光學鏡頭的結構設計與裝配工藝

眾所周知，對于高檔鏡頭來說，光學設計固然很重要，但是如何把一個好的光學設計轉化為產品，才是最關鍵的。然而鏡頭(尤其是高檔鏡頭)是如何制造，裝配和檢測的?本文結合實際工作經驗，以一個中倍顯微物鏡為例，簡單地談一下鏡片的光學冷加工，結構設計，裝配工藝。

　　光學冷加工： 很多沒進過光學冷加工車間的朋友對光學透鏡的加工技術很好奇，其實光學冷加工就是把像石頭一樣形狀的光學玻璃原料，進行切割，粗磨，精磨，拋光，磨邊，鍍膜，膠合等一整套工藝，最終得到圖紙要求精度的光學透鏡。

　　具體的光學冷加工工藝在這里就不詳細說了，此處重點說一下目前國內光學透鏡的一般加工精度：

　　1.外徑公差-0.02~0左右;

　　2.中心厚度公差：±0.02左右;

　　3.偏心：2′左右;

　　4.光圈：3左右;

　　5.局部光圈：0.3左右;

　　6.鍍增透膜后的反射率：小于0.5%左右。

　　注：光學透鏡的標注是需要進行嚴格的公差分析的，此處給出的是一般的加工精度，只作為參考。另外，需要注意的是，公差標注的越緊，加工難度就越大，車間的報廢率就會越高，對于需要考慮成本的鏡頭來說，這個是需要結合公差分析的結果，仔細權衡的。

　　結構設計

　　1.參照該裝配圖，改鏡頭主要分為前組，中一組，前壓帽，中二組，后組，隔圈，鏡體，物鏡殼，壓圈，彈簧，后光欄等幾個零件。

　　2.本設計共有5片透鏡，第一片透鏡固定在前組里，第二片和第三片透鏡膠合在一起，固定在中一組里，第四片透鏡固定在中二組里，第五片透鏡固定在后組里。

　　3.前組，中一組，中二組，后組，隔圈是放在鏡體里面的，然后用壓圈壓住，而鏡體的外面旋有物鏡殼和前壓帽。鏡體和物鏡殼之間裝有彈簧(保護樣品)，后光欄旋在物鏡殼內。

　　4. 肯定有人要問：為什么要把鏡片固定在前組，中一組，中二組和后組里，而不是直接放在鏡體里?那是因為，采用前者的方式，可以得到更高的同軸精度，它是采用光學中心儀，先確定前組機械軸(對前組的機械加工要求很高，需要“一刀切”)，然后移動透鏡，使得透鏡的光軸與前組機械軸共軸，再點膠，曝光，固定。

　　5.前組，中一組，后組和鏡體的配合間隙越小越好，前組，中一組，后組外徑公差和鏡體內徑公差可以標注在5um左右。

　　6.中二組和鏡體的間隙大概有0.1到0.2左右，目的是留有調節彗差的余量。

　　7.前組，中一組，中二組，后組，隔圈內部車有螺紋(遮光絲)，目的是減少雜散光。

　　裝配工藝

　　對于該鏡頭來說，裝配鏡頭的過程就是調節像差(球差，彗差，象散，場曲，畸變，兩種色差)的過程，此處主要介紹工廠里常用的“星點法”。

　　星點法是用透射光照在一個鍍有鋁膜的玻璃板上(鋁膜很薄，有些部分會透光)，產生衍射斑，然后通過帶有需要調校鏡頭的顯微系統觀察。理論上，如果該鏡頭沒有像差，那么在目鏡視野里看到的衍射斑點都應該是艾里斑加幾個很細的圓環，所以調校鏡頭的過程是一邊觀察衍射斑形狀一邊改變鏡頭參數的實時過程。對于擁有豐富調校鏡頭經驗的老師傅來說，他們一眼就可以看出來鏡頭存在哪一種像差，該如何調校。對于剛入門的新手來說，這個是相當困難的。

　　下面對衍射斑的形狀和各種像差的對應做一個小結：

　　1.球差：艾里斑亮度占整個衍射斑的的亮度比例不對(理論上是84%)或者衍射環太粗;一般的解決方法是通過車削鏡座或者在鏡座之間加墊片來改變空氣間隔(需要用軟件模擬各個空氣間隔的敏感程度，再決定在鏡頭的什么位置進行變動);

　　2. 彗差：顧名思義，就是衍射斑像彗星尾巴的形狀;一般的解決方法是調整同軸度，上面提到的“中二組和鏡體的間隙大概有0.1到0.2左右”正是這個目的，另外，需要注意的是，鏡頭剛裝配好，彗差往往是最明顯的，所以一般都是調整同軸度，校正彗差，然后再觀察其他幾種像差。

　　3.象散：需要旋轉鏡頭觀察，一般通過更換玻璃來改善(象散難以調節的鏡頭往往是鏡頭里面某些玻璃的面型超差);

　　4.場曲：離焦觀察中心視野與邊緣視野的斑點情況;

　　5.畸變：衍射斑點形狀不規則，如果不是設計本身的問題，此種異常往往也是需要從透鏡的面型下手。