光學(xué)鏡頭光學(xué)機(jī)械一體化CAD軟件設(shè)計(jì)的研究

李少偉

摘要 光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)過程中，因分開設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)部分及機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率比較低，且設(shè)計(jì)成本比較高，不利于光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)事業(yè)的良好發(fā)展。本文中采用一體化CAD軟件設(shè)計(jì)其光學(xué)設(shè)計(jì)部分及機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，有效的解決了傳統(tǒng)方法中存在的問題，促進(jìn)光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)鏡頭 CAD軟件 光學(xué)機(jī)械一體化

光學(xué)設(shè)計(jì)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)中的兩個(gè)組成部分，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為這兩部分分階段進(jìn)行，由于這兩項(xiàng)設(shè)計(jì)所屬學(xué)科不同，導(dǎo)致較多問題出現(xiàn)在二者交接過程中，增加設(shè)計(jì)更改難度，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。近年來，現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段越來越豐富，光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)的這兩部分內(nèi)容也分別采用了計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)（CAOD）與計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)（CAMD），但目前仍不存在集合二者的軟件，因此，本文即分析了設(shè)計(jì)光學(xué)機(jī)械一體化CAD軟件的方法，旨在提升光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)的速度及質(zhì)量。

1光學(xué)鏡頭光學(xué)機(jī)械一體化概述

設(shè)計(jì)光學(xué)鏡頭時(shí)，光學(xué)設(shè)計(jì)人員先將光學(xué)系統(tǒng)初始參數(shù)輸入到CAOD系統(tǒng)中，將光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)鏡面的位置計(jì)算出來，同時(shí)，以光學(xué)系統(tǒng)相差計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，開展像質(zhì)評(píng)價(jià)、優(yōu)化處理等項(xiàng)工作，至此，光學(xué)設(shè)計(jì)與計(jì)算完成；隨后，按照光學(xué)設(shè)計(jì)要求，利用CAMD系統(tǒng)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)形式的選擇，并將光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，完成鏡頭結(jié)構(gòu)零部件的計(jì)算繪制工作；最后，工藝處理在計(jì)算機(jī)輔助工藝軟件（CAPP）中完成。上述設(shè)計(jì)過程中，光學(xué)設(shè)計(jì)中的像質(zhì)評(píng)價(jià)、機(jī)械設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)等均利用CAD軟件進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一體化。

2光學(xué)鏡頭光學(xué)機(jī)械一體化CAD軟件設(shè)計(jì)

2.1光學(xué)CAD軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)光學(xué)CAD軟件時(shí)，基礎(chǔ)為模塊結(jié)構(gòu)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用其中，光學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)建、光線追跡、像差計(jì)算等均為主要的程序。光學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)建后，人機(jī)交互功能可較強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)，入瞳、像面距離等光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)均能夠便捷的輸入；創(chuàng)建光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件后，光路圖繪制的實(shí)現(xiàn)方法為光線追跡，先將光線設(shè)定參數(shù)選定，之后對(duì)每條光線具體的類型做出確定；共軸系統(tǒng)中，球面與非球面會(huì)存在像差，各類像差計(jì)算即選擇像差計(jì)算，得到結(jié)果后，像差曲線圖、光路追跡等均可被顯示出來，同時(shí)，利用打印機(jī)，可實(shí)現(xiàn)打印輸出；設(shè)計(jì)變焦距光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，焦距的改變主要由透鏡沿著光軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通常，像面與位移相伴隨，為保證像面穩(wěn)定，需對(duì)像移做出補(bǔ)償，機(jī)械補(bǔ)償法為較常用的方法，如圖1；光學(xué)設(shè)計(jì)變焦距鏡頭過程中，設(shè)計(jì)參數(shù)確定依據(jù)為使用要求，方程式求解時(shí)，以初級(jí)像差、高斯光學(xué)計(jì)算公式為依據(jù)，通過阻尼最小二乘法求極小值法，將阻尼方程解求出，最終，使CAD設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)；像質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)計(jì)算評(píng)價(jià)成像質(zhì)量時(shí)，以“光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）為參照”，利用自相關(guān)積分法將OTF計(jì)算出來，包含子午OTF與相互垂直弧矢OTF兩種，由帕瑟伐爾定律可知，光瞳函數(shù)自相關(guān)積分函數(shù)的表示即為OTF，利用光瞳坐標(biāo)、波差函數(shù)等相關(guān)參數(shù)，可將自相關(guān)積分函數(shù)計(jì)算出來。

