应用于DUV/EUV光刻机。

（2）自适应光学望远镜光路：属于天文观测高端设备，用于校正大气湍流像差。光路组成：望远镜物镜组（串联，聚光）→场镜（串联）→波前传感器（并联，像差检测）→波前校正模块（串联，像差校正）→分束器（梳连，分成像/检测支路）→支路1（目镜组+人眼/CCD，串联成像）→支路2（探测器+信号处理，检测反馈）。集成串联处理、并联检测、梳连分发功能，应用于高端天文望远镜、地基激光通信设备。

（3）光片显微镜光路：生物医学高端成像设备之一。用于实现生物样品三维成像。光路组成：激发光路（串联+梳连，激光→准直→分束→双光片生成）→样品；探测光路（串联+并联+梳连，荧光→物镜组（串联）→分束器（并联，分两路）→支路1（透镜组+高速CCD，串联快速成像）→支路2（光栅+线阵探测器，串联光谱分析）。集成多拓扑功能，应用于活细胞观测、生物组织三维成像。

（4）激光加工机床光学光路：用于多维度激光加工与参数监测。光路组成：激光器→隔离器→准直扩束镜组（串联处理）→分束器（梳连，分多路加工支路）→支路（扫描振镜+聚焦镜，串联加工）→工件；检测光路（并联，分束→探测器→控制模块，实时监测功率）。集成串联处理、梳连加工、并联监测功能，应用于激光切割、3D打印设备。

（5）高端光纤通信收发模块光路：用于实现多通道光信号收发与监测。基本光路：发射端（串联+梳连，激光器→调制器→分束→光纤传输）；接收端（梳连+串联，光纤→分束→探测器→放大处理）；监测光路（并联，分束→探测器，功率监测）。集成多拓扑功能，应用于100G/400G光模块、数据中心通信设备。

（6）红外热成像与测温一体化光路：用于同步实现热成像与温度测量。基本光路组成：红外镜头组（串联，聚光）→分束器（并联，分两路）→支路1（滤光片+探测器，串联成像）→支路2（分束器+多路窄带滤光片+探测器，梳连+串联测温）。集成串联处理、并联分路、梳连测温功能，应用于工业测温、医疗诊断等领域。

4.7.5 光路系统层次的设计要点

光路系统设计质量直接决定整机性能与可靠性，结合前文四类结构特征与实例，需遵循以下要点，实现功能、性能与工程落地的统一：

（1）拓扑结构选型：按功能需求选型，单一连续处理选串联，干涉合成选并联，多通道分发选梳连，复杂多功能选混联。兼顾实现难度、成本与调试复杂度，避免过度设计。

（2）部件匹配性设计：严格保障波长、偏振态、光程、功率等参数匹配（如并联支路偏振一致、光程差合规），部件不匹配易导致功能失效（如干涉条纹模糊）。

（3）像差与杂散光抑制：成像类光路需通过透镜组合、非球面元件等校正像差；通过光阑、遮光罩、抗反射镀膜等抑制杂散光，避免干扰核心信号。

（4）环境适应性设计：适配温度、振动、湿度等应用环境，通过热变形补偿、减震结构、密封防尘等措施，保障极端环境下性能稳定。

（5）调试与维护便利性：预留调试接口（光程、偏振调节机构），保障部件可更换性，预留观察窗口，降低调试维护成本。

（6）集成兼容性设计：与整机机械、电气、冷却系统适配，保障结构尺寸、信号接口、散热需求兼容，实现整体协同工作。

4.8、光学整机层次（第六层次）

光学整机层次对应生物的个体。这个层次的个体是由系统组成的。实际上，生物的个体还包括单细胞个体和植物个体。机械领域，每一个层次都有自己的个体，光学领域也是如此。下面仅分析几种比较复杂的个体。主要是由光路组合构成的个体。

4.8.1 光学整机定义

光机整机层次是指由两个及以上光路系统与辅助系统（如机械支撑系统、电气控制系统、冷却系统等）集成形成的完整光学设备。其对应生物个体层次与机械整机层次，是光学工程技术落地应用的最终形态。这个整机不包括其它较低层次的部件构成的“个体”。光学整机能够独立完成特定的光学应用任务。例如成像、测量、加工、通信，观测等。

