光机结构设计1-一纸开卷

成像光学系统主要设计内容⏹ 光学元件的面型参数：材料，曲率，口径，非球面系数…⏹ 光学元件的位置参数安装位置，角度⏹ 光阑的位置和孔径
近轴光学公式只适于近轴区域，有什么用？第一，作为衡量实际光学系统成像质量的标准。

用近轴光学公式计算的像，称为实际光学系统的理想像。

第二，用它近以地表示实际光学系统所成像的位置和大小。

光学零件（按形状分）透镜棱镜：光学零件（按形状分）平面镜：光学材料光学玻璃：光学晶体：光学塑料：光学玻璃:
①是光学设计最常用的光学材料；②为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。

各表面作用：
①工作表面：有效表面，它用于光的透射、反射、改变光束方向或会聚光线等方面。

②辅助表面：用于连接、光学零件图例1
支撑和固定的，又称装夹或安装表面。

③自由表面：用于零件的夹紧或在完成零件基本加工后，为限
制零件的形状和尺寸，去掉多余材料得到的表面。

在光学零件图中要反映以下内容：①反映出零件的几何形状、结构参数和公差；②反映出对光学材料的质
量要求；③反映出对光学零件加工精度和表面质量的要求。

零件表面与样板表面之间存在的偏差，用两表面
间空气隙所产生的干涉条纹数N和ΔN表示。

N表示整个表面的面形偏差；ΔN表示零件表面的局部偏差。

周边加压法：最适用于光圈N＞1的情况。

高光圈，样板周边加压后，干涉条纹从中心向边缘移动。

低光圈，
样板周边加压后，干涉条纹从边缘向中心移动。

光学镜片冷加工流程：
硝材准备：在开始加工前，需要为光学零件预备加工所用的材料（毛坯或硝材）
切削/铣磨：将毛坯料在切削机上进行切削加工，目的是将2个曲面切出与目标球面R值较为接近、中心厚
度预留，表面不允许有坑洞等不良为后道的粗磨、抛光做准备；（此工序需注意玻璃硬度与切削砂轮粒度
之配合关系）
精磨：精磨处于研磨的中间工序，相当于机械加工中的半精加工，此工序的主要目的是消除前到切削时留下
的表面坑洞，达到表面粗糙度要求和面型误差、中心厚度控制等；此工序需要选择金刚石颗粒的粒度与玻璃
材料磨耗度的搭配关系主轴转速与摆臂的运动幅度等；
抛光：研磨抛光是获得镜片表面品质的主要工序，目的是去除上工序粗磨残留的瑕疵并达到表面形状精度、
中心厚度尺寸均符合规格要求；此工序需要注意研磨粉洁净度、研磨液调配比例浓度、液体温度、抛光皮
选择、转速与摆臂幅度等；
芯取/定心磨边：利用金刚石砂轮磨外圆，主要目的是，将组成球面镜片的2个球面对应的圆心连线（光轴）
与机械夹具轴（几何轴）重合，同时并确保镜片外观无刮伤，外径尺寸、倒角、深度要求（凹透镜时）均符
合规格要求；此工序和切削一样，需要
考虑金刚石砂轮粒度与玻璃磨耗度之间搭配关系选择；
镜片镀膜工程：镜片粘合工程：镜片涂墨工程：镜头组装工程：
模具超精密加工透镜注塑成型
光机材料结构设计建模制图加工装配
铝⏹最常用的光机材⏹ 质量轻，强度高，价格低，加工性好⏹ 纯铝很少被应用于结构件，一般需要用各种铝合金来实现
不同的材料特性⏹ 铝合金通过需要通过热处理来提高强度和消除应力铍⏹重量轻，高刚度，高热导性，外形稳定性特别好------ 低温、航天应用⏹ 耐腐蚀性良好⏹ 材料较脆，加工性能不好⏹ 价格昂贵⏹ 采用热等静压技术可以得到最好的均匀性-光学材料铜，铟钢，镁，碳化硅粘合剂
光机仪器中主要两类粘合剂：⏹ 光学胶：光学折射表面粘合，如透镜胶合，棱镜胶合，透镜棱镜胶合⏹ 结构胶：固定机械零件或者光学零件固定到机械零件上光学胶⏹ 失液胶⏹ 热塑胶（固化可逆）⏹ 热固胶（Norland NOA62, Summers C-59)⏹ 紫外光固胶( Norland NOA 61) 结构粘合剂光学仪器设计和生产中经常用粘合剂代替螺钉和压板等紧固件。

优点：● 粘结后的结构件重量更轻，成本低，易于装配● 紧固后的残余应力更均匀，并具备一定的柔性环氧树脂（AB胶）⏹ 聚氨酯橡胶⏹ 氰基丙烯酸盐（快干胶，502胶）
密封剂⏹ 应用于将光学元件密封于光学仪器内部，隔离空气和湿度，起到保护作用。

