光机系统设计（原书第4版）卷I 光机组件的设计和分析

Paul R Yoder，Jr先生，先后毕业于美国宾夕法尼亚州亨丁顿市朱尼亚塔学院（Juniata College），获物理学学士学位（1947年）；宾夕法尼亚州州立大学（Penn State University），获物理学硕士学位（1950年）。在美国陆军法兰克福军工厂从事光学设计和光机工程设计工作（1951～1961）。他曾在PerkinElmer 公司工作（1961～1986），受聘为光学和光机工程方面的专家顾问（1986～2006）；是美国光学协会（OSA）和国际光学工程学会（SPIE）会员。他参加了美国光学学会光学手册（OSA Handbook of Optics）（McGraw Hill，1995,2010）、光机工程手册（Handbook of Optomechanical Engineering）（CRC Press，1997）部分章节的编写，并与Fischer和BTadicGaleb共同撰写了《光学系统设计》（Optical System Design）（McGraw Hill，2008）一书，还出版了《光学仪器中光学零件的安装技术》（Mounting Optics in Optical Instruments）（SPIE Press，2002，2008），也是本书前三版的作者；发表了60多篇论文，获得14项美国和外国专利，在国际光学工程学会（SPIE）、美国政府部门以及美国、欧洲和亚洲的工业部门举办过75场光学和光机工程方面的短训班。

Daniel Vukobratovich先生，是美国亚利桑那州图森市雷神（Raytheon）公司的一名（多学科）高级工程师和亚利桑那大学光学工程学院的兼职教授，主要研究领域是光机设计。他发表了50多篇学术论文，参加了《红外/电光系统手册》（IR/EO Systems Handbook）第4卷光机系统（SPIE Optical Engineering Press，1993）以及《光机工程手册》（Handbook of Optomechanical Engineering）（CRC Press，1997）相关章节的编写工作;在12个国家举办过光机方面的短训班，被聘为40多家公司的顾问。2011年，他与Paul Yoder先生共同撰写了《SPIE′s Field Guide to Binoculars and Scopes》。他是国际光学工程学会（SPIE）会员和光机工作小组的创办成员；获得多项国际专利；并且，由于在金属基光学复合材料方面的贡献而获得R&D 100奖（美国科学杂志《研究与发展》（R&D）主办的创新奖，评选出过去一年全球100位具创新和技术意义上的上市产品，也被誉为“科技创新奥斯卡奖”）。他利用新型材料（金属及复合材料，泡沫芯）主导研发了一系列超轻型望远镜以及航天飞机STS95任务、火星观察者、火星全球勘测者和远紫外光谱探测仪（FUSE）的空间望远镜系统。

David Aikens先生，是美国康涅狄格州切斯特市Savvy Optics公司的董事长。该公司主要生产光学零件表面质量检测设备。他在光学工程和制造，尤其是光学设计领域工作了30多年；长期以来，参与光学制图和规范的标准化工作，担任美国光学标准化委员会（ASC/OP）秘书，还担任光学和电子光学标准化委员会的执行理事，审查美国和国际中所有与美国相关的标准化活动。如卷Ⅰ第1章所述，DavidAikens先生已经为国际标准化组织（ISO）和美国标准化组织提供了许多光学标准化活动的*新消息。

Jan Nijenhuis先生，是卷Ⅰ第10章的主要作者。1980年，他以优异成绩毕业于荷兰代尔夫特理工大学航天工程系，获得科学硕士；之后，作为机械工程师加入荷兰福克飞机的飞行控制系统设计团队，并工作了8年；然后，到荷兰国家应用科学研究院（TNO）从事应用物理方面的研究，在空间、天文学和光刻仪器的设计和研发项目方面工作了25年；目前，是荷兰Nijenhuis精密工程公司的董事长。

