卧式光学计中文文献.doc

用卧式光学计内侧装置测内螺纹环规中径 简介MC008-JD2A投影卧式光学计 特点1、 采用腊屏新技术，附加读数放大镜、视场亮度匀称，象面清晰。2、 仪器精度高，测量数据稳定可靠。3、 一机两用，将投影光学计铳管取下装在机床上，可直接控制加工尺寸。4、 采用光学投影读数方法。 用途投影卧式光学计是精密光学机械长度的计量仪器。它是利用标准量块与被测件相比较的方法来测量被测件外形微差尺寸，同时利用仪器所带的内测装置进行内尺寸的比较测量，是工厂计量室、检定站、制造工具、量具或加工精密零件的车间所常用的光学计量仪器。 参数仪器的测量范围（mm）：外尺寸： 0500，内尺寸：13.5300 使用大测钩: 26.5200 ， 使用小测 钩： 13.526.5 规格投影卧式光学计的主要规格：投影光学计的总放大倍数 1650倍。投影物镜的放大倍数 18.75倍。读数放大镜倍数 1.1倍。光学机械放大倍数 80 倍。分划板分划值 0.001mm 测量压力（N） 20.2 ；零位调节范围 0.01mm ；投影卧式光学计管外径配合尺寸 28h6 测量轴柱与测帽内径配合的外径尺寸 6g6 ；外尺寸测量时仪器准确度：0.25m ；外尺寸测量时的示值稳定性：0.1m；内尺寸测量时的示值稳定性：0.5m；测帽内径配合尺寸： 6D 尾座与投影卧式光学计管配合的孔径 28D；工作台活动范围：工作台垂直行程（mm） 100 工作台横向移动范围（mm） 25 工作台测微鼓分度值： 0.01mm 工作台荷重(KG) 10 尾管微动各程范围： 1.5mm 仪器外形尺寸（mm） 1000370620仪器重量（KG）80我们改制卧式光学计内孔测量装置，使之用于内螺纹中径的测量，经过初步的测试和鉴定，这种测试方法，测得的结果比较稳定，和万能测长仪测得的结果比较接近(见附表)。下面就这个内测量装置的改装及测试的计算方法说明如下。为什么要进行透镜设计？透镜设计曾经是一项只被少数的专业人员所继承的技术。他们主要利用公司专利的光学设计和在大型昂贵的主计算机上运行的分析软件。今天，有了快速有效的商业设计软件和功能强大的个人电脑，透镜设计工具可以进入普通的光学工程领域。因此，一些透镜设计方面的基本技术被预计会有一个更宽广的应用范围，目前一些雇主正在他们的产品上使用光学器件。所以，透镜设计是一个完善的光学教育的重要组成，也是企业雇用光学工程师的技术评价。这是研一水平的透镜设计的入门课程。它是一门很难的，以实际动手为方向的课程。几何光学的应用知识（例如Hecht 和Zajac 编写的Optical和Jenkins 和White 编写的Fundamentals of Optical里所介绍的）假定你已经掌握了。照相透镜将构成课程的基本脉络。我们将紧跟历史的发展（从很简单到非常复杂的系统，它也是有一致性的）。规定使用的软件是ZEMAX，学生必须在电脑上运行ZEMAX。所需要的数学水平并不深，代数，三角学，几何（平面几何和解析几何），以及一些微积分知识。参考书籍的列表在附录A。这个课程会提供给你三个基本技巧：入门指南，设计规则，基本定律。入门技巧包括第一和第三级的手工计算和薄透镜的预先设计。（分析技巧在图1.1 中有所说明）。规则技巧包括命令输入，变量选择，评价函数的建立和优化，以及设计分析。设计的基本定律包括理解具体规则，选择起始点，发展着手操作的计划。基本结构设定考虑一下中的两个光学系统。看上去两个系统都有相同的物距，相同的焦距（所以像的大小也相同）。