广角目镜系列产品的优化设计.docx

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广角目镜系列产品的优化设计

广角目镜系列产品的优化设计

.

广角目镜系列产品的优化设计

广西大学梧州分校萧泽新丁H72一o

A——…

（摘要）本文是作者借助价值I程或价值分析这一现代化管理技术与思想方法,优化设

计出达到国外先进水平的广J{l目镜糸列产品的总结.

一n.:

I

关键词:

广角目镜优化设计噩融一

的.由于视场角增大了,在一定的出瞳距离鬻一

赳$-F

斜光束的倾斜角在透镜表面的投射高

观察目镜（下简称目镜）是显微镜重要

部件之一.国产显微镜的目镜一般采用普通

目镜和平场目镜}而工业发达的国家生产的

显微镜基本上采用为适应大视场系统（如平

场消色差物镜）的高档次的广角目镜.据国际

市场的配套,维修的需求,我校校办企业西

江仪器厂拟自主开发广角目镜系列产品.作

为设计者,深感只有”价廉物美”（高价值）

才能在激烈的国际市场竞争中有自己的立足

点.于是借助了价值分析,优化产品设计,研

制出在主要性能指标方面达到国外同类产品

先进水平的广角目镜,并通过外贸部门出口

刨汇,创造了较好的经济效益和社会效益.

今撰文总结之,以求教于同行.

二,优化设计的主思路——价

信锌新…●

!

.目镜的特点和对它的一般要求

目镜是目视仪器的一个组成部分,其作

用是把物镜给出的象通过它成象在无限远

（或明视距离）,在观察者的视网膜上成一放

大的象.与其他光组比较,具有以下特点t①

焦距短.f一15~-;30mm;②相对孔径较小.是

显微系统目镜,最大相对孔径<1/12.5;③

视场角大.一般目镜视场角2在4O.左右.广

角目镜在6O.左右;④入瞳和出瞳远离目镜.

可见目镜是典型的大视场小孔径光学系统.

2.广角目镜的典型结构形成

广角目镜是为适应大视场系统而设计

26

随之增加.各种高级象差很快增大,场曲也随

之增大一般目镜因其视场角在4O.左右,所

以基本采用二组元目镜,当视场角超过50.

时;二组元目镜难以满足要求,为了保证象

差的要求.目镜的光学结构必须复杂化,则

应采用三组元目镜,即或在系统中加入负光

焦度的透镜,或增加正透镜组的数目,使光

焦度分散.图I所示的是两种视场在6O以上

?

出射光瞳

/_\厂l

\-/\.

出射光瞳

I,.1～

FfI.

11

囤1广J{l目镜的典型结构

广角目镜典型结构形式——五片三缎元.I

型广角目镜中由两块透镜组成接目镜,三胶

合透镜用来校正象差,加入负光焦度减少了

场曲.I型广角目镜是由胶合透镜组和中间

的凸透镜组成接目镜,另一个胶合透镜用来

《广西机械》1997年第1期

●

一

补偿整个系统象差光学特性为:

I型2（I】=60.～7O.

p,If一1:

1.5～1#J.3

I型2（I】=6O一一65.

p,If=1:

1.5

3.广角且镜优化设计的主思路

借助价值工程（rE,或价值分析VA）这

一

现代化管理技术与方法,可使广角目镜的

设计优化.在价值工程中,价值是指其产品

（或劳务）的功能（或效用）与成本（或生产

费用）的比值.其基本表达为V（价值）一F

（功能）tC（成本）.价值工程追求目标——生

产出令顾客满意的”物美价廉”（即高价值）

的产品,据笔者实践,在新产品开发和老产

品改进中运用价值工程对提高产品质量,降

低成本,增加效益成效十分显着.

具体地说,评价一个光学系统设计优劣

的主要依据:

①性能和成象质量;②系统的

复杂程度.即优化设计的目标应是功能（光学

性能,成象质量）能满足用户需要的前提下,

结构最简单（成本低）.要实现这一日标,可

按V=F/C公式,通过如下几个途径实施之.

