光学系统机械设计、装配和校准的5大考量

作者: Katie Schwertz

为了详述 使用现货光学元件进行设计的 5 项秘诀中的具体内容, 以下您将了解在进行光学设计时需要考虑的一些重要装配项。通常，光学设计师会使用光线追踪软件来构建光学设计，但是，该软件所提供的系统基本上是置于空气中的。最终购买和/或制造光学组件时，您需要采用某种方式对该系统进行安装、装配，以及可能需要执行的对准操作。如果在光学设计阶段纳入针对机械设计、装配以及对准的各项考量，您可以大幅节省时间，降低后期对代价高昂的更改与组件重新设计的需求.

1. 考虑封装大小与重量

在规划光学组件的安装方式时，首先应考虑的因素之一是可能的大小或重量限制，该限制会针对光学元件机械安装设计所采用的整体方法产生推动作用。您是否在可使用整个桌面的试验板上设置原型组件？空间大小是否有限制？该组件是否由人为携带？这些类型的考量也许会限制可能采用的安装和/或对准组件的数量。如果您需要在最终装配后仍然能访问到物体、成像以及系统光阑，您还应该考虑它们的所处位置。光阑（固定大小或可调整的实际光圈，可限制能通过系统的光束）可以位于光学设计内的某个位置或位于任一端。请务必确保光阑的位置在您的光学设计内有足够的空间，以便在机械设计时可实现该位置的设计。如图 1 所示，左侧的光学设计示例是可行的设计，而右侧示例中，不可能做到将可调光圈恰当地放置在双合透镜之间。在光学设计阶段可以轻松满足可能的空间限制，但在之后的步骤中则很难做到这一点.

图 1: 1:1 像传递系统的示例，其中包括插入可调光圈可行（顶部）与不可行（底部）的设计.

2. 设计目的是用于重新装配吗?

对光学设计的装配流程进行规划时，可以推动设计决策的一个细节在于装配是否仅仅是一次性的，或者是否会进行拆卸与重新装配。如果不需要拆卸，那么使用粘合剂或其他永久/半永久安装方法可能不会有问题。但是，如果需要拆卸或改装系统，请预先考虑将如何执行。如果要置换零件，例如要轮换使用同一设置中的不同镀膜反射镜，请确定您是否能轻松接触到这些组件，以及是否需要使组件保持对准. 动态安装选件或TECHSPEC® 光学笼式系统（如图 2 中所显示的系统）可以在这方面为您节省大量时间，避免许多挫折.

图 2: 动态安装选件或TECHSPEC® 光学笼式系统可以简化系统调整

3. 了解运动需求与对准需求

对于一些简易系统来说，只需将光学组件置于其固定器或管中，就可以完成装配和对准，不需要进行调整。但是在许多情况下，在使用时必须对光学组件进行正确对准，可能还需进行调整，以保持所需的设计性能。创建光学设计时，请考虑是否需要调整离心（X 与 Y 方向的平移）、轴向运动（Z 方向的平移）、角向运动（俯仰/倾斜），以及是否需要调整诸如偏振片、波片或衍射光栅等组件的方位。可能需要对个别组件、光源、相机/像平面或整个系统进行此类调整。充分了解所需进行的调整是非常重要的，除此之外，机械结构件越昂贵，我们所需的装配者技能水平就越高。了解运动需求有助于节省时间与资金.

4. 避免杂散光

杂散光是光学系统中不需要的光线的总称。如果光线传播到光学设计目的之外的位置，会产生各种问题，包括重（多）像、像对比度降低，甚至在高功率激光应用中出现玻璃故障。标准光线跟踪软件套件通常会进行某种程度的一阶杂散光分析，可用于评估对于您的光学系统来说，这是否是一个潜在的问题。使用非序列光线跟踪分析还可以完成更全面的调查。图 3 展示了在 FRED（光学设计软件）中完成的杂散光分析，以调查从特定金属表面反射的光产生的影响.

图 3: 杂散光分析有助于在最终设计中避免产生像对比度问题

如果杂散光是您光学系统的潜在问题，可以采用一些方法来减轻杂散光产生的影响。例如，在管的内径添加螺纹或放置额外的光圈以防止杂散光射出系统，这些方法可用于防止产生不需要的光线。此外，可将安装组件涂黑（即对铝进行黑色阳极氧化或对钢进行黑色氧化）或以黑色材料覆盖。也可如图 4 所示，使用油漆或油墨将边缘或透镜涂黑。理想情况下，应该在设计阶段即意识到所有杂散光问题，并可通过移动或修改元件或像平面来解决这些问题.

图 4:将边缘涂黑的透镜（左）与标准透镜（右）进行比较，前者可减少杂散光，提高光学系统的信噪比

5. 注意环境影响

如上文所述，使用建模软件设计光学系统时，设计的系统通常会被置于不会受到环境影响的空气中进行作业。但是在实际情况中，光学系统可能会面对许多不良的环境条件，包括压力、加速/震动（若跌落）、振动（在运送或工作时）、温度波动，或可能需要在水中或其他物质中工作。如果您预期光学系统在受控条件下的工作状况与空气中的工作状况不同，应完成进一步分析，以便通过设计来最大限度降低环境影响（被动解决方案），或采用主动反馈回路来维持系统的性能。多数光学设计程序可以应对其中某些方面（诸如温度和压力）的问题，但是其他程序则可能需要进行全面的环境分析.