系统a 很简单，而系统b 复杂。如果两个系统产生相同的像大小，为什么不使用更简单的系统呢？为什么系统b 有额外的透镜？除了像的尺寸，我们假定你想要在平面记录格式下的，好的，均匀的，亮度一致的像，它要充满整个视场。系统b 可以给与你这一切，但是系统a 则不行。系统 b 里面的额外透镜是由不同种类的玻璃制成来校正色差的。玻璃的曲率和厚度，以及它们之间的空气间距帮助校正视场上像差。其结果就是在平面记录表面（它有可能是底片或者CCD）上呈现高质量的图像。透镜的大小和视场基本上来说，使得成像质量退化的有像差的点像，是由非线性的斯涅尔法则所引起的。当标准光学表面上的入射光的角度开始增大时，像差就产生了。对于给定的曲率，它可以在两种方式下产生。对于与光轴平行的光线，就如图1.5 a 和b 所示，入射角度的增加也就使光线高度的增加（从图1.5 a 的3.5到图1.5 b 中的17）。如果光线来自不同视场角，但是到达相同高度，那么入射角会有所增加（如图1.5 所显示的，上部光线从a 的3.5到c的23）。当两种情况同时发生时，入射角甚至会变得更大（从图1.5 a 的3.5到图1.5 d中的37）。对于c 和d 的下部光线，入射角是有所减小的。下部和上部光线之间的不对称就会表示为离轴像差。当一个系统的 F 数减少，视场角（还有光谱带宽）增加时，（需要保持好的成像质量的）光学系统的复杂性也会增加。图1.6 显示的是作为（x 轴）F 数和（x 轴）视场角函数的光学系统类型的性质图。对于f/10，1/4视场的条件，一个简单的抛物面镜就足够了。然而，对于f/2，视场为20的情况，就要使用六片双高斯反射镜。在任何设计开始之前，设计者必须对用户的需求有一个很清晰的了解。这不是像看起来那么简单。当客户还不确定他的需要时，不要急于动手。否则，这会导致在设计工作已经开始之后，我们所不期望的技术指标的改变。在这种情况下，设计者应该在帮助客户具体化他的需要时扮演一个积极的角色。另外一个极端就是过度的技术指标。这样，客户会给与设计以不切实际的制约。例如，公差超过了当前的加工和测量能力。因此设计者必须与客户相结合最后得出实际的技术要求。视场分布依赖于光学系统的底版大小和有效焦距（EFL）。举个例子，底版大小可以由使用的35mm 的底片或者86mm 的CCD 芯片来确定。客户可以说出要多大的的外部物方空间或者安装到给定底版上的镜头大小。这可以定义一个确定的视场和视场角，随后会得出有效焦距。图1.7 显示了，对于一个给定的镜头或者角面积，两个不同的有效焦距所需要的底版尺寸。半视场角由底版角得出。所使用的镜头在一定的辐射度范围内才会有效。这会帮助你定义目标F 数范围。例如，有云天气下的F 数要小于阳光充足下的所使用的F 数。图1.8 表现了单透镜的有效直径和F数之间的关系。另外一个重要的技术指标就是分辨率。对于一个给定的镜头，我们希望看清多少细节呢？分辨率通常给出的定义就是每毫米的线对数。举个例子，100lp/mm 比起50lp/mm 来说，是一个更大的设计挑战。空中分辨率（例如，空气中的目标成像的细节总数）和系统分辨率（它受制于传感器的局限性）之间也有一定区别。例如。黑白的Tri-X 底片的分辨率要比Pan-X 的分辨率差，因为前者的银卤化物颗粒尺寸要更大。分辨率规定为整个底版的平均值，或者某些场点上给定的具体目标。当视场角增加，F数减小，分辨率需要增加时，这个设计任务变得更难了。探测器只对一定的颜色范围敏感，因此下一个重要的技术指标涉及到光谱的宽度和位置。单色设计或者颜色不是很主要的设计通常比多色设计简单。