⏹ 密封剂固化后结合强度低，不能起到粘合作用⏹ 人造硅橡胶是典型的密封剂。

光机材料的膜层光机材料经常需要增加一层表面涂层⏹ 保护光机零件免受损伤或者在不利环境下退化⏹ 实现特殊功能：提高或降低零件表面的光谱反射或者吸收系统；特别是抑制杂散光⏹ 为金刚石车削或者抛光提供一个更合适的表面，使其能加
工到一个更好的表面粗糙度水平。

透镜安装研究内容透镜安装：将光学元件固定到机械镜座上的方法以及镜座的设计，保证
装配后组件在指定环境中具有正确的功能。

透镜安装的设计⏹ 公差要求⏹ 环境可靠性⏹ 残余应力⏹ 经济性
共轴光学⏹ 典型安装误差：透镜本身误差，光机零件误差
简单低精度安装基本特点：• 低成本• 易安装• 易维修典型应用：• 较大口径透镜安装• 照明灯具• 幻灯投影仪
透镜安装/固定方式• 滚边固定典型应用：• 小透镜安装优点：零件最少；缺点: 预载不固定；永久性固定
透镜安装方式• 滚边固定
透镜安装方式• 卡环固定特点：低成本，结构简单
球形表面安装⏹ 通过透镜元件的抛光表面（球面）安装• 借助于透镜元件的抛光表面（球面）进行透镜安装• 透镜边缘与镜座内径之间存在一定的径向间隙• 通过旋紧带有螺纹的压圈，或者通过一个连续的法兰盘，或者其他夹持方式施加轴向预载。

⏹ 主要变量：施加轴向负载的大小；玻璃球面和金属零件光机界面的形状⏹ 优点：• 容易拆卸和装配。

第二基准面（透镜的边缘、倒角和斜边）公差放宽
球形表面安装螺纹压圈：施加轴向负载和径向负载玻璃-金属界面• 确定适当的螺牙间距：负载和尺寸之间平衡• 同类材料不要以螺纹连接方式接触（与镜筒材料区分）连续法兰盘式压圈：通过法兰盘变形施加轴向负载适用场合：大口径透镜（6”）隔圈配做来确定预载荷大小多悬臂弹性卡片：施加轴向负载多悬臂弹性卡环：施加轴向负载光机界面类型尖角界面基本上有一个约0.05mm的圆角
相切界面⏹ 适合于凸面⏹ 相切的锥形界面可以实现更小的接触应力⏹ 平面加工容易
超环面界面• 接触点法线上一点为圆心的相切圆• 接触应力小，特别适用于凹面固定
球形界面• 压圈面需要研磨，加工测试困难；• 优点：• 轴向力分布范围大• 大预载力时接触应力小• 耐高冲击，热传递
透镜的弹性安装⏹ 给透镜增加一个具有回弹力的圆环约束，常用材料是人造橡胶RTV 或环氧树脂胶。

⏹ 消除温度变化时光学元件上的附加应力透镜的挠性安装⏹ 透镜固定到对称分布的挠性体上。

⏹ 高性能要求的透镜的安装⏹ 在经受使用过程中的冲击、振动、压力和温度变化时，镜位置和姿态的失准后必须能够自动恢复。

此时，透镜采用挠性安装有利。

多透镜安装光学元件通常是紧靠在镜座的靠缘或者隔圈上，为了确保得到需要光学元件间的，轴向空气间隔，需要通过精密的机械加工保证镜座或者隔圈的轴向长度。

隔圈⏹ 控制光学元件的轴向空气间隔的精密零件⏹ 矩形横截面的薄圆环⏹ 与透镜表面的面接触界面适当选择● 凸透镜：尖角或者锥形界面● 凹透镜：尖角或者超环面● 平面：精密平面
隔圈1：精确接触界面的隔圈隔圈2：薄型隔片(变形）----- 微小间隙。

隔圈3：防止压圈带动透镜转动
透镜边缘接触⏹ 曲率较大的凹凸相邻表面之间确立一个小的轴向间隔时可以采用此种方式⏹ 轴向间隔控制转化为透镜的倒边公差⏹ 结构简单；自定心
间隔棒控制透镜间隙⏹ 矩形光学元件轴向间隔控制，如柱透镜⏹ 间隔棒的半径计算
透镜组安装实例分析透镜组光机结构设计影响因素：⏹ 详细了解光学系统设计，确定安装要求最高的元件⏹ 透镜组中是否有运动部件⏹ 透镜组中是否有调焦机构⏹ 透镜组中是否需要变焦（倍）机构⏹ 透镜组的环境要求⏹ 透镜组的像差要求
透镜组光机结构设计内容• 透镜固定方式• 隔圈应用方式• 压圈应用方式• 调焦、变倍机构设计方式• 镜筒设计方式• 镜筒与外部固定方式• 密封方式无运动部件的透镜组安装中低精度透镜组安装：由镜铜、隔圈、压圈组成。

