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第1章 光机设计过程 1

1.1 概述 1

1.2 概念设计 2

1.3 技术性能要求和设计约束 5

1.4 初步设计 12

1.5 设计分析和计算机建模 15

1.6 误差预估和公差 21

1.7 试验建模 27

1.8 最终设计 30

1.9 设计审查 31

1.10 仪器的制造 32

1.11 最终产品的评估 33

1.12 编制设计文件 34

参考文献 34

第2章 环境影响 37

2.1 概述 37

2.2 影响产品性能的因素 38

2.2.1 温度 39

2.2.2 压力 43

2.2.3 静态变形和应力 45

2.2.4 振动 46

2.2.5 冲击 52

2.2.6 湿度 53

2.2.7 腐蚀 54

2.2.8 环境污染 55

2.2.9 霉菌 58

2.2.10 磨损和侵蚀 59

2.2.11 高能辐射和微小陨石 62

2.2.12 激光对光学元件的损伤 65

2.2.12.1 基本机理 66

2.2.12.2 表面和反射镜 66

2.2.12.3 材料和测量 67

2.2.12.4 薄膜 67

2.3 光学件的环境测试 69

参考文献 70

第3章 材料的光机特性 75

3.1 概述 75

3.2 折射光学材料 75

3.2.1 基本要求 75

3.2.2 光学玻璃 77

3.2.3 光学塑料 91

3.2.4 光学晶体 94

3.2.4.1 碱和碱土金属卤化物 95

3.2.4.2 玻璃及其它氧化物 97

3.2.4.3 半导体 99

3.2.4.4 硫属化物 100

3.2.4.5 光学材料热特性有关的系数 101

3.3 反射光学元件的材料 103

3.3.1 平滑度 106

3.3.2 稳定性 107

3.3.3 硬度 107

3.4 机械零件材料 110

3.4.1 铝 112

3.4.1.1 铝合金1100 113

3.4.1.2 铝合金2024 113

3.4.1.3 铝合金6061 113

3.4.1.4 铝合金7075 113

3.4.1.5 铝合金356 113

3.4.2 铍 113

3.4.3 铜 114

3.4.3.1 铜合金C10100 114

3.4.3.2 铜合金C17200 114

3.4.3.3 铜合金C360 114

3.4.3.4 铜合金C260 114

3.4.3.5 格立德（GlidcopTM）铜合金 114

3.4.4 铟钢和超铟钢 115

3.4.5 镁 115

3.4.6 碳钢 116

3.4.7 不锈钢 116

3.4.8 钛钢 116

3.4.9 碳化硅 117

3.4.10 复合材料 117

3.5 粘合剂 120

3.5.1 光学胶 120

3.5.1.1 失液胶 121

3.5.1.2 热塑胶 121

3.5.1.3 热凝胶 121

3.5.1.4 光凝胶 121

3.5.2 物理特性 122

3.5.3 透过特性 123

3.5.4 光学表面的胶合 124

3.5.5 结构粘合剂 125

3.5.5.1 环氧树脂 126

3.5.5.2 聚氨酯橡胶粘合剂 126

3.5.5.3 氰基丙烯酸盐粘合剂 126

3.6 密封剂 129

3.7 光机材料的专用膜层 131

3.7.1 保护膜 131

3.7.1.1 油漆 131

3.7.1.2 电镀和阳极镀 131

3.7.1.3 专利镀膜 132

3.7.2 光学发黑处理 132

3.7.3 改进表面平滑度的镀膜 133

3.7.3.1 镀镍 133

3.7.3.2 镀铝 134

3.8 光机零件的加工技术 134

3.8.1 光学零件的加工 134

3.8.2 机械零件的加工 136

3.8.2.1 机械加工方法 137

3.8.2.2 铸造方法 137

3.8.2.3 锻造和压延法 138

3.8.2.4 复合材料的加工和固化 138

3.8.3 对加工过程的综合评估 139

参考文献 140

第4章 单透镜的安装 145

4.1 概述 145

4.2 共轴光学 145

4.3 制造公差对成本的影响 154

4.4 透镜的重量和重心 161

