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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1100113

3.4.1.2 铝合金2024113

3.4.1.3 铝合金6061113

3.4.1.4 铝合金7075113

3.4.1.5 铝合金356113

3.4.2 铍113

3.4.3 铜114

3.4.3.1 铜合金C10100114

3.4.3.2 铜合金C17200114

3.4.3.3 铜合金C360114

3.4.3.4 铜合金C260114

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