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光機設計是光學設計的一個分支學科，其重點是將光學組件集成到用于固定或移動它們的機械結構中，同時最大限度地減少結構、動態和熱載荷對光學性能的影響。該學科是光學設計與機械設計的交叉領域，目標是生產可制造、低成本且可靠的光學器件。

其最終設計必須滿足各種要求，包括組件成本、制造成本和進度、裝配成本和進度、機械可靠性、維護工作量、尺寸、重量、包裝和運輸、易對準性和光學性能要求。

光機設計與在光學平臺上設計光學系統不同，后者的目標是對光學元件進行原型設計或探索光學科學的新領域，而光機設計專注于產品（使用場景是在光學實驗室之外的廣泛領域）的機械部分，這些產品通常面向的是光學工程師或研究人員以外的用戶群體。從智能手機中的攝像頭到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡中的反射鏡和透鏡，所有這一切都需要廣泛的光機設計，以確保整個產品滿足或超越其設計目標。

光機設計的五個步驟

使用Ansys Zemax OpticStudio光學系統設計與分析軟件等工具定義和表征光學器件的光路徑后，就可以將光學幾何結構作為起點，開展光機設計流程。 

每個光學器件都有不同的要求和設計步驟，但大多可歸類到以下五個類別之一：

1.材料選擇

第一步是確定系統中每個光學和機械部件所用的制造材料。透鏡可以由玻璃或聚合物制成，而反射鏡和機械組件則有多種材料選擇。 

由于熱膨脹系數的差異可能導致對準、應力和機械疲勞問題，因此，選擇具有相似熱膨脹系數（CTE）的材料至關重要。鋁和不銹鋼是結構組件的常用材料。玻璃或碳填充聚合物可以提供類似的屬性，并且重量較輕，而復合材料則可以提供極高的剛度和較低的CTE。即使使用現成的組件，設計工程師也必須了解其子裝配體中使用的材料。

確定基礎材料后，工程師需要指定要應用的后處理。材料后處理可以是涂層、陽極氧化、表面處理或熱處理，每一步都會影響處理部件的機械和光學特性。

另一個需要在材料選擇中考慮的因素，是設計中使用的粘合劑和緊固件的材料。緊固件與其連接的材料之間出現的熱不匹配，可能會導致顯著的載荷。錯誤的粘合劑可能會產生氣體，這些氣體會覆蓋光學表面；如果粘合劑的強度不足以滿足應用需求，則其所固定的透鏡可能會發生錯位。

2.結構設計

光學設計要正常運行，光路徑中的組件就需要保持其標稱方向和位置。光機設計師必須確定哪些機械組件最適合固定各光學組件，以及如何將機械結構連接起來以形成裝配體。公差在這一步驟中起著至關重要的作用。 

此外，在操作過程中，如果任何光學特性需要受控移動，則必須選擇和設計驅動機制。標準的驅動方法包括引線和球頭螺釘、精密螺紋接口、音圈和螺線管。精密齒輪、凸輪和電機也可以作為驅動裝置的一部分。在自適應光學中，通常通過機械致動器使反射鏡變形，以改變其光學屬性，從而校正光學像差。 

大多數構成結構設計的部件都是用于固定或移動光學元件的，但有些部件還能保護光學元件免受污染、熱載荷和不必要的外部光線的影響。比如，鏡筒、擋板和外殼是用于保護光學路徑的典型組件。

在這部分設計流程中，重量和尺寸因素也發揮著至關重要的作用。結構設計工作，從光學組件的位置以及設備必須適應的包絡范圍/空間邊界（包括質量）開始。工程師以力、加速度和溫度變化的形式評估外部載荷，以了解每個組件可能移動或變形的程度，并確保結構不會永久變形或斷裂。此外，他們還會修改設計，以隔離灰塵、化學品、水分和光線等不必要的污染物。 

結構設計的另一部分工作是熱管理。激光等光源通常會產生熱量，而傳感器通常具有非常特定的工作溫度范圍，這些組件都必須保持在允許的溫度范圍內，因此有時需要被動、主動和低溫冷卻。

3.透鏡-安裝接口設計

設計團隊在決定如何固定或定位光學元件后，必須定義如何將每個透鏡連接到結構。光學透鏡安裝設計是一個獨特的機械問題，需要采用經過驗證的方法來處理。諸如固定環、卡簧、間隔環、環法蘭和邊緣安裝件等捕捉裝置都各有優缺點，而工程師必須了解每種方法的載荷、成本和光學公差，才能選擇正確的方法。 

