光学镜头光学机械一体化CAD软件设计的研究

李少伟

摘要 光学镜头设计过程中，因分开设计光学设计部分及机械结构部分，导致设计效率比较低，且设计成本比较高，不利于光学镜头设计事业的良好发展。本文中采用一体化CAD软件设计其光学设计部分及机械结构部分，有效的解决了传统方法中存在的问题，促进光学镜头设计事业可持续发展。

【关键词】光学镜头 CAD软件 光学机械一体化

光学设计与机械结构设计为光学镜头设计中的两个组成部分，传统设计方法为这两部分分阶段进行，由于这两项设计所属学科不同，导致较多问题出现在二者交接过程中，增加设计更改难度，延长设计周期。近年来，现代化设计手段越来越丰富，光学镜头设计的这两部分内容也分别采用了计算机辅助光学设计（CAOD）与计算机辅助机械设计（CAMD），但目前仍不存在集合二者的软件，因此，本文即分析了设计光学机械一体化CAD软件的方法，旨在提升光学镜头设计的速度及质量。

1光学镜头光学机械一体化概述

设计光学镜头时，光学设计人员先将光学系统初始参数输入到CAOD系统中，将光学系统内各个镜面的位置计算出来，同时，以光学系统相差计算结果为依据，开展像质评价、优化处理等项工作，至此，光学设计与计算完成；随后，按照光学设计要求，利用CAMD系统，机械设计人员进行光学系统形式的选择，并将光学设计参数输入到系统中，完成镜头结构零部件的计算绘制工作；最后，工艺处理在计算机辅助工艺软件（CAPP）中完成。上述设计过程中，光学设计中的像质评价、机械设计中的结构零部件设计等均利用CAD软件进行，以实现设计一体化。

2光学镜头光学机械一体化CAD软件设计

2.1光学CAD软件设计

实现光学CAD软件时，基础为模块结构，并将数据库技术应用其中，光学系统的创建、光线追迹、像差计算等均为主要的程序。光学系统创建后，人机交互功能可较强的实现，入瞳、像面距离等光学系统参数均能够便捷的输入；创建光学系统数据文件后，光路图绘制的实现方法为光线追迹，先将光线设定参数选定，之后对每条光线具体的类型做出确定；共轴系统中，球面与非球面会存在像差，各类像差计算即选择像差计算，得到结果后，像差曲线图、光路追迹等均可被显示出来，同时，利用打印机，可实现打印输出；设计变焦距光学系统时，焦距的改变主要由透镜沿着光轴移动实现，通常，像面与位移相伴随，为保证像面稳定，需对像移做出补偿，机械补偿法为较常用的方法，如图1；光学设计变焦距镜头过程中，设计参数确定依据为使用要求，方程式求解时，以初级像差、高斯光学计算公式为依据，通过阻尼最小二乘法求极小值法，将阻尼方程解求出，最终，使CAD设计目标实现；像质评价系统计算评价成像质量时，以“光学传递函数（OTF）为参照”，利用自相关积分法将OTF计算出来，包含子午OTF与相互垂直弧矢OTF两种，由帕瑟伐尔定律可知，光瞳函数自相关积分函数的表示即为OTF，利用光瞳坐标、波差函数等相关参数，可将自相关积分函数计算出来。

2.2模型化公式程序模块数据库

光学机械一体化设计实现过程中，对于机械结构设计，控制采用计算机程序，根据数据库操作，完成编程。设计时，使用的数据库主要包含三種，第一种为零部件数学模型程序，第二种为装配图模型程序，第三种为有关处理函数库程序。为使前两种数据库容量减少，应根据绘图需求，将部分参数化基本实体建立起来，如点函数、线函数，再以国家标准为参照，进行尺寸标准等函数库的编制，同时，为保证系统独立程序模块能够共享上述数据库，采用动态链接库。结合光学镜头实际设计经验，公式化所选镜头机械零部件，再根据相应要求，理论分析零部件设计。

2.3自动生产机械结构设计图

程序设计过程中，编程采用VC++语言，接口程序采用CAD系统与Windows函数所提供的，以能有效的连接光学程序、机械结构程序及CAD软件，同时，各部分数据通信利用多数据库技术来实现。根据功能，模块主要分为四种：

（1）模型化公式程序模块数据库，在公式化程序中，单元选择为零部件图与装配图，完成程序的编制，模型化模块数据库建立时，数据格式为DXF；

（2）读出或输入参数，对话框功能为VC++语言具备的功能之一，利用此功能，完成光学结构的选取，将需求的参数读出，或需求参数经对话框输入；

（3）零部件与装配图自动生成，在该系统中，因己经模型化功公式程序全部的机械结构及零部件，参数给定且调用参数后，零部件与装配图均能够立即自动生成，而且能够存储到数据库后，或利用相应的仪器输出；

（4）零部件及装配图编辑原理，在CAD软件中，接口种类及功能均比较多，对CAD软件主菜单文件作出修改，以文件夹形式，向CAD软件中嵌入所有可运行的程序，通过CAD软件的所有功能，达到修改、编辑零部件与装配图的目的。

3结论

通过设计CAD软件，有利于实现一体化设计光学镜头的光学程序与机械结构程序，有效的连接这两部分设计工作，解决传统分阶段设计中存在的不足之处，提高设计效率，缩短设计周期，减少设计成本，提升设计质量，促进光学镜头设计事业向着自动化、智能化的方向发展。但由于应用领域不同，用户具体的使用要求也存在差异，还应进一步的深化研究，以能与各用户需求相适应。

参考文献

[1]黄金龙，萧泽新.光学仪器照明CAD软件设计[J].光学与光电技术，2017（01）：57-60.

[2]姜俊海，石玉祥.光学系统计算机辅助设计中镜头结构的特征描述[J].精密制造与自动化，2015（04）：8-10.endprint