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1、光学零件图例113Ls311均対性Z32ir3 A.从AS1 aNk30*3Ca1-0Oh 02Vil土也05r74, a78.麻-74. 452, 23ehG1安装位置，角度成像光学系统王要设计内容 光字兀件的面型参数：材料，曲率，口径，非球面糸数 光字兀件的位置参数 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:是光学设计最常用的光学
2、材料；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：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。辅助表面：用于连接、 支撑和固定的，又称装夹或安装表面。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：反映出零件的几何形状、结构参数和公差；反映出对光学材料的质 量要求；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AN表示。N表示整个表面的面形偏差
3、；AN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
4、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；
5、 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
6、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
7、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
8、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
9、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，热传递透镜的弓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
10、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
11、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
12、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
13、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，夕卜径隔圈：厚度，玻璃接触界面，夕卜径，内径镜筒、镜座：透镜安装孔内径，夕卜径按照透镜安 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
14、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驱动机构口 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
15、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
