本課程概述了典型照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。您將學(xué)習(xí)照明設(shè)計(jì)中的各個(gè)步驟，使您可以在設(shè)計(jì)時(shí)即節(jié)省時(shí)間又能避免關(guān)鍵性的錯(cuò)誤。本課是照明學(xué)習(xí)路徑的重要內(nèi)容。

引言：為什么理解設(shè)計(jì)周期對光學(xué)設(shè)計(jì)者來說非常重要？

設(shè)計(jì)周期是說明光學(xué)設(shè)計(jì)各個(gè)步驟的指南。通過認(rèn)識設(shè)計(jì)周期中的不同步驟，可以了解每個(gè)步驟的目標(biāo)，這樣我們就可以知道在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候該做的確切任務(wù)，并且可以在設(shè)計(jì)進(jìn)行的過程中預(yù)測未來的任務(wù)。有了堅(jiān)定的指導(dǎo)方針，在設(shè)計(jì)過程中就不會(huì)有意外，我們甚至可以對未來的步驟采取先發(fā)制人的行動(dòng)，因?yàn)槲覀兛梢灶A(yù)見到潛在的問題。

讓我們來看看典型的照明設(shè)計(jì)周期，即設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的各個(gè)步驟。

設(shè)計(jì)周期是鏡頭設(shè)計(jì)的指南

在光學(xué)系統(tǒng)中，更具體地說是在照明系統(tǒng)中，從設(shè)計(jì)到制造有許多步驟。下圖為照明設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)階段和制造階段。

對上述設(shè)計(jì)周期的觀察表明，在設(shè)計(jì)階段存在迭代，但是迭代包含在設(shè)計(jì)階段中。請注意，制造部分具有返回設(shè)計(jì)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(huì)遇到問題，即由于我們沒有考慮到關(guān)鍵的公差參數(shù)，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不適合加工。很容易看出，通過在設(shè)計(jì)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(guān)鍵的迭代將返回至設(shè)計(jì)初期的階段，可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)間上的損失，從而導(dǎo)致項(xiàng)目延遲。

讓我們看看上圖中設(shè)計(jì)周期中的每個(gè)步驟，并將其分解。

設(shè)計(jì)階段

· 概念：在這一步確定系統(tǒng)中的相關(guān)概念。這意味著確定了光學(xué)系統(tǒng)的可能性、規(guī)格要求（或系統(tǒng)目標(biāo)）以及系統(tǒng)類型。如果光學(xué)元件受整個(gè)系統(tǒng)中其他較大目標(biāo)的控制，則此步驟可能不需要光學(xué)設(shè)計(jì)者的參與。例如，手電筒中的光學(xué)器件的體積受到嚴(yán)格限制。另一個(gè)例子，汽車前大燈的光學(xué)要求是法律規(guī)定的。

· 基線：在基線中，確定了系統(tǒng)的效率、光線分布、色度特性、系統(tǒng)成本以及系統(tǒng)的體積或尺寸。此外，還進(jìn)行了étendue 分析，以評估需要使用什么樣的光源才能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。在此時(shí)做預(yù)先的公差分析來揭示系統(tǒng)中最常見的敏感公差是很好的做法。這種預(yù)先的公差分析可以顯著地減少在公差階段后期可能出現(xiàn)的制造問題，也潛在地縮短了產(chǎn)品成功發(fā)布的時(shí)間。也許與直覺相反，在這個(gè)階段花點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行公差分析會(huì)節(jié)省我們總體花費(fèi)的時(shí)間。

· 文獻(xiàn)：光學(xué)設(shè)計(jì)師會(huì)研究與項(xiàng)目有關(guān)的文獻(xiàn)來幫助自己實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的最終目標(biāo)?？梢栽谶@一步確定光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)。例如：此項(xiàng)目更適合用反射式還是折射式光學(xué)系統(tǒng)。通常情況下，有過類似系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的光學(xué)設(shè)計(jì)師會(huì)跳過這一步。