当多色设计带宽增加时，设计任务机就会变得有一定难度。如果带宽的位置位于可见光谱之外设计工作就会变得更难。这种情况下只有少数的几种可选材料能用来作为色差校正。上面所提到的是最为重要的几个技术指标。然而，在设计中还有一些其它的制约因素。他们是体积，外包装，和/或重量的约束。有一些制约因素是在光学系统运行时的环境热量所施加的。大气和海洋的压力也可能成为制约因素。还有操作环境的湿度（或含盐度）施加于玻璃的选择上的约束。最后，还有加工，调准，监测和成本的约束。用球面设计折射系统比非球面的更可取。因为后者难于加工和检测，因此成本更高。你不能设计一个公差小到不可能制造的系统。另外，小的公差会增加加工，装配，和测量的成本。如果可能的话，你应该避免系统难于调准；例如，离轴系统要比同轴系统更难调准。他们也更难检测。你将发现你不得不在客户想要的和他能提供的之间找到一个折中。光阑与光瞳光学设计中一个重要的概念是光阑及与光阑相关的光瞳。在拍照的时候，大多情况下都会用到光阑。高质量的手机都有内置的可调节的光阑，以便可以控制暴光量,它不尽可以控制到达像面的光通量，设计者还可以通过光阑的位置和大小来控制像差。当你设计一个摄影镜头时，你会体会到光阑决定了光学系统中的两条重要光线，主光线和边缘光线。当你做近轴光线追迹的时候，这些是你要考虑的光线，主光线和边缘光线。这些光线在透镜上产生的高度和角度用来计算像差。光阑是光学系统的物理孔径，对通过光学系统的光束起限制作用的光学元件。光阑可以通过光具组内光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障确定的。光阑中心通常位于主光轴上，且光阑面与主光轴垂直。光阑分两种：孔径光阑，视场光阑。孔径光阑的像分两种入瞳和出瞳。主光线，边缘光线对轴上点物体，通过光阑边缘的光线（入瞳和出瞳）称之为边缘光线。现在我们来看决定最大视场角的这些点，从这些点发出的光线直接透过光阑的中心被称之为主光线。用PRTE 方式得出内置光阑系统的入瞳和出瞳。如图所示，我们用内置光阑的三片式透镜组，我们来追迹系统的边缘和主光线。但是要做到这一点，我们需要瞄准通过入瞳边缘的边缘光线和通过中心的主光线。我们怎么找到这些目标点？首先我们找到光阑对左边系统的成像。如图5.12 所示我们用三片式透镜组的近轴示意。我们来选择光阑上的两个点，一个中心点，一个边缘的点。由每个点的光线方向从右到左，这个方向不重要。（也可以如图5.12 所示把透镜组转过来，光线从左到右追迹会更容易些）。由中心点出发的光线经过整个系统，在最后一面上会产生一个高度和角度，该光线延长后与光轴的交点就是像面的位置，这样我们也就确定了轴上入瞳的位置。入瞳的大小如何来确定？通过光学系统，追迹光阑的边缘光线，它与像面的交点有个高度这个高度就决定了入瞳的大小。这样确定了系统入瞳的大小和位置，然后再将系统旋转过来。 玻璃多么不可思议的材料。没有玻璃（在一些情况下是光学塑料）现代的照相机、便携摄像机、双筒望远镜、天文望远镜乃至CD 机都不能工作。在这一章，我们将回顾那些对镜头设计者来说重要的玻璃特性。然后我们将继续讨论光阑以及它在轴上位置是怎样被用来控制离轴像差的。先使用Zemax的经典的后风景物镜设计示例中，在此之后你将试着亲自设计毋庸质疑，折射率是玻璃材料最重要的一个特性。没有它，光线不会偏折，透镜也不能实现，从而不能成像。折射率是光线在真空中传播速度和在玻璃材料中传播速度的比率。