4.4.1 透镜的重量估算 161

4.4.2 透镜的重心 165

4.5 单个低精度透镜的安装 166

4.5.1 弹簧固定 166

4.5.2 滚边镜座安装 167

4.5.3 卡环安装 169

4.6 曲面边缘的透镜安装 170

4.7 球形表面的安装界面 171

4.7.1 基本要求 171

4.7.2 螺纹压圈的安装方法 175

4.7.3 连续法兰盘的安装方法 179

4.7.4 多悬臂弹性卡环安装方法 181

4.7.5 光机界面的类型 185

4.7.5.1 尖角界面 185

4.7.5.2 相切界面 185

4.7.5.3 超环面界面 185

4.7.5.4 球形界面 187

4.7.5.5 倾斜界面 187

4.8 透镜的弹性安装 189

4.9 透镜的挠性安装 191

4.10 单透镜的对准 196

4.11 塑料透镜的安装 207

参考文献 211

第5章 多透镜的安装 213

5.1 概述 213

5.2 多元件间隔的分析 213

5.3 透镜组件中不含有运动零件的安装实例 220

5.3.1 军用望远镜目镜 220

5.3.2 军用望远镜物镜 221

5.3.3 定焦转像物镜 221

5.3.4 航空摄影物镜 223

5.3.5 低畸变投影物镜 224

5.3.6 电影放映物镜 224

5.3.7 为高冲击负载设计的准直系统 225

5.3.8 大型天体照相物镜 227

5.3.9 红外传感器物镜 229

5.4 包含有运动零件的物镜组件 229

5.4.1 中红外物镜 229

5.4.2 内调焦照相物镜 231

5.4.3 双目望远镜调焦机构 232

5.4.4 变焦物镜 235

5.5 车床装配技术 243

5.6 显微物镜 248

5.7 塑料零件的装配 251

5.8 透镜的液力胶合 253

5.9 折反射组件 255

5.10 多透镜组件的对准 265

5.11 反射式望远系统的对准 279

参考文献 279

第6章 光窗和滤光片的安装 281

6.1 概述 281

6.2 普通光窗的安装 282

6.3 特殊光窗的安装 284

6.4 保护罩和整流罩的安装 289

6.5 保角光窗的安装 294

6.6 滤光片的安装 299

6.7 承受一定压力差的光窗安装 302

6.7.1 光窗的强度 302

6.7.2 光学性能的下降 306

参考文献 307

第7章 棱镜的设计和安装 309

7.1 概述 309

7.2 几何关系 309

7.2.1 棱镜表面的折射和反射 309

7.2.2 棱镜和平板产生的像差 310

7.2.3 棱镜和平板造成光束的位移 310

7.2.4 光线的隧道传播图 311

7.2.5 全内反射 313

7.3 典型棱镜的设计 315

7.3.1 直角棱镜 315

7.3.2 分束（或合束）立方棱镜 317

7.3.3 阿米西棱镜 317

7.3.4 泊罗棱镜 318

7.3.5 阿贝型泊罗棱镜 320

7.3.6 泊罗正像系统 320

7.3.7 阿贝正像系统 320

7.3.8 菱形棱镜 321

7.3.9 道威棱镜 322

7.3.10 双道威棱镜 323

7.3.11 五角棱镜 324

7.3.12 五角屋脊棱镜 324

7.3.13 阿米西／五角和直角／五角屋脊正像系统 326

7.3.14 FA-0°复合棱镜、阿贝A型和B型棱镜 327

7.3.15 δ棱镜 330

7.3.16 别汉棱镜 331

7.3.17 施密特棱镜 331

7.3.18 B Ⅱ-45°半五角棱镜 334

7.3.19 法兰克福（军工厂）的1＃和2＃棱镜 334

7.3.20 列曼棱镜 334

7.3.21 内反射圆锥形棱镜 334

7.3.22 立方锥形棱镜 337

7.3.23 合像式测距机的接目棱镜 338

7.3.24 一种双目单筒镜的棱镜系统 340

7.3.25 色散棱镜 340

7.3.26 薄楔形棱镜系统 342

7.3.26.1 薄楔形镜 342

7.3.26.2 累斯莱楔形系统 342

7.3.26.3 纵向平动光楔 344

7.3.26.4 调焦光楔系统 344

7.3.27 变形棱镜系统 346

7.4 棱镜安装的运动学和半运动学原理 347

