光学镜头的计算机辅助设计

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　　一、 引言
/ I5 F; f3 \/ D2 Q" P3 [  [　　计算机辅助设计技术早已应用到镜头的光学设计当中，镜头的结构设计也有一些计算机辅助设计软件，但是由于结构设计的多样性或专业性强或要昂贵平台支持而使用不便。光学镜头的结构设计要求各个光学零件准确定位和合理固定，保证镜头的光学性能。对于照相物镜、显微物镜、望远物镜、目镜等大多数非变焦、光轴成直线的镜头来说，其基本结构由透镜、压圈、镜筒、隔圈组成。只要对这些结构作自动设计，就能省去许多费事的构思和繁琐的计算。以自动设计得到基本结构为基础，就不难修改成为所要求的特殊结构，例如镜筒与机壳的专用连接结构。本文介绍的光学镜头基本结构计算机辅助设计是基于广泛应用的AutoCAD平台和采用人机交互式操作，用AutoLISP语言进行参数化和模块化设计，通用性好且简单易行。
　　二、 镜头结构分类
+ ?$ W3 |6 Z+ h1 T  T/ m( w! U; v　　常用光学镜头诸如望远物镜、显微物镜、照相物镜和目镜，基本结构包括四个部分：透镜、隔圈、镜筒、压圈。
　　隔圈结构类型比较多，它受前后透镜直径和通光孔径的大小差别影响较大，也受其它结构要素影响。隔圈结构类型如图1所示。
( y  A9 h) `  Q( x, v8 z　　镜筒结构大体可以分为两类：直筒式和台阶式。
" j! x# C! t/ x+ J2 x3 D　　压圈的结构形式包括外螺纹压圈和内螺纹压圈，在实际应用中大多采用外螺纹压圈，因此本文仅考虑外螺纹压圈，又根据光学系统对边缘光线是否扩散和外观要求的不同，压圈可以分成三种形式。
; c+ E4 ?" f4 A! l% ]　　仅以镜筒和压圈的结构形式组合(暂考虑隔圈一种形式)就可以把镜头结构分为如图2所示的六种形式。　　
　　本文所述CAD的方法是用户根据镜筒和压圈分类的图标菜单来选择结构形式，再通过文字提示用户去决定选择何种隔圈形式。
三、 总体设计
* }; K2 ]  h# {0 h' G　　把镜头基本结构分成了六种类型，就可以把整个软件系统设计成六个主程序来分别完成六种类型结构的设计。首先让用户输入光学系统外形尺寸，然后选择：只画光学系统图或画六种类型中一种类型结构图。每个主程序要调用光学系统、压圈、镜筒、隔圈的子程序完成整个光学镜头装配图绘制和自动设计。软件系统框图如图3所示。
0 _: z( A+ t3 U" v　　
　　在设计程序时采用了模块化设计，一个模块实现某一特定的功能，各个模块功能不重复，相互之间共享数据资源，存在调用关系。
9 v, B8 s% i# c" T3 Y9 f6 d　　各个模块实现的功能和程序的对应关系如表1所示。
8 d& x5 j- `  W: }, [$ p　　在本设计中我们主要采用编制下拉菜单的方法提供用户界面。建立的新菜单文件名是BIT.MNU，编辑的下拉菜单区是POP6，名称是BYSJ。
! V3 _  _4 I0 l1 z* O7 l　　
5 \. f* j  _3 @/ X表1
程序名称    完成的功能
+ o. A8 g  B& _/ [1 Vlensdata.1sp    接收用户输入的光学系统参数并转化为一数据文件
bit.mnu    编制下拉菜单，提供用户界面
bysj1    设计结构类型一，其间调用len、hring1、barrel1、space1
bysj2    设计结构类型二，其间调用len、hring2、barrel1、space1
+ N1 M& _  x6 p; L$ ^& fbysj3    设计结构类型三，其间调用len、hring3、barrel1、space1
bysj4    设计结构类型四，其间调用len、hring4、barrel2、space2
bysj5    设计结构类型五，其间调用len、hring5、barrel2、space2
bysj6    设计结构类型六，其间调用len、hring6、barrel2、space2
len.1sp    单独按照输入参数绘制光学系统图
len    设计结构类型时被调用来绘制光学系统图
hring1    直筒式结构中用来绘制压圈形式一
3 d# V- j; J7 y7 [hring2    直筒式结构中用来绘制压圈形式二
hring3    直筒式结构中用来绘制压圈形式三
4 T1 n  |# O9 B' R: X) \; xhring4    台阶式结构中用来绘制压圈形式一
6 D# C! U  c( M8 {. B. ehring5    台阶式结构中用来绘制压圈形式二
hring6    台阶式结构中用来绘制压圈形式三
barrel1    直筒式结构中用来绘制镜筒
barrel2    台阶式结构中用来绘制镜筒
- i; {$ _2 Z' w& u- K. pspace1    直筒式结构中用来绘制隔圈
space2    台阶式结构中用来绘制隔圈
lid.1sp    点取图形中一个实体将其图层设定为当前层
lsel.1sp    点取图形中一个实体将其图层作为选择层
ofo.1sp    点取图形中的实体，用off关闭其图层然后可用on打开
$ i' m8 x8 T# c8 z. P) [. Risolate.1sp    点取图形中一个实体将其图层分离出而关闭其它层
$ w9 F- s& i% Y3 T　　图4在用户进入到绘图方式后，点取下拉菜单BYSJ将会看到如图4所示的菜单。
6 L8 R8 C) C2 e　　Part Control项主要用于完成设计之后分离各零件，单独把每个零件从装配图中拆出，或者把某个零件上的所有线条一起进行编辑。
　　Input Data项主要用于光学系统参数的输入并转化为数据文件以便于其它程序的取用。