Kevin ASawyer先生，在光机领域有30多年的工作经验，主要从事适配器（HSA）工程方面的工作。他在航空工业界工作了28年，其中包括在美国国家航空航天局（NASA）阿姆斯研究中心工作的11年，作为专业顾问工作的9年，以及在美国洛克希德·马丁公司工作的8年。并且，他被圣何塞州立大学机械工程系聘为兼职教授28年，讲授过光机结构和真空工程相关的多门课程。Sawyer先生，在圣何塞州立大学获得了机械工程、机械设计和控制技术的学士和硕士学位，1995年在亚利桑那大学获得光机工程的博士学位。他是美国机械工程师协会（ASME）的准会员，是美国加利福尼亚州注册专业工程师。他主要负责第4版卷Ⅰ第1章有关技术项目的内容，并反复核对以确保其准确性和完整性。

David MStubbs先生，1976年获得美国佛罗里达州墨尔本市佛罗里达理工大学机械工程系学士学位，此后在一些大学学习了大量的研究生课程。其整个职业生涯都是在航空领域度过的，他先就职于美国斯佩里飞行系统公司和麦道飞机公司，然后进入洛克希德公司飞机飞弹研究实验室一直工作了34年。David先生在合并成洛克希德·马丁公司之前，领导着一个有30名工程师组成的光机工程团队。其经历包括机械设计的所有阶段：从概念研究到设计分析、硬件和测试。他发表了23篇论文，获得8项专利，目前正在设计技术上颇具挑战性的光学系统。David MStubbs先生在卷Ⅰ第1章中的贡献主要是更新了*新的有关光机系统和仪器研发投资项目的设计研发实际信息。

周海宪曾担任613研究所总工程师，有海外留学背景，业内具有一定的学术影响力；师从全国光学领域泰斗、清华大学金国判院士；曾在我社出版翻译光学技术图书多种，颇受业内好评，数种产品均有重印。

《光机系统设计（原书第4版）》分两卷、共19章。本书为卷Ⅰ，由11章和附录组成：第1章光机设计过程；第2章环境影响；第3章材料的光机性质；第4章单透镜安装技术；第5章多透镜组件安装技术；第6章光窗、整流罩和滤光片的设计和安装技术；第7章棱镜设计和应用；第8章棱镜安装技术；第9章小型反射镜的设计和安装技术；第10章挠性装置的运动学设计和应用技术；第11章光机设计界面分析。

本书提供的技术内容与实例能够对军事、航空航天和民用光学仪器应用中的设计概念、具体设计、开发、评价和使用提供有益指导。

本书可供在光电子领域中从事光学仪器设计、光学设计和光机结构设计的设计工程师、光机制造工艺工程师、光机材料工程师阅读，也可作为大专院校相关专业本科生、研究生和教师的参考用书。