7.5 使用机械压紧方式安装棱镜 349

7.5.1 棱镜安装：半运动学方法 349

7.5.2 棱镜安装：非运动学方法 357

7.6 使用粘结技术安装棱镜 360

7.7 棱镜的挠性安装 369

参考文献 372

第8章 小型非金属反射镜、光栅和胶片的设计和安装 374

8.1 概述 374

8.2 基本的设计原则 375

8.2.1 反射镜的应用 375

8.2.2 几何外形 375

8.2.3 反射后图像的方向 375

8.2.4 光学表面上的光束投射 378

8.2.5 反射镜镀膜 381

8.2.6 后表面反射镜形成的鬼像 385

8.3 小反射镜的半运动学安装 388

8.4 使用粘结技术安装反射镜 396

8.5 反射镜的挠性安装 400

8.6 多反射镜的安装 404

8.7 光栅的安装 411

8.8 胶片反射镜的设计和安装 415

参考文献 417

第9章 轻质非金属反射镜的设计 418

9.1 概述 418

9.2 材料的选择 419

9.3 蜂窝芯材结构 420

9.4 铸有加强肋的反射镜 422

9.5 槽孔支柱连接和熔凝连接的单块反射镜 425

9.6 玻璃焊成的反射镜 432

9.7 低温焊接反射镜 435

9.8 机械加工出蜂窝芯的反射镜 435

9.9 背面具有特定轮廓曲线的实心反射镜 439

9.10 薄面板反射镜的结构布局 442

9.11 轻质反射镜的比例关系 443

参考文献 447

第10章 光轴水平放置的大孔径反射镜的安装 449

10.1 概述 449

10.2 重力的影响 449

10.3 V形安装 450

10.4 多点边缘支撑 458

10.5 理想的径向安装 459

10.6 水银管径向安装技术 460

10.7 带式和滚轮链式安装技术 461

10.8 推拉镜座 466

10.9 动态逐步近似法和有限元分析技术的比较 468

参考文献 470

第11章 光轴垂直放置的大孔径反射镜的安装 471

11.1 概述 471

11.2 环形支撑 471

11.3 气袋（气囊）支撑 474

11.4 多点支撑 478

11.4.1 三点支撑 478

11.4.2 Hindle支撑 480

11.4.3 平衡安装技术 483

11.4.4 气压／液压镜座 484

11.5 计量安装技术 485

11.5.1 36点气压计量镜座 486

11.5.2 27点液压计量镜座 489

11.5.3 52点弹簧矩阵式计量镜座 490

11.5.4 抛光时的横向约束 492

参考文献 493

第12章 大孔径、变方位反射镜的安装技术 495

12.1 概述 495

12.2 机械浮动安装技术 496

12.3 液压／气动镜座 505

12.3.1 历史背景 505

12.3.2 双子望远镜 507

12.3.3 新型多反射镜式望远镜 512

12.4 反射镜的同心安装技术 518

12.5 双拱反射镜的安装技术 521

12.6 反射镜的双脚架安装技术 524

12.7 薄面板反射镜的安装 531

12.7.1 一般要求 531

12.7.2 Keck望远镜 535

12.7.3 自适应反射镜系统 540

12.7.3.1 先进的电光望远镜系统 540

12.7.3.2 多反射镜式望远镜的自适应次镜 542

12.8 大孔径空间反射镜的安装 543

12.8.1 哈勃空间望远镜 543

12.8.2 Chandra X射线望远镜 546

参考文献 548

第13章 金属反射镜的设计和安装 552

13.1 概述 552

13.2 金属反射镜的一般要求 553

13.3 铝反射镜 555

13.3.1 铸铝反射镜 558

13.3.2 机加成形的铝反射镜 558

13.3.3 焊接成形的铝反射镜 560

13.4 铍反射镜 563

13.5 其它材料的金属反射镜 571

13.5.1 铜反射镜 571

13.5.2 钼反射镜 572

13.5.3 碳化硅反射镜 573

13.6 具有泡沫塑料芯和金属蜂窝芯的反射镜 576

13.7 金属反射镜的镀膜 588

13.8 金属反射镜的单刃金刚石切削加工 590

13.9 金属反射镜的传统安装技术 601

