ZEMAX | 典型照明系統設計周期的概述

宇熠科技

2021年12月23日 17:42

本課程概述了典型照明系統的設計周期。您將學習照明設計中的各個步驟，使您可以在設計時即節省時間又能避免關鍵性的錯誤。本課是照明學習路徑的重要內容。

引言：為什么理解設計周期對光學設計者來說非常重要？

設計周期是說明光學設計各個步驟的指南。通過認識設計周期中的不同步驟，可以了解每個步驟的目標，這樣我們就可以知道在適當的時候該做的確切任務，并且可以在設計進行的過程中預測未來的任務。有了堅定的指導方針，在設計過程中就不會有意外，我們甚至可以對未來的步驟采取先發制人的行動，因為我們可以預見到潛在的問題。

讓我們來看看典型的照明設計周期，即設計照明系統的各個步驟。

設計周期是鏡頭設計的指南

在光學系統中，更具體地說是在照明系統中，從設計到制造有許多步驟。下圖為照明設計過程中需要的不同步驟的路線圖。這些步驟主要可以分為兩組：設計階段和制造階段。

ZEMAX | 典型照明系統設計周期的概述的圖1

對上述設計周期的觀察表明，在設計階段存在迭代，但是迭代包含在設計階段中。請注意，制造部分具有返回設計階段的迭代路徑。這一步驟的返回意味著在加工制造過程中，我們可能會遇到問題，即由于我們沒有考慮到關鍵的公差參數，導致基礎設計不適合加工。很容易看出，通過在設計周期的早期就涵蓋到我們的步驟，就可以避免頻繁的迭代。如果關鍵的迭代將返回至設計初期的階段，可能會導致時間上的損失，從而導致項目延遲。

讓我們看看上圖中設計周期中的每個步驟，并將其分解。

設計階段

概念：在這一步確定系統中的相關概念。這意味著確定了光學系統的可能性、規格要求（或系統目標）以及系統類型。如果光學元件受整個系統中其他較大目標的控制，則此步驟可能不需要光學設計者的參與。例如，手電筒中的光學器件的體積受到嚴格限制。另一個例子，汽車前大燈的光學要求是法律規定的。
基線：在基線中，確定了系統的效率、光線分布、色度特性、系統成本以及系統的體積或尺寸。此外，還進行了étendue 分析，以評估需要使用什么樣的光源才能達到技術指標要求。在此時做預先的公差分析來揭示系統中最常見的敏感公差是很好的做法。這種預先的公差分析可以顯著地減少在公差階段后期可能出現的制造問題，也潛在地縮短了產品成功發布的時間。也許與直覺相反，在這個階段花點時間進行公差分析會節省我們總體花費的時間。
文獻：光學設計師會研究與項目有關的文獻來幫助自己實現項目的最終目標。可以在這一步確定光學系統的關鍵點。例如：此項目更適合用反射式還是折射式光學系統。通常情況下，有過類似系統經驗的光學設計師會跳過這一步。
初步研究：此步驟可用于找出能夠達到規格要求的最有效的光學系統。通常的做法是測試多個光學系統的多個光學結構來比較光學系統是否已經確定。這一步是系統的初步設計，只使用光源和鏡頭。當這一步完成后，此設計的光學結構就確定了，選擇的設計路徑也更加具體了。
設計：這是設計過程的核心，在此步驟優化最關鍵的光學參數。同時，在此階段確定了公差參數。在這一步的最后，光學設計目標應該得到滿足，盡管光學系統還未進行公差分析。
優化：優化步驟就是引入進一步的優化，以考慮到光學系統的擾動，提高光學設計的性能。此步驟是對前一步的改進，優化參數在此步驟中沒有區別。在這一步的最后，未進行公差分析的光學系統性能將超過設計規格要求。一般情況下，未進行公差分析的系統性能必須超過設計規格要求，因為在樣機研究和制造階段將引入系統參數的變化，從而降低（而不是提升）光學系統的性能。

制造階段

公差分析：公差分析步驟是設計階段和制造階段的重疊，因為它是鏡頭設計的最后一步，又是將光學公差傳遞到制造階段的第一步。從設計角度出發，在設計步驟中確定關鍵的公差分析參數。重點研究的兩個方面是敏感度公差分析和蒙特卡羅公差分析。在靈敏度分析中，對各公差參數的光學性能進行擾動，并對系統的各項性能進行分析。在蒙特卡羅分析中，對所有參數添加隨機擾動并分析統計結果。蒙特卡羅分析參數的設置是保證統計結果能夠反映實際制造誤差的關鍵。不幸的是，這一步經常被忽略，要么是由于時間限制，要么是缺乏經驗，要么是照明系統與成像系統的數據化分析（如MTF）相比過于抽象。然而，對這一步的忽略往往是導致制造的照明系統不符合光學規格要求的主要原因。
制造：將照明系統的光學元件和非光學元件繪制成3D或2D CAD布局圖，完成整個光學系統。每個組件都將被制造、組裝完成。

測試：測試有兩種類型，即兩個測試子集。并具有兩種測試類型，其中一種是機械測量，另一種是功能測量。測試的一個子集是元件的測試，另一個子集是整個系統的測試。因此，在照明系統中可能需要四個全面的測試步驟。

測試檢查		子集
測試檢查		元件	系統
類型	機械	需要測試？	需要測試？
類型	功能	需要測試？	需要測試？

非球面透鏡形狀的測量可以作為機械元件測量的示例，而系統中某一個透鏡焦距的測量可以作為功能元件測量的示例。整個鏡頭的對準測量可以作為機械系統測量的示例，而整個光學系統的光學性能的測量可以作為功能系統測量的示例。通常情況下，最關鍵的測量是整個系統的光學功能測量，如果這滿足了需求目標，就不需要修改任何內容。然而，通常情況下，完成的系統并不能滿足期望的目標，為了找出問題所在，需要進行單獨的元件測量。請注意，徹底的公差分析非常有助于發現誤差。

雖然上述的設計循環是典型的照明設計循環，但是由于照明設計的復雜性，實際中可能需要更少的步驟，也可能需要更多的步驟。照明系統的復雜性會增加步驟的數量，因為可能會有更復雜的公差分析步驟和測試步驟。光學設計師的經驗可以減少步驟的數量，因為有經驗的光學設計師可以迅速完成概念、基線、文獻和初步研究。光學要求的難度可能會增加步驟的數量，因為在優化步驟和公差分析步驟中可能會有多次迭代存在。

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