ZEMAX 典型照明系統(tǒng)設計周期的概述
本課程概述了典型照明系統(tǒng)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(jié)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?shù)臅r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(fā)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(tǒng)的各個步驟。
設計周期是鏡頭設計的指南
在光學系統(tǒng)中,更具體地說是在照明系統(tǒng)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。

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(shù),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(tǒng)中的相關概念。這意味著確定了光學系統(tǒng)的可能性、規(guī)格要求(或系統(tǒng)目標)以及系統(tǒng)類型。如果光學元件受整個系統(tǒng)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(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(tǒng)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(xiàn)的制造問題,也潛在地縮短了產品成功發(fā)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(jié)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(xiàn)項目的最終目標??梢栽谶@一步確定光學系統(tǒng)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(tǒng)。通常情況下,有過類似系統(tǒng)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(guī)格要求的最有效的光學系統(tǒng)。通常的做法是測試多個光學系統(tǒng)的多個光學結構來比較光學系統(tǒng)是否已經確定。這一步是系統(tǒng)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(yōu)化最關鍵的光學參數(shù)。同時,在此階段確定了公差參數(shù)。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(tǒng)還未進行公差分析。
· 優(yōu)化:優(yōu)化步驟就是引入進一步的優(yōu)化,以考慮到光學系統(tǒng)的擾動,提高光學設計的性能。此步驟是對前一步的改進,優(yōu)化參數(shù)在此步驟中沒有區(qū)別。在這一步的最后,未進行公差分析的光學系統(tǒng)性能將超過設計規(guī)格要求。一般情況下,未進行公差分析的系統(tǒng)性能必須超過設計規(guī)格要求,因為在樣機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)光學系統(tǒng)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(fā),在設計步驟中確定關鍵的公差分析參數(shù)。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(shù)的光學性能進行擾動,并對系統(tǒng)的各項性能進行分析。在蒙特卡羅分析中,對所有參數(shù)添加隨機擾動并分析統(tǒng)計結果。蒙特卡羅分析參數(shù)的設置是保證統(tǒng)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(tǒng)與成像系統(tǒng)的數(shù)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(tǒng)不符合光學規(guī)格要求的主要原因。
· 制造:將照明系統(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)的測試。因此,在照明系統(tǒng)中可能需要四個全面的測試步驟。

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(tǒng)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(tǒng)測量的示例,而整個光學系統(tǒng)的光學性能的測量可以作為功能系統(tǒng)測量的示例。通常情況下,最關鍵的測量是整個系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)誤差。
雖然上述的設計循環(huán)是典型的照明設計循環(huán),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(tǒng)的復雜性會增加步驟的數(shù)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(shù)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(shù)量,因為在優(yōu)化步驟和公差分析步驟中可能會有多次迭代存在。