· 初步研究：此步驟可用于找出能夠達(dá)到規(guī)格要求的最有效的光學(xué)系統(tǒng)。通常的做法是測試多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的多個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)來比較光學(xué)系統(tǒng)是否已經(jīng)確定。這一步是系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，只使用光源和鏡頭。當(dāng)這一步完成后，此設(shè)計(jì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)就確定了，選擇的設(shè)計(jì)路徑也更加具體了。

· 設(shè)計(jì)：這是設(shè)計(jì)過程的核心，在此步驟優(yōu)化最關(guān)鍵的光學(xué)參數(shù)。同時(shí)，在此階段確定了公差參數(shù)。在這一步的最后，光學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)該得到滿足，盡管光學(xué)系統(tǒng)還未進(jìn)行公差分析。

· 優(yōu)化：優(yōu)化步驟就是引入進(jìn)一步的優(yōu)化，以考慮到光學(xué)系統(tǒng)的擾動(dòng)，提高光學(xué)設(shè)計(jì)的性能。此步驟是對前一步的改進(jìn)，優(yōu)化參數(shù)在此步驟中沒有區(qū)別。在這一步的最后，未進(jìn)行公差分析的光學(xué)系統(tǒng)性能將超過設(shè)計(jì)規(guī)格要求。一般情況下，未進(jìn)行公差分析的系統(tǒng)性能必須超過設(shè)計(jì)規(guī)格要求，因?yàn)樵跇訖C(jī)研究和制造階段將引入系統(tǒng)參數(shù)的變化，從而降低（而不是提升）光學(xué)系統(tǒng)的性能。

制造階段

· 公差分析：公差分析步驟是設(shè)計(jì)階段和制造階段的重疊，因?yàn)樗晴R頭設(shè)計(jì)的最后一步，又是將光學(xué)公差傳遞到制造階段的第一步。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)步驟中確定關(guān)鍵的公差分析參數(shù)。重點(diǎn)研究的兩個(gè)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(shù)的光學(xué)性能進(jìn)行擾動(dòng)，并對系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析。在蒙特卡羅分析中，對所有參數(shù)添加隨機(jī)擾動(dòng)并分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果。蒙特卡羅分析參數(shù)的設(shè)置是保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠反映實(shí)際制造誤差的關(guān)鍵。不幸的是，這一步經(jīng)常被忽略，要么是由于時(shí)間限制，要么是缺乏經(jīng)驗(yàn)，要么是照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化分析（如MTF）相比過于抽象。然而，對這一步的忽略往往是導(dǎo)致制造的照明系統(tǒng)不符合光學(xué)規(guī)格要求的主要原因。

· 制造：將照明系統(tǒng)的光學(xué)元件和非光學(xué)元件繪制成3D或2D CAD布局圖，完成整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。每個(gè)組件都將被制造、組裝完成。

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

非球面透鏡形狀的測量可以作為機(jī)械元件測量的示例，而系統(tǒng)中某一個(gè)透鏡焦距的測量可以作為功能元件測量的示例。整個(gè)鏡頭的對準(zhǔn)測量可以作為機(jī)械系統(tǒng)測量的示例，而整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能的測量可以作為功能系統(tǒng)測量的示例。通常情況下，最關(guān)鍵的測量是整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)功能測量，如果這滿足了需求目標(biāo)，就不需要修改任何內(nèi)容。然而，通常情況下，完成的系統(tǒng)并不能滿足期望的目標(biāo)，為了找出問題所在，需要進(jìn)行單獨(dú)的元件測量。請注意，徹底的公差分析非常有助于發(fā)現(xiàn)誤差。

雖然上述的設(shè)計(jì)循環(huán)是典型的照明設(shè)計(jì)循環(huán)，但是由于照明設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，實(shí)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(tǒng)的復(fù)雜性會(huì)增加步驟的數(shù)量，因?yàn)榭赡軙?huì)有更復(fù)雜的公差分析步驟和測試步驟。光學(xué)設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)可以減少步驟的數(shù)量，因?yàn)橛薪?jīng)驗(yàn)的光學(xué)設(shè)計(jì)師可以迅速完成概念、基線、文獻(xiàn)和初步研究。光學(xué)要求的難度可能會(huì)增加步驟的數(shù)量，因?yàn)樵趦?yōu)化步驟和公差分析步驟中可能會(huì)有多次迭代存在。