　　Draw Lens Only项用于不需要设计整个镜头结构时单独绘制光学系统图。
( _( x. W) Y3 @. `; [/ r　　Select Type项用于六种结构类型的选择。它调用了图标菜单ICON，将六种类型的结构简图用图像形式形象地显示出来，使用户很方便地选择所需要的结构类型，如图2所示。
　　四、 程序编制示例
　　由图3系统框图可知，各个零件都编制了相应的子程序完成其结构绘制，下面仅以光学系统为例说明程序的编制过程。
+ [, c. S, Y/ H3 a　　完成光学系统绘制的程序Len.1sp自定义函数的流程图如图5所示。首先从数据文件中取出第一组参数，利用绘图命令按照参数绘制透镜，然后循环操作取出第二组、第三组参数…，在距离前一透镜d+t处绘制透镜，直至整个透镜系统绘制完毕。　　
5 I" n& a- D. Q# E- h+ g0 N9 p' _( k　　五、 关键技术处理
　　1. 镜筒壁厚和压圈宽度
* e! s% S* T# @0 ]: W6 U$ n　　镜筒壁厚与它的直径有关。螺纹退刀槽处的镜筒壁厚一般是整个结构中的最薄之处。因此程序中以退刀槽处为壁厚基准，各种直径范围的壁厚选择由条件语句完成。在台阶式结构中中间部分各处的壁厚都与退刀槽处的壁厚相等，而在直筒式结构中中间部分的壁厚要比退刀槽处的壁厚大一些。同理压圈宽度、螺距和起子槽的大小也按直径范围的选择由条件语句完成。
　　2. 镜筒两端轴向尺寸
. }2 B6 o3 q8 o4 z% l& c5 S　　为保护前镜片，镜筒的前端表面应超出凸透镜前表面某一预置尺寸。而镜筒后端表面则要与压圈后表面相平齐或稍为超出压圈后表面。
% t* S* U/ x  v4 A　　3. 镜筒台阶轴向尺寸
　　位于镜筒内孔台阶处的隔圈和压圈与台阶端面之间必须空出一些距离，以保证各零件尺寸有误差时隔圈和压圈都不得碰到台阶，这样才能起到应有的定位和压紧作用。本设计的镜筒台阶尺寸是根据透镜的边缘厚度来处理确定的。
9 G4 l9 n; V: _　　4. 从装配图拆出零件图
　利用AntoCAD独特的图层处理技术，用户根据需要设定若干图层。将不同零件画在不同层上，运用图层的开启关闭、冻结解冻的作用，就可以方便地从装配图上分离出某个零件图。本程序特别制作了拾取实体来实现层控制的菜单命令。这些菜单是执行四个LISP程序(lid.1sp、ofo.1sp、lsel.1sp、isolate.1sp)。
　　六、 镜头设计实例
　　表2是设计好的光学系统外形尺寸，也是本实例结构设计的已知原始数据。图6是应用本文所述的程序，选择某种结构形式，设计出来的镜头装配图，图中没有作任何修改(图中是在拆零件图之前零件线条存在重叠现象，拆完零件后可以用一程序消除)。
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表2
- y6 Z- f* P. t& r) oNo    r    D    D1    d
- ~- O7 o. [$ q3 t8 L3 ^7 a1    66.082    Φ44    Φ40    8
. a4 |8 \+ l5 d% B& w+ L1 `0 O2    -302.98    Φ44    Φ40
1 N2 P" V. a7 f# W4 o0.2
& _2 H- Q. _" }. N( D, Z# S3    89.33    Φ44    Φ42
8.5
4    441.6    Φ44    Φ42
+ {# `5 x* Y  T0 C7.5
9 w1 |; B+ B' r! \5    -102.12    Φ44    Φ42
3 }$ }3 N3 j' j% E! _4 i8.5
7 v" `. _8 }3 C' w2 h6    64.71    Φ44    Φ42
7 t2 m) `( T* d3 Y12.2
% M) w. H) G! w2 k7 [7 ~7    -490.9    Φ56    Φ50
, _" L' b6 U" Z& _# S9.5
8    -78.89    Φ56    Φ54
0.2
  a, w$ g: s* R, }, t9    216.3    Φ62    Φ60
1 k5 d. p7 j+ g# W! e* A# R5 ~! V2 c. i9.5
1 j' p# u5 f5 d4 `5 r  {10    -244.3    Φ62    Φ60
七、 结论
(1) 对于任意一组常用光学镜头，在已知其光学系统外形尺寸的情况下，可以迅速地绘制出其固紧结构图，并能保证各光学零件定位的准确性。
6 k: w3 m5 s. b" Z! R# t(2) 可以根据用户的需要提供多种结构式样以供选择，并且由装配图可以迅速分离出准确尺寸的零件图，提高了光学镜头的设计质量和设计效率。
' C/ v9 D4 u8 ]" ~0 F# R% |(3) 本软件比较容易进一步扩充与完善。例如可以更细致地考虑透镜工艺倒角对装配图的影响；可以运用程序进一步完善零件图的尺寸标注等等。
作者单位：(北京理工大学光电工程系，北京　100081)
0 ~: @7 G4 V: U& n参考文献：
［1］ 《光学仪器设计手册》编辑组编：光学仪器设计手册.北京：国防工业出版社，1972
( b9 f9 y# X- u* j8 c［2］ 王之江 主编：光学技术手册.北京：机械工业出版社，1994
0 j7 M; H) z' V" F' w0 s［3］ 任志文，赵跃进 编：光学仪器计算机辅助设计AutoCAD的开发和应用.北京：北京理工大学出版社，1996
［4］ 霍新民 编：AutoLISP(12.0)程序设计.北京：机械工业出版社，1995
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