目录

原书第4版译者序

原书第3版译者序

原书第4版前言

作者简介

第１章光机设计过程

1.1概述

1.2确定技术要求

1.3概念设计

1.4技术性能要求和设计约束

1.5初步设计

1.6设计分析和计算机建模

1.7误差预估和公差

1.8试验建模

1.9最终设计

1.10设计审查

1.11仪器制造

1.12最终产品评估

1.13编制设计文件

1.14系统和并行工程

参考文献

第2章环境影响

2.1概述

2.2影响产品性能的因素

2.2.1温度

2.2.2压力

2.2.3静态变形和应力

2.2.4振动

2.2.5冲击

2.2.6湿度

2.2.7腐蚀

2.2.8环境污染

2.2.9霉菌

2.2.10磨损、侵蚀和撞击

2.2.11高能辐射和微小陨石

2.2.12激光对光学元件的损伤

2.2.12.1基本原理

2.2.12.2折射表面和反射镜

2.2.12.3材料和测量

2.2.12.4薄膜

2.2.12.5损伤探测

2.3光学件的环境测试

参考文献

第３章材料的光机性质

3.1概述

3.2折射光学元件的材料

3.2.1基本要求

3.2.2光学玻璃

3.2.3光学塑料

3.2.4光学晶体

3.2.4.1碱和碱土金属卤化物

3.2.4.2玻璃及其他氧化物材料

3.2.4.3半导体

3.2.4.4硫属化物

3.2.4.5与光学材料热特性相关的系数

3.3反射光学元件的材料

3.3.1高频、中频和低频状态下的平滑度

3.3.2稳定性

3.3.3硬度

3.3.4热特性

3.4机械零件材料

3.4.1铝

3.4.1.1铝合金1100

3.4.1.2铝合金2024

3.4.1.3铝合金6061

3.4.1.4铝合金7075

3.4.1.5铝合金356

3.4.2铍

3.4.3铜

3.4.3.1铜合金C10100

3.4.3.2铜合金C17200

3.4.3.3铜合金C360

3.4.3.4铜合金C260Ｃ

3.4.3.5格立德（GlidcopTM）铜合金

3.4.4因瓦合金和超因瓦合金

3.4.5镁

3.4.6碳钢

3.4.7不锈钢

3.4.8钛合金

3.4.9碳化硅

3.4.10硅

3.4.11复合材料

3.5黏合密封剂

3.5.1光学胶

3.5.1.1失液胶

3.5.1.2热塑胶

3.5.1.3热凝胶

3.5.1.4光凝胶

3.5.2物理特性

3.5.3透射特性

3.5.4光学表面胶合

3.5.5结构件黏合剂

3.5.5.1环氧树脂

3.5.5.2聚氨酯橡胶黏合剂

3.5.5.3氰基丙烯酸盐黏合剂

3.6密封胶

3.7光机材料专用膜层

3.7.1保护膜

3.7.1.1油漆

3.7.1.2电镀和阳极镀

3.7.1.3专用镀膜

3.7.2光学发黑处理

3.7.3改进表面平滑度的镀膜

3.7.3.1镀镍

3.7.3.2镀铝

3.8光机零件加工技术

3.8.1光学零件加工

3.8.2机械零件加工

3.8.2.1机械加工法

3.8.2.2铸造法

3.8.2.3锻造和压延法

3.8.2.4复合材料加工和固化

3.8.3对加工工艺的综合评估

3.9材料硬度

参考文献

第4章单透镜安装技术

4.1概述

4.2共轴光学

4.3透镜重量和重心

4.3.1透镜重量计算

4.3.2透镜重心

4.4低精度单透镜安装技术

4.4.1弹簧固定法

4.4.2滚边（镜座）安装法

4.4.3卡环安装法

4.5曲面边缘透镜安装技术

4.6轴向预紧力计算方法

4.6.1一般考虑

4.6.2螺纹压圈安装法

4.6.3连续法兰盘安装法

4.6.4多悬臂式弹性卡环安装法

4.6.5法兰盘和弹簧卡环与透镜的接口界面

4.7面接触光机界面

4.7.1尖角界面

4.7.2相切界面

4.7.3超环面界面

4.7.4球形界面

4.7.5倒边界面

4.8透镜的弹性环安装技术