在两个不同折射率媒质的分界面光线发生折射,Snell 定律描述：当这个定律和球形表面接合时，透镜诞生了伴随着奇妙的像。 现在有个坏消息。当一束准直的白光入射到一片玻璃透镜时，呈现出不同颜色的光束，它们会聚在沿着光轴上的不同点。焦距是由波长决定的，颜色沿着光轴展开被称作轴向色差。这将导致差像质和清晰度下降。发生这种现象的原因是玻璃的折射率不是定值而是一个和波长有关的函数。这种现象叫色散。特点是折射率在蓝光下高些，红光下低些。这意味着在折射界面蓝色光束比红色光束弯折的更厉害（如图6.1 所示）。牛顿认为对于折射光学色散是不可克服的问题，这也是致使他采用反射镜牛顿天文望远镜完成成像的主要原因。我们怎样量化玻璃色散的特性？在回答这个问题前,我们必须让你了解一些有关标准波长选取的传统协定。在过去为了精确测量折射率，你需要多种颜色可见光波段的明亮光源。那时并没有激光支持。你只能通过燃烧元素的途径得到，像将钠放入本生灯，然后使它发出的光通过棱镜分光计。你挑选一条明亮的线状光谱，使它射入折射计得到这种颜色下的折射率。谨记在白天眼睛的响应峰值是555nm（绿）。在夜晚，适应暗光的峰值下降到513nm。一种色散度量方法是取比率：。分子是可见光谱两个端点的折射率之差。分母是中间光谱折射率与真空折射率（所有波长真空折射率都是1）之差。比率得到比1 小很多的值。当分母增加时（更大差值）D 也增加。如果材料没有色散（平直的光谱响应）,D 值为0。在历史上，这并不是色散的定义。我们的前辈采用6.3 式的倒数来表示色散。这种表示方法称作阿贝数d :Zemax，包括现代的大部分设计软件，玻璃的折射率和色散信息都储存在软件中。这些信息可能是一个查找表格的形式，或者在Zemax，信息获取通过一个多项式，多项式的系数与玻璃类型有关。无论哪种形式，玻璃的信息很大程度上取决于工厂提供的数据，相似的数据来自哪个产生的玻璃图和数据表。作为一个设计者必须认识到玻璃图和数据表得到的信息只是一个近似值。在精确设计时使用的实际玻璃与玻璃图和数据表中找到玻璃相比较，折射率会有微小的差别。这些差别会在精确到小数点后面第三位看出。如果你的设计对折射率变化很敏感，或者应用是非常临界的，你需要调整设计把实际玻璃的折射率代入计算。这些信息称作“melt date”,能在玻璃生产厂取得。这可能导致在修正设计中所有的镜片曲率会有微小的变化。因此，你需要在光学冷加工工厂按照旧的设计磨抛前调整好。实际应用的考虑 你确认你得到了一个好的设计。下面问你自己一些实际应用的问题。首先，设计的玻璃有没有难加工的？例如：有没有难以磨抛的材料？第二，你设计的镜头将被用在潮湿的环境中吗？如果在这种环境下使用，有没有吸水的玻璃在你的设计中？第三，玻璃有没有做防止发霉的处理？第四，你设计的镜头受不受极端温度的影响？如果受，对于热环境你的设计有多敏感？机械构件支持不支持由温度升高而引起的透镜膨胀而不使元件破裂。这有许多实际应用的问题，作为一个认真的设计者你必须掌握渊博的知识。光阑移动和像差控制 要改变透镜曲率降低球差。而沿着光轴移动光阑对球差并没有任何影响（假定透镜的曲率半径不变）；然而，这对像散和彗差有影响。在下一章我们将进一步讨论离轴像差。现在，我们将依靠Zemax 来看，当光阑移动时会发生什么。回到3.7.1 段的SING1o1b。我们首先恢复正确的焦距（因为4mm 玻璃厚度所引起的偏移）。现在设计所有半径为“V”。在玻璃最后表面的厚度处使用M-solve（以得到BFD）。重新命名注意EFFL 值现在是400。尽管曲率改变了，但注意透镜还是对称凸透镜。