透鏡-安裝接口設計工作，通常是透鏡設計師與機械工程師之間的交互過程。這是因為許多安裝方案都取決于透鏡的曲率和拋光精度光學表面，以固定透鏡的軸向位置，并防止其脫離光軸。 

每個表面的高精度，使得精確定位成為可能。經過加工的邊緣或斜面的公差范圍較寬，因此不太適合用于固定透鏡。在某些設計中，適合采用彈性體或粘合劑作為透鏡和支撐硬件之間的接口。

卡簧技術

用彈性體固定透鏡

固定焦點目鏡示例

4.其他光學組件接口設計

有效的設計，還包括為透鏡以外的組件定義光機接口。光源和探測器是光路徑的重要組成部分，其相對于其他組件的位置至關重要。它們通常安裝在印刷電路板（PCB）上或位于自己的外殼中，因此工程師需要了解其安裝要求并相應地調整設計。

透鏡是薄圓柱體，反射鏡和棱鏡可以是各種形狀，這些因素決定了工程師固定它們的方案。反射鏡特別容易受到變形的影響，因此需要通過有效的安裝方案來避免反射鏡彎曲；而棱鏡通常體積較大，并且對其光學表面與光軸的角度非常敏感。夾具和螺釘，以及粘合劑或彈性體，都是此類組件的常見安裝方案。

5.兼顧成本、可制造性、裝配和光學對準的設計

最后一類設計任務，是了解各種設計解決方案的成本，它們如何影響光學系統的可制造性、裝配流程，以及了解如何對準光學組件。所有這些因素，都會影響使用光學系統的產品的整體商業可行性。

該團隊應與制造和質量工程師合作，不僅要降低裝配體中每個部件的成本，而且還要創建以自動化且可重復的方式清理、裝配、對準和固定光學組件位置的初步流程。此外，將設計導出到PanDao，有助于在設計階段確定最佳制造鏈和供應商，從而確保具有成本效益且可制造的解決方案。

光機學在光學設計流程中的作用

對于大型項目，機械、光學和光機工程師團隊會通力合作，將光學機械集成到設計流程中。在較小的團隊中，工程師必須采取多學科方法，并了解光學和機械行為。

光學系統（包括光學機械）的典型設計流程可分為以下幾個步驟：

光學設計

第一步是優化系統中的光學組件，例如透鏡、反射鏡、棱鏡、光源和探測器。在這一步中，工程師會確定每個光學組件的屬性、形狀、位置和相對位置。然后，他們計算光學性能，預測光線在穿過光學元件時如何變化，并改變幾何結構和位置，直至光學性能滿足設計要求。

光機系統設計

整體光機設計側重于設計用于固定這些組件的結構，如果在運行過程中需要驅動這些組件，則需要控制其機械運動，或保護其免受外部環境和雜散光的影響。光機設計團隊還致力于計算和盡量降低成本，最大限度地提高可制造性，并考慮裝配和對準需求。

光機載荷與響應

然后，工程師確定并施加環境載荷，例如重力、溫度變化、振動、加速度以及在裝配和運行過程中產生的力。接著，他們計算機械結構的偏移情況，以及光學組件如何變形或從標稱位置移動。

評估對光學設計的影響

然后，基于變形或位移的光學組件，重新評估光學性能，以確定性能是否仍在可接受的范圍內。

在光學與光機設計之間反復迭代

如果最終的光學性能未能達到預期的標準，工程師就會在光學和光機設計之間來回迭代，直到成本和光學性能符合要求為止。該過程中，準確及時的仿真、有意義的測試數據以及不同學科之間的清晰信息交流有助于提高迭代的有效性和效率。

應對光機領域的挑戰

在確保光學系統性能達到可接受標準的前提下，必須盡量減少每個設計方案對資金和時間安排的影響；而實現這一目標，是光機設計的根本挑戰。

在可以手動創建和修改實驗電路板的實驗室場景中，光學設計考慮因素占主導地位。然而，當將其置于產品中時，工程師在推動設計成為最佳解決方案的過程中，必須考慮和權衡相互沖突的要求。成功的團隊會將穩健的設計流程與仿真相結合，來克服這些挑戰。

協作、多學科和迭代設計流程

該行業發展出了光機學這一分支學科，以滿足對更具迭代性和多學科設計流程的需求。在引入該學科之前，光學工程師會開發光學設計，然后將其發送給機械工程團隊，以了解如何固定、移動和保護光學元件。這種脫節的方法通常會導致設計不符合光學規范，或者在設計流程后期進行成本高昂的修復。

為了解決這個問題，各公司會組建由工程師組成的多學科團隊，這些工程師了解光學系統獨特的機械方面以及光學基礎知識，以便在制定設計決策時同時考慮這兩個領域。清晰、頻繁和簡潔的信息溝通是任何跨學科團隊取得成功的重要基礎。