4.9定心车装配工艺（珀克法）

4.10透镜的挠性安装技术

4.11塑料透镜安装技术

参考文献

第５章多透镜组件安装技术

5.1概述

5.2多元件间隔分析

5.3定心车装配工艺

5.4不包含运动零件的物镜组件的安装实例

5.4.1定焦望远镜目镜

5.4.2红外传感器物镜

5.4.3电影放映物镜

5.4.4低畸变投影物镜

5.4.5大型天体照相物镜组件

5.5包含运动零件的物镜组件的安装实例

5.5.1显微物镜

5.5.2高冲击负载用准直物镜

5.5.3中红外物镜

5.5.4内调焦照相物镜

5.5.5调焦双目望远镜

5.5.6视度调节

5.5.7变焦物镜

5.6塑料光学组件

5.7透镜的液体胶合技术

5.8折反射系统

5.8.1实心折反射物镜

5.8.2折反式星探测仪

5.8.3折反式红外物镜

5.8.4卫星跟踪相机

5.8.5导弹跟踪照相物镜

5.9物镜组件的对准

5.9.1概述

5.9.2望远对准技术

5.9.3点源显微镜调校技术

5.9.4精密转轴调校技术

5.9.5双目望远镜准直误差校准技术

5.9.6物镜组件的性能优化

5.10高性价比的演示验证/测试系统

5.11反射式望远系统的对准技术

参考文献

第6章光窗、整流罩和滤光片的设计和安装技术

6.1概述

6.2普通光窗安装技术

6.3特殊光窗安装技术

6.4保护盖和整流罩安装技术

6.4.1球形表面

6.4.2保形表面

6.5压差效应

6.5.1光窗最小厚度

6.5.2光学性能衰退

6.6滤光片

参考文献

第7章棱镜设计和应用

7.1概述

7.2几何关系

7.2.1空气棱镜界面的折射和反射

7.2.2平板玻璃造成光束位移

7.2.3棱镜隧道图

7.2.4全内反射

7.2.5棱镜和平板玻璃的像差

7.3光束折转棱镜

7.3.1直角棱镜

7.3.2分束（或合束）立方棱镜

7.3.3菱形棱镜

7.3.4泊罗棱镜

7.3.5阿贝泊罗棱镜

7.3.6阿米西棱镜

7.3.7法兰克福（军工厂）的1类和2类棱镜

7.3.8五角棱镜

7.3.9五角屋脊棱镜

7.3.10B Ⅱ45°半五角棱镜

7.4正像棱镜

7.4.1泊罗正像系统

7.4.2阿贝泊罗正像系统

7.4.3阿贝科尼棱镜

7.4.4施密特屋脊棱镜

7.4.5列曼棱镜

7.4.6阿米西／五角和直角／五角屋脊正像系统

7.4.760°棱镜/屋脊棱镜系统

7.5消旋棱镜

7.5.1道威棱镜

7.5.2双道威棱镜

7.5.3倒像棱镜

7.5.4别汉棱镜

7.5.5δ棱镜

7.6其他棱镜类型

7.6.1内反射圆锥形棱镜

7.6.2锥形立方棱镜

7.6.3合像式测距机的接目棱镜

7.6.4双目单筒物镜的棱镜系统

7.6.5色散棱镜

7.6.6薄楔形棱镜

7.6.6.1薄楔形镜

7.6.6.2累斯莱楔形系统

7.6.6.3平动移像光楔

7.6.6.4调焦光楔系统

7.7变形棱镜系统

参考文献

第8章棱镜安装技术

8.1概述

8.2运动学、半运动学和非运动学原理

8.3棱镜的夹持式安装技术

8.3.1夹持式棱镜安装支架：运动学方式

8.3.2夹持式棱镜安装支架：半运动学方式

8.3.3夹持式棱镜安装支架：非运动学方式

8.4棱镜的黏结安装技术

8.4.1概述

8.4.2典型应用

8.4.3棱镜双侧安装技术

8.5大尺寸棱镜的挠性安装技术

参考文献

第9章小型反射镜的设计和安装技术

9.1概述

9.2基本设计原则

9.2.1反射镜的应用

9.2.2几何外形

9.2.3反射像的方向

9.2.4光学表面上的光束投影

9.2.5反射镜镀膜

9.2.6后表面反射镜形成的鬼像

9.3小反射镜的半运动学安装技术

9.4反射镜的黏结安装技术

9.4.1反射镜背面的单点和多点黏结安装技术

9.4.2环形黏结安装技术

9.5小反射镜挠性安装技术

9.6多反射镜安装技术