安装时将加工完的光学元件(单透镜或胶合透镜)按先后次序,一件件放入镜框中,透镜与透镜间放有隔圈,最后用压圈固紧。

应用广泛，适合批量生产。

透镜安装中心误差控制（1）压圈自定心控制：镜筒透镜安装孔的同轴度和垂直度通过一次工装装夹加工完成；压圈自定心确保透镜的光轴和镜筒的安装轴重合。

（2）光学元件外径/镜筒透镜孔内径配合公差控制
较高定心精度要求的透镜组特点：每个透镜定心安装在不锈钢镜座上，形成镜座部件，再分别安装在镜筒里，通过压圈固定。

通过精密加工不锈钢镜座的外圆精度和端面垂直度来保证透镜的偏心和倾斜精度。

高定心精度要求的透镜组特点：同样由镜组部件、镜筒和镜框组成。

与之前所述的镜框结构不同之处为，镜组部件严格保证了其内只有一个单透镜(或胶合透镜) , 且其金属框外圆上有一个锥面; 它们在安装时不再是一一叠放在同一个镜框中, 而是装在多个镜筒内, 靠镜筒内各个不同的台阶定位, 在镜筒壁对应每个镜组部件(至少是对中心误差敏感的镜组部件)的锥面处设有四颗呈圆周对称分布的顶紧用螺钉。

在装配时通过调节这些螺钉来校正每个镜组部件在镜筒中的径向位置,多透镜安装镜筒包含的主要部件：透镜元件，镜筒，镜座，隔圈，压圈，调节螺钉，光阑，密封材料⏹ 每个部件的重要尺寸确定和公差要求透镜元件：倒边方式，外径隔圈：厚度，玻璃接触界面，外径，内径镜筒、镜座：透镜安装孔内径，外径⏹ 按照透镜安装定心精度要求的高低选择镜筒的设计方式
调焦运动机构的透镜组安装通过轴向移动部分光学元件或者整体透镜组实现像面与成像接受面重合。

(1)改变像距的调焦方式保持镜头焦距不变而改变象距的调焦方式，又称整组调焦。

整组移动镜头，镜片之间的相对位臵固定不变，因此能始终保持镜头的成象质量处于最佳状态。

（2)改变焦距的调焦方式通过移动镜头中某组镜片的轴向位臵，从而稍微变动了镜头的焦距，以使物距变化时能保持像距不变。

调焦机构有多种机构可以实现焦面或调焦镜的移动：⏹ 导轨副导向，滚珠丝杠驱动调焦⏹ 螺纹调焦⏹ 凸轮驱动调焦⏹ 压电精密驱动机构⏹ 超声波马达、音圈电机、MEMS驱动机构☐ 手动、电动（闭环）
螺纹调焦机构螺纹调节实现镜筒或者光学元件的轴向移动
凸轮驱动调焦机构最常用的调焦/变焦机构；在镜头结构中, 镜组或者调焦镜片装滑架上, 滑架上固定一个导钉, 导钉沿凸轮曲线槽运动。

当手动或者电机旋转驱动凸轮转动时, 滑架的导钉便沿着导槽运动, 带动镜组或者调焦镜片按预定关系轴向移动, 从而达到调焦效果。

变焦（倍）运动机构的透镜组⏹ 变焦系统通常含有前固定组，变倍组，补偿组和后固定组组成。

⏹ 变倍组作线性移动，补偿组作相对少量非线性移动，以达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。

⏹ 变倍组和补偿组的移动量具有确定性的对应关系。

变焦(倍)光机机构连续变焦驱动方式有两种:• 圆柱凸轮驱动方式----圆柱凸轮的加工精度及装配精度要求高• 步进电机结合丝杠螺母驱动方式。

----将两个孤立的运动进行耦合，耦合精度要求高
圆柱凸轮变倍机构在镜头结构中,变倍组和补偿组两个透镜组分别装在两个滑架上,每个滑架上固定一个导钉,导钉沿凸轮曲线槽运动。

当电机旋转驱动凸轮转动时,两个滑架的导钉便沿着各自的导槽运动,带动变倍组和补偿组沿光轴方向按预定关系移动,从而镜头焦距发生改变。

塑料光学透镜组塑料光学元件，塑料镜座和固定装置的光机组件在民用消费品市场应用广泛。

特点：• 塑料光学元件可以按照适合装配的结构进行设计• 镜筒和镜座适当设计减少零部件数量（如隔圈，压圈）• 透镜紧固方式多样：粘结，螺钉紧固，热固等等
共轴光学系统光机设计还包含光学装调方案设计。

