共轴光学系统镜框结构设计

　　1　引　言

　　光学系统通常是由若干个光学元件(如透镜、棱镜、反射镜等)组成,而每个光学元件都是由表面为球面、平面或非球面组成的具有一定折射率的介质构成。如果组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心在一条直线上,则该光学系统即为共轴光学系统,该直线即为此光学系统的光轴[1]。由于光学系统中大部分为共轴光学系统,非共轴光学系统较少使用,因此现讨论的是服务于共轴光学系统的镜框结构设计。如无特殊说明,文中提到的光学系统即为共轴光学系统。

　　众所周知,光学系统的光学设计基础是建立在光轴上的,对整个光学系统像差的校正也是基于此轴的,因此希望理想状态时,光学系统中起作用的光学元件表面(多数是球面)曲率中心都位于光轴上。一旦某个或某些光学元件的表面曲率中心偏离此轴,即存在中心误差,就会从根本上破坏了光学设计的基础,打破了光学系统的旋转对称性,进而破坏了像差的校正状态,引起成像质量的恶化。然而在实际生产中要求全部光学元件的表面曲率中心严格位于光轴上是不现实的,因此光学设计人员会在整个光学系统成像质量允许的前提下,为每个光学元件和整个光学系统设定中心误差的公差,此后的镜框结构设计及加工制造只要严格保证此公差值,就可得到满意的效果。

　　由于人们对中心误差的控制主要放在加工制造过程中,忽略了镜框结构设计的缺陷,使后期制造定心变得异常困难,因此现仅从有利于中心误差控制的角度对镜框结构设计进行讨论。

　　2　镜框结构设计的前期准备

　　为了使设计有的放矢,在开始镜框设计前应该进行如下的前期准备工作。

　　(1)向光学设计人员深刻了解整个光学系统的特点,要达到的目的,最终成像质量要求,以便明确整个光学系统的定心精度要求,知晓光学系统中那些起作用的表面对中心误差敏感,对最终成像质量影响巨大。

　　(2)了解生产情况,包括生产批量的大小、生产成本等。

　　(3)因实际加工中控制中心误差的关键是保证定心基准轴的准确传递[2],故保证传递准确的规则有两点:一是设法将前道工序的定心基准轴通过某一个具体体现者向下道工序准确传递,作为下道工序定心操作的基准轴;二是尽可能减少选用不同定心基准轴的次数,最好只使用一个定心基准轴,一次完成整个系统所需要的定心操作。基于此,需分析要拟定的镜框结构形式是否有利于贯彻上述规则。此时,再拟定全面的镜框结构和给定镜框部件的公差时就有了依据,这样就可成功地设计出有利于中心误差控制,且工艺性良好,制造无特殊难度的镜框。