2.2模型化公式程序模塊數(shù)據(jù)庫(kù)

光學(xué)機(jī)械一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制采用計(jì)算機(jī)程序，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，完成編程。設(shè)計(jì)時(shí)，使用的數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含三種，第一種為零部件數(shù)學(xué)模型程序，第二種為裝配圖模型程序，第三種為有關(guān)處理函數(shù)庫(kù)程序。為使前兩種數(shù)據(jù)庫(kù)容量減少，應(yīng)根據(jù)繪圖需求，將部分參數(shù)化基本實(shí)體建立起來，如點(diǎn)函數(shù)、線函數(shù)，再以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為參照，進(jìn)行尺寸標(biāo)準(zhǔn)等函數(shù)庫(kù)的編制，同時(shí)，為保證系統(tǒng)獨(dú)立程序模塊能夠共享上述數(shù)據(jù)庫(kù)，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。結(jié)合光學(xué)鏡頭實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，公式化所選鏡頭機(jī)械零部件，再根據(jù)相應(yīng)要求，理論分析零部件設(shè)計(jì)。

2.3自動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

程序設(shè)計(jì)過程中，編程采用VC++語(yǔ)言，接口程序采用CAD系統(tǒng)與Windows函數(shù)所提供的，以能有效的連接光學(xué)程序、機(jī)械結(jié)構(gòu)程序及CAD軟件，同時(shí)，各部分?jǐn)?shù)據(jù)通信利用多數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)功能，模塊主要分為四種：

（1）模型化公式程序模塊數(shù)據(jù)庫(kù)，在公式化程序中，單元選擇為零部件圖與裝配圖，完成程序的編制，模型化模塊數(shù)據(jù)庫(kù)建立時(shí)，數(shù)據(jù)格式為DXF；

（2）讀出或輸入?yún)?shù)，對(duì)話框功能為VC++語(yǔ)言具備的功能之一，利用此功能，完成光學(xué)結(jié)構(gòu)的選取，將需求的參數(shù)讀出，或需求參數(shù)經(jīng)對(duì)話框輸入；

（3）零部件與裝配圖自動(dòng)生成，在該系統(tǒng)中，因己經(jīng)模型化功公式程序全部的機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件，參數(shù)給定且調(diào)用參數(shù)后，零部件與裝配圖均能夠立即自動(dòng)生成，而且能夠存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)后，或利用相應(yīng)的儀器輸出；

（4）零部件及裝配圖編輯原理，在CAD軟件中，接口種類及功能均比較多，對(duì)CAD軟件主菜單文件作出修改，以文件夾形式，向CAD軟件中嵌入所有可運(yùn)行的程序，通過CAD軟件的所有功能，達(dá)到修改、編輯零部件與裝配圖的目的。

3結(jié)論

通過設(shè)計(jì)CAD軟件，有利于實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)光學(xué)鏡頭的光學(xué)程序與機(jī)械結(jié)構(gòu)程序，有效的連接這兩部分設(shè)計(jì)工作，解決傳統(tǒng)分階段設(shè)計(jì)中存在的不足之處，提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，促進(jìn)光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)事業(yè)向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。但由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，用戶具體的使用要求也存在差異，還應(yīng)進(jìn)一步的深化研究，以能與各用戶需求相適應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃金龍，蕭澤新.光學(xué)儀器照明CAD軟件設(shè)計(jì)[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2017（01）：57-60.

[2]姜俊海，石玉祥.光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中鏡頭結(jié)構(gòu)的特征描述[J].精密制造與自動(dòng)化，2015（04）：8-10.endprint