• 对分辨率、视场、孔径、畸变等技术指标要求的不断提高,相应的光学镜头的结构也越来越复杂,光学装调难度日益增加。

对光学装调设备及技术的需求也日益增加。

• 光学装调主要目标包括光学定心装配和光学元件轴向定位。

• 光学定心装配的主要内容是保证光学元件的光轴一致性。

不可控光学装配传统的中低精度光学装配大多数属于不可控定心装配, 将加工好的光学镜片和隔圈依次放入镜筒中, 最后再用压圈固定。

缺点：定心精度依赖光学元件和光机零件的加工精度，或者通过光学自定心保证
可控光学定心装配基本思想：确立一个装调基准轴，将各光学元件的光轴都调整到此基准轴上。

可控定心装配就是在中心偏测量仪的测量控制下对镜头中每一片镜片的位置进行调整(两维平移和两维旋转), 最终使镜头整体光轴重合度最高
对准望远镜定心仪• 可运动的中继镜组可以使对准望远镜在很大的范围内进行调焦,调焦范围为无穷远到望远镜后面一定远的位置。

调焦机构精度非常高,从而使其光轴晃动量非常低,在整个调焦过程中光轴晃动量小于0.5“, 几乎不会对望远镜光轴造成影响。

观察像点在分划板上的位置确定透镜表面的偏心程度。

透射式定心仪透射式定心仪以精密回转轴系作为测量基准, 让一束光通过被测镜片, 同时转动主轴, 通过定心仪(或叫定心显微镜)测量光束透过镜片后像点的运动轨迹分析偏心量。

工作原理：光源照亮分划板,分划板经过准直系统准直成像在无穷远处,无穷远处的像再经过被测透镜成像在其焦面处, 同时转动密珠轴系,通过定心显微镜观察被测透镜焦面处的像, 测量像点运动轨迹直径D (运动轨迹一般为圆形),D=2C,C 反射式定心仪以精密回转轴系作为测量基准,采用自准直仪配合前置镜的方法对镜片进行定心。

由光源发出的光照亮分划板,再由准直物镜将分划板成像在无穷远处,经过前置镜汇聚到其焦面处,这样在前置镜焦面处就产生了一个分划板的像。

调节定心仪沿轴方向位置,使分划板的像与被测表面球心重合,根据球面反射镜成像原理,经过球心的像将原路返回,在经过前置镜准直物镜到达像面处。

当转动主轴时,通过定心仪测量光束经过被测镜片表面反射后像点的运动轨迹直径D (运动轨迹一般为圆形）,D=4C, C为球心偏。

光定心装配光定心装配是建立在一个确定的高精度的基准上的。

装配基准一般选择高精度(空气主轴或者静压主轴)回转平台,一切装配工作都在回转平台上完成。

⏹ 优点:⏹ 在一切设备和加工都能达到要求的情况下装配精度最高;⏹ 高低温适应性好;⏹ 耐冲击性能好。

⏹ 缺点:⏹ 对装配设备和辅助设备要求高;⏹ 对镜筒和镜片加工要求高;⏹ 加工效率低;⏹ 只能加工回转对称的共轴光学系统;⏹如果装配失误,几乎不可拆卸;
光定心装配过程精密加工的镜筒，特别是光机接触面改为光定心装配方案每一片镜片都是直接安装在镜筒的配合面上,每个配合面之间同轴度应小于0.5um量级,即对每个配合面打表, 打表量应不大于装配回转台的跳动量。

对于镜筒的加工最好采用单点金刚石切削(SPDT),这样可以保证每个配合面间的形位公差达到要求镜筒与回转平台同轴校正将镜片放入配合面,镜片表面与配合面接触会自定心,通过调整镜片使其沿配合面滑动,通过定心仪观察镜片上表面的球心像的跳动量,直到跳动量最小
光定心加工装配方法光定心加工装配方法不是将镜片直接安装在镜筒内的, 而是先将镜片胶粘在镜座内, 等胶粘剂固化好后对光学镜片进行光学定心,然后再对镜座进行精加工,将加工好的镜座按顺序安装在镜筒内。

⏹ 优点:⏹ 加工效率高, 单台设备的加工效率可以达到光定心装配的十倍以上;⏹ 相对光定心装配对设备精度要求低;⏹ 定心精度远高于普通装配,但镜片定心精度略小于光定心装配，在5um量级左右;⏹ 耐冲击性能好,可以达到瞬间耐800g加速度;⏹ 耐温性能好;⏹ 在需要时镜座可以从镜筒中拆除。

⏹装配精度低于光定心装配。

胶粘剂固化是时间最长的一道工序,光定心加工可以将所有的镜片全部粘接好后一起固化节省了时间,生产批量越大这种优势就越明显。