光学整机的一个重要特征是多技术融合。以现代光刻机为例，它包含了精密光学系统（照明光路、投影物镜）、精密机械系统（工件台、掩模台）、精密检测系统（激光干涉仪、对准系统）和计算机控制系统等。这些系统高度集成，共同实现纳米级的光刻精度。  

4.8.2 光学光机的分类和实例

该层次涵盖各类完整的光学设备，具体可分为：

成像类光学整机：显微镜（生物显微镜、金相显微镜、共聚焦显微镜）、望远镜（天文望远镜、双筒望远镜）、相机（单反相机、无反相机、工业相机）、投影仪（激光投影仪、液晶投影仪）；投影仪、激光电视、VR头显、AR眼镜。

测量类光学整机：激光干涉仪、光谱仪（拉曼光谱仪、红外光谱仪）、光学轮廓仪、激光测距仪、经纬仪、光功率计。

加工类光学整机：激光切割机、激光焊接机、激光打标机、3D打印光学设备、光刻胶曝光机、激光雕刻机。

通信类光学整机：光纤通信终端、光学路由器、激光通信设备；

特殊功能光学整机：光刻机、自适应光学望远镜、红外热像仪、激光雷达（LiDAR）。

 医疗设备： 激光治疗仪、OCT（光学相干断层扫描仪），内窥镜系统。

 科研仪器： 电子显微镜、天文望远镜。

4.8.3典型光学系统的层次解析

4.8.3.1 激光雷达的结构层次解析

材料层次： 光学玻璃（透镜）、铝合金（壳体）、KDP晶体（倍频）。

构件层次： 准直透镜、扫描反射镜、扩束镜片。

组件层次： 激光器谐振腔组件（含输出镜、全反镜）、接收镜头组件（多片透镜组装）。

转换器层次：激光器本身

激光器本身（电转光）：作为源动力转换。

光电探测器（APD）：光转电。

扫描振镜（电机转角度）：机械运动副控制光路。

机构层次：

发射光路（串联）：激光器 -> 扩束镜 -> 振镜。

接收光路（串联）：接收镜头 -> 滤光片 -> 探测器。

扫描模式（梳连）：振镜将激光束按梳状扫描覆盖空间场，每一个回波点对应一个“梳齿”，不需要光束合并

整机层次： 自动驾驶激光雷达（LiDAR）。

4.8.3.2 光纤接入网（PON）的结构层次解析

材料层次： 掺杂石英光纤、塑料涂覆层。

构件层次： 光纤跳线尾纤。

组件层次： 光纤连接器接口。

转换器层次： 光模块（OLT/ONU内的电光/光电转换芯片）。

机构层次：

主干光纤（串联）：局端到小区

分光器（梳连）：这是典型的梳连机构，1路光输入，32路光输出，分别进入不同的用户家中，各路光信号互不干涉，没有合束过程。

整机层次： 光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）。

4.8.4、光学工程层次间的生成关系

光学工程各层次间的基本生成关系主要遵循“低层次生成高层次。同时存在其它层次的部件介入的情况。

由材料到元件，多由增材加工、减材加工或变形加工等工艺方法完成。从元件到其它复杂部件，多依靠重组完成。

基础生成关系：光学材料层次通过加工工艺生成光学构件层次，光学构件通过固定连接生成光学组件层次，光学组件与构件通过某种连接生成光学转换器层次，光学转换器通过逻辑组合生成光学光路层次，光学光路与辅助系统集成生成光学整机层次。低层次单元是高层次单元的物质与功能基础，高层次单元具有低层次单元不具备的涌现性功能（如光学光路的复杂扫描功能、整机的任务完成功能）。

在特定场景下，低层次单元中可能包含高层次单元的直接集成，例如，光学转换器中可能直接包含光路部件。这种特殊关系并不违背层次划分准则，而是一种技术反哺现象。 

各层次间并非孤立存在，而是通过协同作用实现整体功能。例如，光学转换器精度直接影响光学光路的功能实现，光学光路的集成效果决定光学整机的性能上限，而光学整机的工作环境又会反作用于低层次单元的稳定性。

 （待续）

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