全面解析光學(xué)鏡頭基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、 引言?　　 ?

計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)早已應(yīng)用到鏡頭的光學(xué)設(shè)計當(dāng)中，鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計也有一些 計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，但是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的多樣性或?qū)I(yè)性強(qiáng)或要昂貴平臺支持而使 用不便。光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求各個光學(xué)零件準(zhǔn)確定位和合理固定，保證鏡頭的光 學(xué)性能。對于照相物鏡、顯微物鏡、望遠(yuǎn)物鏡、目鏡等大多數(shù)非變焦、光軸成直線的 鏡頭來說，其基本結(jié)構(gòu)由透鏡、壓圈、鏡筒、隔圈組成。只要對這些結(jié)構(gòu)作自動設(shè) 計，就能省去許多費(fèi)事的構(gòu)思和繁瑣的計算。以自動設(shè)計得到基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，就不 難修改成為所要求的特殊結(jié)構(gòu)，例如鏡筒與機(jī)殼的專用連接結(jié)構(gòu)。本文介紹的光學(xué)鏡 頭基本結(jié)構(gòu)計算機(jī)輔助設(shè)計是基于廣泛應(yīng)用的AutoCAD平臺和采用人機(jī)交互式操作， 用AutoLISP語言進(jìn)行參數(shù)化和模塊化設(shè)計，通用性好且簡單易行?！　??

二、 鏡頭結(jié)構(gòu)分類?　 　

常用光學(xué)鏡頭諸如望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡、照相物鏡和目鏡，基本結(jié)構(gòu)包括四個部 分：透鏡、隔圈、鏡筒、壓圈。? ? 隔圈結(jié)構(gòu)類型比較多，它受前后透鏡直徑和通光孔徑的大小差別影響較大，也受 其它結(jié)構(gòu)要素影響。隔圈結(jié)構(gòu)類型如圖1所示?！??

? 鏡筒結(jié)構(gòu)大體可以分為兩類：直筒式和臺階式?！?　

壓圈的結(jié)構(gòu)形式包括外螺紋壓圈和內(nèi)螺紋壓圈，在實(shí)際應(yīng)用中大多采用外螺紋壓 圈，因此本文僅考慮外螺紋壓圈，又根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)對邊緣光線是否擴(kuò)散和外觀要求的 不同，壓圈可以分成三種形式?！　??

僅以鏡筒和壓圈的結(jié)構(gòu)形式組合(暫考慮隔圈一種形式)就可以把鏡頭結(jié)構(gòu)分為如 圖2所示的六種形式?！　??

? 本文所述CAD的方法是用戶根據(jù)鏡筒和壓圈分類的圖標(biāo)菜單來選擇結(jié)構(gòu)形式，再 通過文字提示用戶去決定選擇何種隔圈形式?！　??

三、 總體設(shè)計?　 　

把鏡頭基本結(jié)構(gòu)分成了六種類型，就可以把整個軟件系統(tǒng)設(shè)計成六個主程序來分 別完成六種類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計。首先讓用戶輸入光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸，然后選擇：只畫光 學(xué)系統(tǒng)圖或畫六種類型中一種類型結(jié)構(gòu)圖。每個主程序要調(diào)用光學(xué)系統(tǒng)、壓圈、鏡 筒、隔圈的子程序完成整個光學(xué)鏡頭裝配圖繪制和自動設(shè)計。軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。 ?

? 在設(shè)計程序時采用了模塊化設(shè)計，一個模塊實(shí)現(xiàn)某一特定的功能，各個模塊功能 不重復(fù)，相互之間共享數(shù)據(jù)資源，存在調(diào)用關(guān)系?！　?? 各個模塊實(shí)現(xiàn)的功能和程序的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。　　

? 在本設(shè)計中我們主要采用編制下拉菜單的方法提供用戶界面。建立的新菜單文件 名是BIT.MNU，編輯的下拉菜單區(qū)是POP6，名稱是BYSJ?！　??

? 圖4在用戶進(jìn)入到繪圖方式后，點(diǎn)取下拉菜單BYSJ將會看到如圖4所示的菜單。 ?

? Part Control項(xiàng)主要用于完成設(shè)計之后分離各零件，單獨(dú)把每個零件從裝配圖中拆 出，或者把某個零件上的所有線條一起進(jìn)行編輯?！?/p>

　 Input Data項(xiàng)主要用于光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的輸入并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件以便于其它程序的取用。? 　　 Draw Lens Only項(xiàng)用于不需要設(shè)計整個鏡頭結(jié)構(gòu)時單獨(dú)繪制光學(xué)系統(tǒng)圖?！?　 Select Type項(xiàng)用于六種結(jié)構(gòu)類型的選擇。它調(diào)用了圖標(biāo)菜單ICON，將六種類型的 結(jié)構(gòu)簡圖用圖像形式形象地顯示出來，使用戶很方便地選擇所需要的結(jié)構(gòu)類型，如圖2 所示?！?　

