光機系統(tǒng)設(shè)計
光學(xué)鏡頭是最具代表性的光學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用在機器視覺、測量檢測、安防監(jiān)控、目標遙感、天文觀測等多個領(lǐng)域，本文將簡要介紹光學(xué)鏡頭光機設(shè)計的一般過程，以及需要重點關(guān)注的注意事項。
光學(xué)鏡頭的研制一般包括以下幾個階段：
一、需求分析
任何一臺光學(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。需求分析看似簡單但非常重要，但直接影響鏡頭的性能指標確定、總體方案設(shè)計以及功能滿足程度。
二、指標約束
指標約束包括技術(shù)性能指標和設(shè)計約束兩方面，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)計約束指用戶提出的各項限制條件，如尺寸、重量、布局、使用環(huán)境、接口等。
指標約束是設(shè)計的輸入條件，也是產(chǎn)品檢驗合格與否的判據(jù)，一般以會簽文件的形式確立。在設(shè)計之初確定指標合理、指標全面的指標約束可以避免后期出現(xiàn)反復(fù)，降低研制風(fēng)險和研制周期。
三、方案設(shè)計
方案設(shè)計也叫概念設(shè)計，是根據(jù)需求分析和已確定的指標約束，從多個滿足功能需求的方案中遴選出最佳的方案。方案設(shè)計過程中，除了需要充分的調(diào)研外，設(shè)計師的工程經(jīng)驗扮演者重要的角色，一個合格的設(shè)計師可以從以往經(jīng)驗中獲知各個方案優(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)計一般會得到一個與系統(tǒng)主要部分有關(guān)的功能框圖。
對于光學(xué)鏡頭而言，需要根據(jù)用戶對諸如視場、焦距、放大倍率、相對孔徑、工作波段范圍、空間分辨率、能量分布等指標要求，確定選用的光學(xué)系統(tǒng)類型：透射式、反射式還是折返式？對于透射式系統(tǒng)，需要重點考慮結(jié)構(gòu)布局；對于反射式系統(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)計是一個多系統(tǒng)協(xié)同工作的過程，一般需要光、機、電工程師會同用戶多次溝通，特別對于復(fù)雜光學(xué)儀器耗時較長。
四、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
光學(xué)系統(tǒng)作為光學(xué)儀器核心子系統(tǒng)，在設(shè)計時除了需要根據(jù)需求分析時確定技術(shù)指標以及方案設(shè)計時確定的系統(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)計師的主要工作。
一個好的光學(xué)系統(tǒng)具有以下特征：結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、環(huán)境適應(yīng)性強、成本低廉。
1）簡單——顯然光學(xué)系統(tǒng)的簡易程度直接影響著光機結(jié)構(gòu)的簡易，影響著儀器的成本、資源消耗和可靠性。對于光學(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、裝配和測試工作；二是公差合理，在滿足性能指標要求的前提下，給出合理的公差要求，一個好的光學(xué)設(shè)計師絕對不允許靠無限提高加工、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)計師的設(shè)計水平和經(jīng)驗積累程度，也能大幅度降低儀器成本。
五、光機結(jié)構(gòu)設(shè)計
光機結(jié)構(gòu)設(shè)計的根本任務(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。形狀精度簡單講就是光學(xué)元件的無應(yīng)力支撐技術(shù)，而位置精度就是光機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
光機結(jié)構(gòu)設(shè)計師需要重點考慮結(jié)構(gòu)方案、材料選型、裝配方案、檢測手段等內(nèi)容，以保證滿足光學(xué)設(shè)計師提出的公差要求和檢測需求。
六、仿真分析
在完成光機機構(gòu)設(shè)計后，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)計在規(guī)定環(huán)境中的力、熱特性，計算機仿真是分析儀器屏幕樣機性能、暴露初始設(shè)計缺陷的有力手段。
仿真的手段是“仿”，關(guān)鍵是要“真”，除了嫻熟運用分析軟件，需要分析人員對儀器的功能、性能有足夠的認識，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)驗作為支撐，才能為設(shè)計人員提供切實可行的分析結(jié)果和合理化的建議。
七、設(shè)計審查
設(shè)計審查是光學(xué)儀器設(shè)計工作的總結(jié)也是樣機試制前的狀態(tài)確認過程，一般由該領(lǐng)域的專家或經(jīng)驗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——匯報需求分析和方案設(shè)計情況，對總體方案的可行性負責(zé)；
2）工藝師——匯報儀器涉及到的關(guān)鍵工藝及落實情況，對工藝可行性負責(zé)；
3）光學(xué)設(shè)計師——匯報光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計情況，對指標滿足度、公差魯棒性負責(zé)；
4）光機結(jié)構(gòu)設(shè)計師——匯報光機結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，對指標滿足度、結(jié)構(gòu)合理性負責(zé)；
5）仿真分析師——匯報屏幕樣機的仿真分析情況，對仿真結(jié)構(gòu)的真實性負責(zé)。
6）項目經(jīng)理——總結(jié)相關(guān)人員的工作成果，給出審查結(jié)論，制定下一步計劃。
八、樣機試制
樣機試制是將設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)榈漠a(chǎn)品樣機的過程。一個好的設(shè)計如果只停留在屏幕樣機階段，沒有被加工成產(chǎn)品，就不能證明該項設(shè)計的正確性。此外，樣機研制還包括對設(shè)計方案的加工工藝性、裝配工藝性、可維護性等指標的驗證。
九、最終產(chǎn)品評估
對產(chǎn)品樣機進行檢測是產(chǎn)品最終評估的主要工作內(nèi)容，常被看作是檢驗一個新設(shè)計合理性的重要方法。如果測試結(jié)果真實可靠，不僅會給設(shè)計師提供最直接的產(chǎn)品狀態(tài)信息，還能為項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)。
在樣機測試階段出現(xiàn)的任何問題，均可通過重新設(shè)計、補救優(yōu)化設(shè)計或者組件級替換解決，但新的方案必須再次通過最終測試才算完成最終產(chǎn)品評估。
十、技術(shù)歸檔
研制過程最后一步就是盡可能完成地機理產(chǎn)品信息，包括設(shè)計、分析、生產(chǎn)、測試等。設(shè)計文件、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、分析報告和測試數(shù)據(jù)等）均應(yīng)該整理、歸檔。
由此可見，光機系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任何一個環(huán)節(jié)出了問題，都會影響最終產(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，對于高檔光機系統(tǒng)設(shè)計和樣機試制，選擇合格的委托方至關(guān)重要！！！