当我们在3.7 段第二部分使用 F-solve 时，曲率不同了。零权重表示我们仅仅追踪这些值。这里不做优化。在透镜前插入一个表面。定义这个表面为光阑。可以通过双击Standard 然后选择Make Surface Stop 实现。（核查GEN 确定EPD=40。）首先，让光阑表面的厚度为0。点击MTF 中的刷新，注意这些操作数的当前值。（记住视场角为5。）像差的值以波长的单位给出。不要担心如果你现在不理解这些值得意思。这里我们该关心的事情是当光阑位置改变时会发生什么。注意：把透镜的口径设为浮动非常重要。在Semi-diameter 栏内必须没有U。现在我们将移动光阑远离透镜（通过每次给它的厚度10-mm的增量。）并监视像差值的变化。结果在图6.7 画出。像预期的一样，球差一直为常量。彗差以线形改变，竟能通过0 值。像散在整个范围内为抛物线，在彗差为0 的位置处达到最小值。 注意透镜的口径从40mm 增加到68mm 多（如图6.8）。现在让Zemax 找到光阑的最佳位置。回到SINT1o1a。去掉半径上的V。把光阑厚度设为V。在MTF 内加入TRACtoolsdefaultmerit functionRMS/Spot Radius/CentroidOK。重命名WOLR1o1b。（注意：当你在MTF中加入TRAC 时确认插入的行在其他的常驻操作数之下。你可以插入一个“BLNK”行在常驻操作数下面，选中这一行，然后插入TRAC。）观察光阑的厚度。它现在的值为161.35与接近于我们在图中看到的值。现在让我们使用优化功能来找到最佳像面，让所有透镜弯曲并让光阑位置移动。回到WOLR1o1a。重新设置V 在两个曲率半径。重命名WOLR1o2b。 这次运行，我们是在WOLR1o1a 光阑移动后作为起始点的。让我们看看光阑厚度0 作为起始点时会发生什么。回到WOLR1o1b。重新设置V 在两个曲率半径。重命名WOLR1o3b。现在我们比较这两个结果。透镜不再是对称凸透镜了。两组透镜的曲率有细微的差别。光阑的位置也不同。对于给定的孔径和视场通过透镜弯曲和光阑移动完成最佳RMS 点阵优化，ZEMAX 允许稍微高的球差来降低彗差和像散。起始点也很重要。在这个例子中，当在光阑厚度为0 开始优化时，我们得到稍好的结果。经典的渥拉斯顿风景物镜外观是新月形的。我们能够通过增加我们这个物镜的视场来得到差不多的外观。回到WOLR1o3b。把视场增加到25。我们还需要增加透镜的厚度到12mm（为了使两表面的边缘不会彼此穿过。）。重命名为WOLR1o4b。像差概述 在第三章的课后练习中，你可以用运优化减少或者消除像差，比如球差、慧差、像散。在第六章，可以看到通过改变光阑的位置来减少慧差和像散。直到现在我们也只是仅仅在优化函数编辑器SPHA,COMA,ASTL 看到这些像差。即使你对这些基础像差已经有一些前期的探索，我们仍然要在更深层次设计镜头之前了解这些像差。这些像差将会被在像平面上或者输出孔径上描述。 评价图 在整个过程中，有两个评价图一直要用到。分别是射线图（ray fan plot）和散斑点图表（spot diagram） 我们将根据这些图标来描述像差，这将有助于我们理解这些图到底说明了什么。 射线图 如图 7.1a，假设有一个离轴实物，垂直于y 轴，从这个实物上一些光线发射出来射向通过光轴和点光源定义的光平面。假设光通过一个近轴的薄透镜，光阑面在该透镜上，主要光线将穿过光阑中心。主要光线在空间均匀分布于沿y 轴的孔径面上。两束光线在孔径的边沿分别在主光线的两侧。这中空间分布就叫射线图。