光机系统设计（原书第4版）卷I 光机组件的设计和分析

第4版以两卷版形式出版，将扩充后的内容、新插图、数据表格和参考文献紧密联系在一起。
第4版的许多内容都不同于前三版：Daniel Vukobratovich先生在材料、光机系统设计、光学仪器分析、大型反射镜和结构方面具有渊博的专业知识，承担了本书该部分内容的撰写工作；Jan Nijenhuis撰写了新的一章，综述了挠性机构的运动学特性和应用；另外几位光机专家撰写了其他非常重要的几个章节；为了向读者展示如何利用本书介绍的理论、公式和分析方法，还对一些章节内容进行了扩充，介绍了总计110个设计实例。

 

《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。

作 者 简 介

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。

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终设计

1.10设计审查

1.11仪器制造

1.12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

原书第4版前言

第4版的许多内容都不同于前面三版：另一位作者Daniel Vukobratovich先生在材料、光机系统设计、光学仪器分析、大型反射镜和结构方面具有渊博的专业知识，承担了本书该部分内容的撰写工作；Jan Nijenhuis撰写了新的一章，综述了挠性机构的运动学特性和应用；另外几位光机专家撰写了其他非常重要的几个章节。为了向读者展示如何利用本书介绍的理论、公式和分析方法，还对一些章节内容进行了扩充，介绍了总计110个设计实例。第4版以两卷形式出版，将扩充后的内容、新插图、数据表格和参考文献紧密联系在一起，两卷的书名分别是《光机组件的设计和分析》和《大型反射镜和结构的设计与分析》，分别侧重不同的研究范围和技术重心。
卷Ⅰ主要介绍的是小型光学装置，阐述了光机的设计过程、相关环境影响，列表给出了材料的关键数据，以插图形式描述了单透镜和多透镜的多种安装方法、光窗及类似组件的典型设计和安装方式、多种类型棱镜的设计和安装技术、小型反射镜的设计和安装技术、挠性运动机构的设计和优点、各种光机界面的分析技术，以及如何确定玻璃材料强度及光学装置应力的方法，并介绍了温度变化对光机组件的影响。
卷Ⅱ重点介绍的是大型光学系统及其结构件的设计和安装，包括一些新的和重要的光学系统。该卷详细讨论了以下内容：影响大型反射镜性能的因素；超大单片、多片拼接以及轻型反射镜的设计和制造技术；光轴处于垂直、水平和可变方向的大型反射镜的安装技术；金属和复合材料反射镜与玻璃反射镜的异同之处；光学仪器结构设计的关键技术；新兴技术——硅和碳化硅材料，在反射镜系统中的应用和发展史，以及其他类型组件的光学应用。
第4版对保留的前三版的相关内容和材料进行了修订，保留了合适的部分，并补充了许多新的材料，使本书更有益于读者。此外，增加了许多新的插图。作者非常赞同Jacobs（1943）的思想：“有时候需要对某些细节的描述采用夸大的手法，否则不可能绘制出清晰的光学仪器功能的图样，虽然有时这些夸张会导致技术的不合理性”。将许多此类图样装配在一起的目的是为了指导而非精确表示一个原始物体，因此，本书对认为是合适的一些细节做了夸张。
本书以国际单位制（SI）和美国惯用单位（USC）两种单位制来表示如材料性质和尺寸之类的参数。利用本书后面给出的变换系数，很容易从一种单位制转换到另一种单位制。
Yoder先生真诚感谢另外5位作者对解释本书相关重要内容做出的努力，他们大大扩展了本书各个主题的内容，增加了本书的潜在应用性。文前部分给出了对本书编撰做出贡献的几位作者的照片和简介。
参 考 文 献

［1］Jacobs，DH，Fundamentals of Optical Engineering，McGrawHill book Company，Inc， New York，1943，pvi
注：MATLAB是美国MathWorks公司的注册商标，相关产品的资料，请与该公司联系。