四、 程序編制示例?　

　 ? 由圖3系統(tǒng)框圖可知，各個零件都編制了相應(yīng)的子程序完成其結(jié)構(gòu)繪制，下面僅以 光學(xué)系統(tǒng)為例說明程序的編制過程。? 　

　 完成光學(xué)系統(tǒng)繪制的程序Len.1sp自定義函數(shù)的流程圖如圖5所示。首先從數(shù)據(jù)文件 中取出第一組參數(shù)，利用繪圖命令按照參數(shù)繪制透鏡，然后循環(huán)操作取出第二組、第 三組參數(shù)?，在距離前一透鏡d+t處繪制透鏡，直至整個透鏡系統(tǒng)繪制完畢?！　??

? 五、 關(guān)鍵技術(shù)處理?　　

? 1.鏡筒壁厚和壓圈寬度?

　?鏡筒壁厚與它的直徑有關(guān)。螺紋退刀槽處的鏡筒壁厚一般是整個結(jié)構(gòu)中的最薄之 處。因此程序中以退刀槽處為壁厚基準(zhǔn)，各種直徑范圍的壁厚選擇由條件語句完成。在臺階式結(jié)構(gòu)中中間部分各處的壁厚都與退刀槽處的壁厚相等，而在直筒式結(jié)構(gòu)中中 間部分的壁厚要比退刀槽處的壁厚大一些。同理壓圈寬度、螺距和起子槽的大小也按 直徑范圍的選擇由條件語句完成?！?　

2.鏡筒兩端軸向尺寸?　　

? 為保護(hù)前鏡片，鏡筒的前端表面應(yīng)超出凸透鏡前表面某一預(yù)置尺寸。而鏡筒后端 表面則要與壓圈后表面相平齊或稍為超出壓圈后表面。? 　　

3.鏡筒臺階軸向尺寸 　　 ?

位于鏡筒內(nèi)孔臺階處的隔圈和壓圈與臺階端面之間必須空出一些距離，以保證各 零件尺寸有誤差時隔圈和壓圈都不得碰到臺階，這樣才能起到應(yīng)有的定位和壓緊作 用。本設(shè)計的鏡筒臺階尺寸是根據(jù)透鏡的邊緣厚度來處理確定的?！　??

4.從裝配圖拆出零件圖?　　

? 利用AntoCAD獨(dú)特的圖層處理技術(shù)，用戶根據(jù)需要設(shè)定若干圖層。將不同零件畫 在不同層上，運(yùn)用圖層的開啟關(guān)閉、凍結(jié)解凍的作用，就可以方便地從裝配圖上分離 出某個零件圖。本程序特別制作了拾取實(shí)體來實(shí)現(xiàn)層控制的菜單命令。這些菜單是執(zhí) 行四個LISP程序(lid.1sp、ofo.1sp、lsel.1sp、isolate.1sp)?！　??

六、 鏡頭設(shè)計實(shí)例?　 　

表2是設(shè)計好的光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸，也是本實(shí)例結(jié)構(gòu)設(shè)計的已知原始數(shù)據(jù)。圖6是 應(yīng)用本文所述的程序，選擇某種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計出來的鏡頭裝配圖，圖中沒有作任何 修改(圖中是在拆零件圖之前零件線條存在重疊現(xiàn)象，拆完零件后可以用一程序消除)。 ?

七、 結(jié)論?　

　 ? (1) 對于任意一組常用光學(xué)鏡頭，在已知其光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸的情況下，可以迅速 地繪制出其固緊結(jié)構(gòu)圖，并能保證各光學(xué)零件定位的準(zhǔn)確性?！　?(2) 可以根據(jù)用戶的需要提供多種結(jié)構(gòu)式樣以供選擇，并且由裝配圖可以迅速分離 出準(zhǔn)確尺寸的零件圖，提高了光學(xué)鏡頭的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。? (3) 本軟件比較容易進(jìn)一步擴(kuò)充與完善。例如可以更細(xì)致地考慮透鏡工藝倒角對裝 配圖的影響；可以運(yùn)用程序進(jìn)一步完善零件圖的尺寸標(biāo)注等等。 ? 作者單位：(北京理工大學(xué)光電工程系，北京　100081)

? 審核編輯：黃飛

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