此外，設計流程必須是迭代的，以便對兩個領域的設計變更進行評估。同時，必須具備相應的工具，使幾何結構和公差信息能夠在不同學科之間來回傳遞。光學系統設計通常遵循標準的概念、初步和最終設計階段流程，并且在每個步驟都會進行迭代。高效的團隊可以利用仿真、原型設計、測試、設計審核和規范的工程文檔，在設計流程的早期發現和解決問題。

仿真驅動光機設計

光學仿真和機械仿真，在應對和克服光機挑戰方面都發揮著重要作用。通過創建設計的虛擬表示，工程師能夠從光學和機械的角度快速了解設計的性能，以及兩者的相互作用。

光機設計的典型仿真工作流程是，從光學仿真中獲取幾何結構，并將其傳遞給機械設計工具，以指定安裝和外殼設計。

過程中，工程師會使用結構、運動學、計算流體力學（CFD）和熱仿真軟件包，例如Ansys Mechanical結構有限元分析軟件，該軟件利用有限元分析（FEA）方法對機械設計的各個方面進行仿真。他們施加力、加速度、沖擊、振動和溫度變化等環境載荷，并計算裝配體的響應情況。

對系統在載荷情況下的行為進行仿真評估后，工程師會將得到的物理變形和計算的公差傳回光學仿真工具，由光學工程師運行仿真并檢查，以確定光學性能是否在可接受的范圍內。

利用Zemax OpticStudio這樣的工具進行組件級設計，可實現更高效的仿真工作流程。該工具可直接與機械CAD集成，并通過集成工作流程，將越來越多的光機設計與仿真功能納入光學設計軟件本身。Zemax OpticStudio Enterprise通過集成的多物理場載荷、擬合和可視化工具，將此工作流程提升到全新水平。

工程師還可以利用系統級光學設計和驗證工具，如Ansys Speos CAD集成光學和照明仿真軟件，來評估其他光學機械考慮因素。Speos軟件可以評估機械組件反射的雜散光、光機組件阻擋光線，或漸暈效應（即光束路徑周邊的飽和度或亮度變暗），其系統級驗證功能，還可以查看探測器上焦點的質量和形狀以及光斑尺寸。

光學機械的未來

近年來，隨著光學系統在眾多行業中被廣泛應用，光學機械也在迅速發展。這些行業需要將多個攝像頭和其他傳感器用于：

• 消費類產品
• 醫療設備
• 攝影
• 計量
• 光通信
• 制造自動化
• 物聯網（IoT）
• 地球觀測
• 航空航天與國防應用
• 汽車傳感器
• 自動駕駛系統的激光雷達和光學攝像頭
• 科學儀器
• 天文學

制造方法的新進展、材料科學的改進、微型化以及更強大的計算資源（能夠處理和存儲光學信息）在推動光學機械應用不斷擴展，

所有這些變化，也都在推動著光機領域發展。以下是工程師應了解并為之做好準備的一些趨勢：

持續微型化

材料和制造工藝的發展，正在推動光學組件及支撐它們的光機組件的尺寸不斷縮小。隨著部件尺寸越來越小，結構組件的復雜性和精度必須提高。

同時，更小的設計也使其對溫度變化更敏感。微型化還使得物理測試變得更加困難，從而增加了利用仿真對光機設計進行虛擬原型設計的需求。

自適應光學的發展

主動改變透鏡和反射鏡的形狀，從而改變其光學屬性，是一種有前景的方法，可以補償由機械和熱載荷引起的變形。為了實現這些實時調整，需要將出色的控制軟件與快速準確的機電驅動相結合。

正確設計有效且低成本的自適應光學元件依賴于經過驗證的光學設計流程，其中包括強大的光機工作流程。

增材制造

增材制造（AM）也稱為3D打印，為光機工程師提供了新的設計自由度，使其能夠創建復雜的幾何結構，從而顯著提高機械魯棒性和熱管理能力。

利用增材制造技術，能夠將復雜組件作為單個部件創建，或將冷卻功能集成到結構中。現代增材制造系統可以創建高精度的金屬、聚合物和碳填充聚合物部件。

更嚴苛的運行環境

光學系統應用的增長，還意味著光學儀器會需要在更惡劣的環境中運行。由于設備不再處于受控環境中，因此溫度變化和載荷在不斷增加。

自動駕駛汽車中的光學應用就是一個良好例證。汽車設計師正在增加更多攝像頭和激光雷達傳感器，這些設備需要承受劇烈振動和極端溫度。