三,设计方案的优化

我们设计的对象是生物显微镜用的广角

目镜,国际通用目镜外壳直径为中23.2ram,

所以最大视场直径为~20mm,又据标准《显

微目镜系列》（JBI782—76）规定:

广角目镜

指视场角在5O.以上的12.5×及其以上放大

率的平场目镜和视场角在4O.以上的lO×及

其以下放大率的平场目镜.笔者还参阅了大

量资料,立足于自己设计的产品,达到国外

先进同类产品水平.产品主要性能优化的期

望值如下:

G10×,2O（I】一43.,线视场20raml

GI2.5×,2O∞=50,线视场l8而ri3,Gj5×,

2∞=50.,线视场l5ram.

1.优化选型

在光学镜头设计中,试验法得到广泛的

应用.即在开始光学计算前,先查找一个光学

特性与所设计的镜头尽可能接近的原始结

《广西机械》l997’年第1期

构,利用电子计算机计算光路,并研究系统

结构元素的变化对光学特性和象差的影响.

经过多次”迭代”,直到求出满意的解.值得

强调指出:

原始结构的选择是决定性的因紊.

据v十=F~/C+思考（注:

十表示提高,

十十为大大提高,●表示下降,●+为大大

下降,一表示不变,以下同）,因显微镜用的

广角目镜屠中等视场,从光线偏角的分配经

验式翔别,可以比典型广角目镜的五片三组

元结构少用一个透镜,经过分析对比,选择

了蔡司（ze）广角型目镜为原始结构.电算

迭代后,研制出新的四片三组元广角目镜系

列产品具有较为满意的象质,成本也降低了.

2.产品系列设计中的优化

笔者在Gl2.5×t18广角目镜设计完成

并研制成功的基础上,继续进行系列产品设

计.我看到国内某厂的G10×12o选用三片两

组元凯涅尔目镜型,从降低成本角度看似乎

可取,但作者进一步仿此进行光路计算,发

现象质不是很理想.于是遵循”处理目镜主光

线的偏向有是设计中首要问题”的原判,重

新神视自己的G10×12o广角目镜设计据V

十=F十+tc十.还是选用蔡司广角型目镜,

达到了既定的目标

3.结构设计的优化

据V十=F~/C+,笔者据这类目镜的特

点.把目镜筒一端设计成压圈形式,增加了

它的一个功能,取梢了压紧透镜组的压圈,减

少了盘牛,降低了成本.

4.光学零件冷加工工艺的优化

影响光学零件成本的主要因素除材料外

就是;~u-c方法,.工艺性好,可较大幅度地降

低成本;而零件良好的工艺性.往往在设计

阶段中赋予.据V十=F~/C,笔者利用微

调各镜片光组焦度比倒的办法,把过大的曲

率半径R改成平面（R—o.）,还把相近的R

在保证象质优良的前提下取其相同,这就大

大减少了做光学样板及制造工装的费用,还

缩短了生产周期,便于生产管理（详见四,设

计实例）.

27

四,设计实例

目镜的像差校正以轴外像差为主,其中

尤其是影响成象清晰的慧差,像散,垂轴色

差最重要.畸变不影响成象清晰,作不完全校

正（2（I】一40.相对畸变允差5}60.～70.,

图2Gl0×/2o广角目镜光学系统图

表2

允差5～10%）l场曲一般校作校正.

.

今以G1OX/20广角目镜为例.其结构参

数,主要象差如图2,表1,表2所示.

表1

序号

4

——

25.170

.17

一

213.2l1

.5

22a.5410

—

2a.54Ol7

34.56

3

像差h,6△l,Fcx一lxr.lxrlxq）△Fc

1.00.0195—0.Ol250.05l1.30I一0.Ⅷl_D_00824.3—0.O13

0.70710.0097—001250lo.86『一¨5.l一0.00632.44—00l83

2（I】一43.D—J.25一24.89ram

五,结语譬_嚣

经过优化设计的广角目镜系列产品不但表3）.