9.7小反射镜中心和多点安装技术

9.8重力对小反射镜的影响

参考文献

第10章挠性装置的运动学设计和应用技术

10.1概述

10.2自由度控制

10.2.1静态设计的优点

10.2.2控制一个自由度

10.2.3控制两个自由度

10.2.4控制三个自由度

10.2.5控制四个自由度

10.2.6控制五个自由度

10.2.7控制六个自由度

10.2.8内部自由度

10.2.9准静态自由度约束

10.3控制自由度的结构元件

10.3.1支柱（一个自由度）

10.3.1.1刚度特性

10.3.1.2减小翘曲

10.3.1.3提高抗拉抗弯刚度比

10.3.2板簧（三个自由度）

10.3.3受约板簧（两个自由度）

10.3.4弹性铰链（一个自由度）

10.3.5准弹性铰链（两个自由度或五个自由度）

10.3.6折叠板簧（一个自由度）

10.3.7不同形状界面上的接触应力

10.3.7.1平板上的球形接触面

10.3.7.2V型槽中的球形接触面

10.3.7.3锥体中的球形接触面

10.4光机组件的安装和自由度约束

10.4.1光机组件的安装技术

10.4.1.1光机组件形状

10.4.1.2透射或反射光学元件的安装技术

10.4.1.3温度变化产生的热应力

10.4.1.4隔热

10.4.1.5批量生产或一次性生产

10.4.2其他安装技术

10.4.2.1三板簧安装法

10.4.2.2运动学安装支架

10.4.2.3开尔文夹持形式

10.4.2.4六支柱安装方式

10.4.3其他挠性安装实例

10.5通过控制自由度调校光学元件

10.5.1调校对准

10.5.2对准稳定性

10.6刚度设计

10.6.1拼接反射镜的支撑技术

10.6.2拼接反射镜的轴向支撑技术

10.6.3横杠的横向支撑技术

10.6.4时序约束

10.6.5运动框架及其挠性

10.6.6对静态支撑结构的具体考虑

致谢

参考文献

第11章光机设计界面分析

11.1概述

11.2垂轴透镜元件的自重变形

11.2.1问题的本质

11.2.2平板重力影响的近似表达式

11.2.3透镜最大变形量对应的直径厚度比

11.2.4透镜形状的影响

11.2.5机械界面瑕疵的影响

11.2.6大型折射望远物镜的自重变形

11.3玻璃强度

11.3.1概述

11.3.2断裂力学理论

11.3.3玻璃强度的统计学分析

11.3.4通过玻璃样件测试失效性

11.3.5静态疲劳

11.3.6验证试验

11.4光机界面处的应力

11.4.1光学元件中压应力与拉伸应力的关系

11.4.2光学元件的拉伸应力公差

11.4.3应力双折射

11.4.4点接触

11.4.5短线接触

11.4.6环面接触

11.4.6.1锐角接触界面

11.4.6.2相切界面

11.4.6.3超环面界面

11.4.6.4球面界面

11.4.6.5平面倒边界面

11.5锐角界面、超环界面和相切界面接触情况下透镜安装的机械设计

11.6偏心圆环接触界面的弯曲效应

11.6.1光学零件的弯曲应力

11.6.2弯曲光学件表面弧高的变化

11.7温度变化的影响

11.7.1温度降低造成的径向影响

11.7.1.1光学元件中的径向应力

11.7.1.2镜座壁内的切向（环向）应力

11.7.2升温后的径向影响

11.7.3温度变化造成轴向预紧力的变化

11.7.3.1影响因素

11.7.3.2仅考虑体效应推导出的K3近似式

11.7.3.3考虑其他影响因素推导出的K3近似式

11.7.4K3计算实例

11.7.5镜座轴向消热差和可控柔性的优点

11.7.5.1消热差

11.7.5.2增大轴向柔性

11.7.5.3其他柔性设计实例

11.8温度变化造成光学胶合件和黏结件中的应力

参考文献

附录

附录A光学零件和光学仪器的环境试验方法总结

附录B术语汇编

附录C单位及其换算