光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
光學(xué)鏡頭是最具代表性的光學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用在機(jī)器視覺、測(cè)量檢測(cè)、安防監(jiān)控、目標(biāo)遙感、天文觀測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，本文將簡(jiǎn)要介紹光學(xué)鏡頭光機(jī)設(shè)計(jì)的一般過程，以及需要重點(diǎn)關(guān)注的注意事項(xiàng)。
光學(xué)鏡頭的研制一般包括以下幾個(gè)階段：
一、需求分析
任何一臺(tái)光學(xué)儀器都是為了滿足一定的功能需求而存在的，光學(xué)鏡頭也不例外。需求分析是光學(xué)鏡頭研制的第一步，需要確定儀器需要實(shí)現(xiàn)的功能、所處的工作環(huán)境、生產(chǎn)的批量、成本等用戶需求。需求分析看似簡(jiǎn)單但非常重要，但直接影響鏡頭的性能指標(biāo)確定、總體方案設(shè)計(jì)以及功能滿足程度。
二、指標(biāo)約束
指標(biāo)約束包括技術(shù)性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)約束兩方面，是需求分析的結(jié)果和表現(xiàn)形式。技術(shù)性能指標(biāo)是闡述用戶的技術(shù)要求，表明鏡頭必須做成什么樣，確定合格產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)；設(shè)計(jì)約束指用戶提出的各項(xiàng)限制條件，如尺寸、重量、布局、使用環(huán)境、接口等。
指標(biāo)約束是設(shè)計(jì)的輸入條件，也是產(chǎn)品檢驗(yàn)合格與否的判據(jù)，一般以會(huì)簽文件的形式確立。在設(shè)計(jì)之初確定指標(biāo)合理、指標(biāo)全面的指標(biāo)約束可以避免后期出現(xiàn)反復(fù)，降低研制風(fēng)險(xiǎn)和研制周期。
三、方案設(shè)計(jì)
方案設(shè)計(jì)也叫概念設(shè)計(jì)，是根據(jù)需求分析和已確定的指標(biāo)約束，從多個(gè)滿足功能需求的方案中遴選出最佳的方案。方案設(shè)計(jì)過程中，除了需要充分的調(diào)研外，設(shè)計(jì)師的工程經(jīng)驗(yàn)扮演者重要的角色，一個(gè)合格的設(shè)計(jì)師可以從以往經(jīng)驗(yàn)中獲知各個(gè)方案優(yōu)劣，最后制定出功能齊備、性能優(yōu)良、工藝性好、成本合理的技術(shù)方案。方案設(shè)計(jì)一般會(huì)得到一個(gè)與系統(tǒng)主要部分有關(guān)的功能框圖。
對(duì)于光學(xué)鏡頭而言，需要根據(jù)用戶對(duì)諸如視場(chǎng)、焦距、放大倍率、相對(duì)孔徑、工作波段范圍、空間分辨率、能量分布等指標(biāo)要求，確定選用的光學(xué)系統(tǒng)類型：透射式、反射式還是折返式？對(duì)于透射式系統(tǒng)，需要重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)布局；對(duì)于反射式系統(tǒng)，需要權(quán)衡同軸卡式、立軸反射式等系統(tǒng)在性能、工藝性以及成本之間的關(guān)系。
方案設(shè)計(jì)是一個(gè)多系統(tǒng)協(xié)同工作的過程，一般需要光、機(jī)、電工程師會(huì)同用戶多次溝通，特別對(duì)于復(fù)雜光學(xué)儀器耗時(shí)較長(zhǎng)。
四、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
光學(xué)系統(tǒng)作為光學(xué)儀器核心子系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)除了需要根據(jù)需求分析時(shí)確定技術(shù)指標(biāo)以及方案設(shè)計(jì)時(shí)確定的系統(tǒng)類型完成系統(tǒng)的構(gòu)成，性能優(yōu)化和公差分析是光學(xué)設(shè)計(jì)師的主要工作。
一個(gè)好的光學(xué)系統(tǒng)具有以下特征：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、成本低廉。
1）簡(jiǎn)單——顯然光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易程度直接影響著光機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易，影響著儀器的成本、資源消耗和可靠性。對(duì)于光學(xué)鏡頭，多一片透鏡就意味著重量、體積、成本、周期等諸多資源消耗的線性增加。
2）工藝性好——工藝性好壞主要表現(xiàn)在兩方面，一是結(jié)構(gòu)合理，常規(guī)設(shè)備能完成加工、裝配和測(cè)試工作；二是公差合理，在滿足性能指標(biāo)要求的前提下，給出合理的公差要求，一個(gè)好的光學(xué)設(shè)計(jì)師絕對(duì)不允許靠無(wú)限提高加工、裝配精度來提高儀器的性能。光學(xué)儀器的容差性能直接反應(yīng)了光學(xué)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)水平和經(jīng)驗(yàn)積累程度，也能大幅度降低儀器成本。
