光學鏡頭光學機械一體化CAD軟件設計的研究

李少偉

摘要 光學鏡頭設計過程中，因分開設計光學設計部分及機械結構部分，導致設計效率比較低，且設計成本比較高，不利于光學鏡頭設計事業的良好發展。本文中采用一體化CAD軟件設計其光學設計部分及機械結構部分，有效的解決了傳統方法中存在的問題，促進光學鏡頭設計事業可持續發展。

【關鍵詞】光學鏡頭 CAD軟件 光學機械一體化

光學設計與機械結構設計為光學鏡頭設計中的兩個組成部分，傳統設計方法為這兩部分分階段進行，由于這兩項設計所屬學科不同，導致較多問題出現在二者交接過程中，增加設計更改難度，延長設計周期。近年來，現代化設計手段越來越豐富，光學鏡頭設計的這兩部分內容也分別采用了計算機輔助光學設計（CAOD）與計算機輔助機械設計（CAMD），但目前仍不存在集合二者的軟件，因此，本文即分析了設計光學機械一體化CAD軟件的方法，旨在提升光學鏡頭設計的速度及質量。

1光學鏡頭光學機械一體化概述

設計光學鏡頭時，光學設計人員先將光學系統初始參數輸入到CAOD系統中，將光學系統內各個鏡面的位置計算出來，同時，以光學系統相差計算結果為依據，開展像質評價、優化處理等項工作，至此，光學設計與計算完成；隨后，按照光學設計要求，利用CAMD系統，機械設計人員進行光學系統形式的選擇，并將光學設計參數輸入到系統中，完成鏡頭結構零部件的計算繪制工作；最后，工藝處理在計算機輔助工藝軟件（CAPP）中完成。上述設計過程中，光學設計中的像質評價、機械設計中的結構零部件設計等均利用CAD軟件進行，以實現設計一體化。

2光學鏡頭光學機械一體化CAD軟件設計

2.1光學CAD軟件設計

實現光學CAD軟件時，基礎為模塊結構，并將數據庫技術應用其中，光學系統的創建、光線追跡、像差計算等均為主要的程序。光學系統創建后，人機交互功能可較強的實現，入瞳、像面距離等光學系統參數均能夠便捷的輸入；創建光學系統數據文件后，光路圖繪制的實現方法為光線追跡，先將光線設定參數選定，之后對每條光線具體的類型做出確定；共軸系統中，球面與非球面會存在像差，各類像差計算即選擇像差計算，得到結果后，像差曲線圖、光路追跡等均可被顯示出來，同時，利用打印機，可實現打印輸出；設計變焦距光學系統時，焦距的改變主要由透鏡沿著光軸移動實現，通常，像面與位移相伴隨，為保證像面穩定，需對像移做出補償，機械補償法為較常用的方法，如圖1；光學設計變焦距鏡頭過程中，設計參數確定依據為使用要求，方程式求解時，以初級像差、高斯光學計算公式為依據，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設計目標實現；像質評價系統計算評價成像質量時，以“光學傳遞函數（OTF）為參照”，利用自相關積分法將OTF計算出來，包含子午OTF與相互垂直弧矢OTF兩種，由帕瑟伐爾定律可知，光瞳函數自相關積分函數的表示即為OTF，利用光瞳坐標、波差函數等相關參數，可將自相關積分函數計算出來。

2.2模型化公式程序模塊數據庫

光學機械一體化設計實現過程中，對于機械結構設計，控制采用計算機程序，根據數據庫操作，完成編程。設計時，使用的數據庫主要包含三種，第一種為零部件數學模型程序，第二種為裝配圖模型程序，第三種為有關處理函數庫程序。為使前兩種數據庫容量減少，應根據繪圖需求，將部分參數化基本實體建立起來，如點函數、線函數，再以國家標準為參照，進行尺寸標準等函數庫的編制，同時，為保證系統獨立程序模塊能夠共享上述數據庫，采用動態鏈接庫。結合光學鏡頭實際設計經驗，公式化所選鏡頭機械零部件，再根據相應要求，理論分析零部件設計。

2.3自動生產機械結構設計圖

程序設計過程中，編程采用VC++語言，接口程序采用CAD系統與Windows函數所提供的，以能有效的連接光學程序、機械結構程序及CAD軟件，同時，各部分數據通信利用多數據庫技術來實現。根據功能，模塊主要分為四種：

（1）模型化公式程序模塊數據庫，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，模型化模塊數據庫建立時，數據格式為DXF；

（2）讀出或輸入參數，對話框功能為VC++語言具備的功能之一，利用此功能，完成光學結構的選取，將需求的參數讀出，或需求參數經對話框輸入；

（3）零部件與裝配圖自動生成，在該系統中，因己經模型化功公式程序全部的機械結構及零部件，參數給定且調用參數后，零部件與裝配圖均能夠立即自動生成，而且能夠存儲到數據庫后，或利用相應的儀器輸出；

（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行的程序，通過CAD軟件的所有功能，達到修改、編輯零部件與裝配圖的目的。

3結論

通過設計CAD軟件，有利于實現一體化設計光學鏡頭的光學程序與機械結構程序，有效的連接這兩部分設計工作，解決傳統分階段設計中存在的不足之處，提高設計效率，縮短設計周期，減少設計成本，提升設計質量，促進光學鏡頭設計事業向著自動化、智能化的方向發展。但由于應用領域不同，用戶具體的使用要求也存在差異，還應進一步的深化研究，以能與各用戶需求相適應。

參考文獻

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