主光线进入像平面进而穿透像平面以一定的高度。其余的光线也是在不同的位置进入像平面进而穿透像平面。我们划斑点图，横坐标代表y 轴孔径，纵坐标代表y 轴的像平面。用一个特殊的光线作为一个例子，比如光线a，画出在孔径中的位置与像平面中的位置，作为xy 点在图表中。然而，在像平面上我们不从光轴画出射线a 的位移，而是画出射线a 相对于主光线的位移。换句话说，主光线穿透的位置被定义为我们斑点图y 轴的零点。另外，我们就可以用规格化的位置代替实际光线a 的孔径位置。限定在x轴上的图表范围为1。当我们根据这些协议所描述的规则画出所有的光线，就可以称为射线图，如图7.1b 所示。射线图的形状依赖于系统中像差的类型和大小。对于一个没有像差系统，射线图将是一个和x 轴重合的直线。（有法向到切向的扇型就叫弧矢扇型图）散斑图表 假定，添加相同两个直线栅格入瞳，如图7.2。从沿y 轴的物体两端分别穿过两个孔径。光线进入像空间会聚在像平面。用二维代替原来的一维光线穿过方式，就可以得到一个二维的分布，这个就叫散斑图，如图7.3。这个光线的分布图也依赖于系统像差，系统的像差越少，散斑图就越集中，在没有像差的系统中，散斑图是一个点。光线的像差种类 子午平行光线射向透镜，如图7.5 所示，在这个例子中，我们假定系统没有像差。光线就被完美的聚焦轴线的像平面上，而且所有的光线仅聚焦于轴上一点，我们可以观测到光线沿轴向分布，可以在图7.5 中的中间看出。图上标为c 的点就位焦点，所有的光线会聚于这一点，散斑图是一个点。在这一点的两侧光线散斑图分布是对称的，越远离焦点散斑图越大。然而散焦面的光线分布仅仅是与入瞳分布成一定的几何关系。尽管离焦在严格意义上并不是一种像差，但是它的影响却是一直存在的。如果观测点不在轴上平面时，物体像几何大小被一个有限尺寸的模糊散斑图缠绕，其结果导致图像的一些细节的丢失和清晰度减小。当这些面的距离增大时，模糊散斑变大，清晰度降低。在图 7.5 的下半部分，将边缘部分的光线定义为光线1，也就是此光线穿过光阑的上边缘，然后经过透镜，散焦于平面a 上。光线位于光轴上端一定量位置，量的大小展示在（a）图中，返回光阑中，所有的光线透射到平面a 上，画出相对于光轴的相对高度，如图（a）所示的正斜线。光轴平面上的光线高度为0，如图（c）所示，平面a 是内部的轴上焦点。球差 子午光线穿过透镜将引起球差。假定光线如图 7.6（上部）在光轴两侧等距离分布，与散焦不同的是，球差会使得所有光线不会穿过光轴上的焦点。例如边缘光线（1 和1）的像比0.33 和0.33 的光线像更靠近透镜，但是0.33 和0.33 光线的像更靠近透镜焦点。因此球差使得不同环带内的光线聚焦在光轴上的不同点，球差也可以被认为是区域像差，在光轴和边缘光线之间的聚焦距离就称为纵向球差。这样的光线相交不一定在光轴上，例如0.66和光线1 相交在子午平面，如图所示的像平面a 和b 之间。所有相近的光线相交就叫散焦。在子午光线边缘光线穿过散焦线定义一个自然腰宽，对应于光轴上位置就称为最小渐晕。散斑图显示在图 7.6 的中间部分，从图中可以看出散斑图不在和离焦一样只是与入瞳光线分布成一定的几何关系，每一个散斑图都是唯一的，并且散斑图在轴平面等距离的两侧也不在对称。轴上焦点不在是一个像点而是一个具有一定尺寸的模糊圆圈，最小的模糊圆圈在c 处，在轴上这一点具有最高的清晰度。球差相关光线分布如图7.6 中的底部。注意到像差曲线都有一个明显的 S 状。在轴平面上的中心区域，像差曲线比较平坦，这个区域也没有离焦。边缘光线具有最