13.10 金属反射镜的集成式安装技术 602

13.11 大孔径金属反射镜的挠性安装技术 607

13.12 多个SPDT零件的连接、装配和对准 611

参考文献 616

第14章 光学仪器的结构设计 622

14.1 概述 622

14.2 刚性框架设计方案 622

14.2.1 军用双目望远镜 622

14.2.2 民用双筒望远镜 625

14.2.3 坦克潜望镜 627

14.2.4 空间分光辐射计照相机 629

14.2.5 大孔径航空照相物镜 631

14.2.6 一种热稳定光学结构 635

14.3 模块化设计的原理和实例 637

14.3.1 注模成形的塑料模块 638

14.3.2 一种模块化的军用双目望远镜 639

14.3.3 应用于空间探索领域中的模块化光度计 644

14.3.4 双准直仪模块 647

14.4 适应高冲击负荷的结构设计 648

14.5 消热结构设计 650

14.5.1 同一种金属材料制成的仪器 651

14.5.1.1 红外天文卫星望远镜 651

14.5.1.2 斯比泽空间望远镜 651

14.5.1.3 应用SPDT技术加工光学及元件间界面的望远镜 656

14.5.2 主动控制焦距 656

14.5.3 使用计量结构进行消热化的仪器 658

14.5.3.1 在轨运行的天文观测站 658

14.5.3.2 同步环境实用卫星 660

14.5.3.3 深空成像多目标光谱仪 663

14.5.3.4 多角度成像分光辐射谱仪的消热设计 664

14.5.3.5 哈勃空间望远镜桁架结构的消热设计 665

14.5.3.6 银河探测器的消热设计 670

14.5.4 折射光学系统的消热技术 673

14.6 望远镜镜筒结构的几何形状 676

14.6.1 Serrurier桁架 676

14.6.2 新型多反射镜式望远镜 679

14.6.3 N层桁架 680

14.6.4 钱德拉望远镜 682

14.6.5 具有微小重力变形和风载变形的桁架结构 684

14.6.6 静定的空间框架 685

参考文献 689

第15章 光机系统设计分析 692

15.1 概述 692

15.2 光学件的失效预测 692

15.2.1 一般考虑 692

15.2.2 元件强度的测试 694

15.2.3 威布尔失效预测法 699

15.2.4 安全系数 701

15.2.5 无故障时间预测 702

15.2.6 应力容许极限的概测法 705

15.3 光机界面处应力的形成 707

15.3.1 点接触 707

15.3.2 短线接触 709

15.3.3 环面接触 715

15.3.3.1 尖角界面 716

15.3.3.2 切向界面 717

15.3.3.3 超环面界面 718

15.3.3.4 球形界面 719

15.3.3.5 斜平面界面 719

15.4 圆环接触类界面的参数比较 720

15.5 偏心圆环接触界面的弯曲效应 723

15.5.1 光学零件中的弯曲应力 724

15.5.2 一个压弯光学件表面弧形的变化 724

15.6 温度变化的影响 725

15.6.1 降温后的径向影响 725

15.6.1.1 光学件中的径向应力 726

15.6.1.2 镜座壁内的切向应力 727

15.6.2 升温后的径向影响 727

15.6.3 温度造成轴向预载的变化 728

15.6.3.1 一般考虑 728

15.6.3.2 仅考虑整体影响因素的K3近似式 731

15.6.3.3 考虑其它影响因素的K3近似式 735

15.6.3.4 举例说明K3的评估 737

15.6.4 各种温度下透镜内接触张应力的评估 739

15.6.5 在透镜或反射镜安装中提供可控轴向一致性的优点 740

15.7 温度梯度的影响 750

15.7.1 径向温度梯度 754

15.7.2 轴向温度梯度 755

15.8 温度变化造成胶合光学件和粘结光学件中的应力 756

15.9 温度变化对使用合成橡胶材料弹性安装透镜的一些影响 759

参考文献 762

附录 764

附录A 单位及其转换 764

附录B 测试不利环境条件下光学零件和光学仪器的方法总结 765

附录C 材料的硬度 770

参考文献 772

附录D 术语汇编 772