五、光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本任務(wù)就是給光學(xué)元件一種支撐結(jié)構(gòu)，在規(guī)定環(huán)境條件下保證光學(xué)元件的形狀精度和位置精度。形狀精度簡(jiǎn)單講就是光學(xué)元件的無(wú)應(yīng)力支撐技術(shù)，而位置精度就是光機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需要重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)方案、材料選型、裝配方案、檢測(cè)手段等內(nèi)容，以保證滿足光學(xué)設(shè)計(jì)師提出的公差要求和檢測(cè)需求。
六、仿真分析
在完成光機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)后，儀器的主要零件的材料、結(jié)構(gòu)形式都已經(jīng)或基本確定，這是就需要分析該設(shè)計(jì)在規(guī)定環(huán)境中的力、熱特性，計(jì)算機(jī)仿真是分析儀器屏幕樣機(jī)性能、暴露初始設(shè)計(jì)缺陷的有力手段。
仿真的手段是“仿”，關(guān)鍵是要“真”，除了嫻熟運(yùn)用分析軟件，需要分析人員對(duì)儀器的功能、性能有足夠的認(rèn)識(shí)，在模型前處理、邊界條件確定、仿真結(jié)果處理等方面則需要豐富的工程經(jīng)驗(yàn)作為支撐，才能為設(shè)計(jì)人員提供切實(shí)可行的分析結(jié)果和合理化的建議。
七、設(shè)計(jì)審查
設(shè)計(jì)審查是光學(xué)儀器設(shè)計(jì)工作的總結(jié)也是樣機(jī)試制前的狀態(tài)確認(rèn)過程，一般由該領(lǐng)域的專家或經(jīng)驗(yàn)豐富的工程人員參與，相關(guān)人員主要完成以下工作：
1）技術(shù)主管——匯報(bào)需求分析和方案設(shè)計(jì)情況，對(duì)總體方案的可行性負(fù)責(zé)；
2）工藝師——匯報(bào)儀器涉及到的關(guān)鍵工藝及落實(shí)情況，對(duì)工藝可行性負(fù)責(zé)；
3）光學(xué)設(shè)計(jì)師——匯報(bào)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況，對(duì)指標(biāo)滿足度、公差魯棒性負(fù)責(zé)；
4）光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師——匯報(bào)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，對(duì)指標(biāo)滿足度、結(jié)構(gòu)合理性負(fù)責(zé)；
5）仿真分析師——匯報(bào)屏幕樣機(jī)的仿真分析情況，對(duì)仿真結(jié)構(gòu)的真實(shí)性負(fù)責(zé)。
6）項(xiàng)目經(jīng)理——總結(jié)相關(guān)人員的工作成果，給出審查結(jié)論，制定下一步計(jì)劃。
八、樣機(jī)試制
樣機(jī)試制是將設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)榈漠a(chǎn)品樣機(jī)的過程。一個(gè)好的設(shè)計(jì)如果只停留在屏幕樣機(jī)階段，沒有被加工成產(chǎn)品，就不能證明該項(xiàng)設(shè)計(jì)的正確性。此外，樣機(jī)研制還包括對(duì)設(shè)計(jì)方案的加工工藝性、裝配工藝性、可維護(hù)性等指標(biāo)的驗(yàn)證。
九、最終產(chǎn)品評(píng)估
對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行檢測(cè)是產(chǎn)品最終評(píng)估的主要工作內(nèi)容，常被看作是檢驗(yàn)一個(gè)新設(shè)計(jì)合理性的重要方法。如果測(cè)試結(jié)果真實(shí)可靠，不僅會(huì)給設(shè)計(jì)師提供最直接的產(chǎn)品狀態(tài)信息，還能為項(xiàng)目主管的決策提供技術(shù)支持，也是產(chǎn)品定型的重要判據(jù)。
在樣機(jī)測(cè)試階段出現(xiàn)的任何問題，均可通過重新設(shè)計(jì)、補(bǔ)救優(yōu)化設(shè)計(jì)或者組件級(jí)替換解決，但新的方案必須再次通過最終測(cè)試才算完成最終產(chǎn)品評(píng)估。
十、技術(shù)歸檔
研制過程最后一步就是盡可能完成地機(jī)理產(chǎn)品信息，包括設(shè)計(jì)、分析、生產(chǎn)、測(cè)試等。設(shè)計(jì)文件、工程圖樣、生產(chǎn)圖樣、CAD、CAE和CAM文件等產(chǎn)品研制全周期內(nèi)的相關(guān)文件（技術(shù)要求、程序、分析報(bào)告和測(cè)試數(shù)據(jù)等）均應(yīng)該整理、歸檔。
由此可見，光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，都會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)和質(zhì)量不受控。所以，對(duì)于高檔光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制，選擇合格的委托方至關(guān)重要！！！