表3

线视场直径眼点距目镜筒直型式备注艘大率生产厂视场角2

（ram）（ram）径（ram）

秘过目内重国内部分重点显般镜厂39.

6.1817.523.2三片两组元觊湟尔式点厂

达副

ol0X43.2021232广角型国外先进承

西大捂州分檀西江忸器厂四片三组元幕司广角型

达到国外较尤尼唐（nftron）152023.

2广角型好水平超

G12.5X蔡司（zc）50.1a】523.2补偿型过一般先进

才（平西大梧州分校西江仪器厂50.1a1323

.

2四片三组元蔡司广角型

达到国外一尤尼唐45.

6.142023.2广角型般先进水平

G15×美国光学公司53.416.823.2广角髓

西大梧州分檀西江仪嚣厂50.159.523.2四片三组元蔡司广角型

注:

敷据来自参考文献,3]

由表3可见,运用价值分析优化了广角目

镜系列产品设计,取得较为满意的综合效果,

从价值工程角度看是vf,十一F十/c即整

体优化

28

参考文献

[【]袁旭沧等,光学设计.北京:

北京

理工大学出版社,1988.J79~223

《广西机械》1997年第l期

一

j

关于多自由度振动系统基频的估算

A摘要本文提出多

设振型非常粗糙的情竞下,

广西大学仇君庞廷阶3

1zo|

由度振动系统固有频率的一种近似解法.应用此法估算基期,在韫

仍能有较高的精度

关键词:

基频实对称矩阵假设振型

一

日U吾

工程设计中,经常遇到求辫多自由度系

统的振动问题.对于这类问题,往往只需求出

系统的基频,就可以前足机械设计与使用的

要求.因此人们提出了许多近似解法,如瑞利

能量法,矩阵迭代法等.本文提出一新的计算

基频的公式,与其它方法相比,具有计算简

便,精度高的优点.特别方便于工程技术人员

对系统基频进行估算具有实用价值

二,公式推导

考虑多自由度无阻尼系统自由振动,其

主振型方程.为

KU=∞MU

（1）

其中刚度矩阵K和质量矩阵M均为n×13阶

实对称矩阵对于正定系统,它们都是正定矩

砗.U为系统的振型矩阵.即有U=[u”

u”J_”u]+其中u为系统的第r阶固有振

型,即

u为系统的特征值,也就是多自由度系统的

13个固有频率值互不相等,可将其从小到太

依次排列为

0-C山J-C0-C…-C

其中最低阶固有频率为基频

1

令=【L）

则

（1）式可写为

MU=LKU

（2）

设k,u”（r一1,2,…n）满足

（2）式,即有

MU”一Ku”（3）

用K左乘（3）式两边,有

K一MukK一Ku’）

困KK—E,E为13阶单位矩阵,上式为

KMu”=u（d）

上式中.一般KM是非对称的系数矩

阵,为了得到对称系数矩阵,如果M是正定

的,根据文献[2],M分解固子成为

M:

WW（5）

式中w为一上三角矩阵,,vT为其转置.（5）

式代入（4）式,并两边左乘w,有

WKWu”一,Wu”）

令D=WKW,Y=Wu,上式改写为

DY=Y（6）

方程（6）是为具有对称正定系数矩阵的

特征值问题的标准形式,与原方程（4）式有

相同的特征值.

[2]张以谟.应用光学.北京:

机械工

业出版社,1982?

d0

[3]龚祖同,李景镇等.光学手册.西

《广西机械》l997年第】期

安:

陕西科学技术出版社,1986,1072~1076

[4]萧泽新.VE在光学系统设计中的应

用.价值工程,1993

（1）:

26~27