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