 引言 光学系统一直很重要，今天比以往任何时候都更重要。甚至在工程学出现之前，在透镜和曲面镜出现之前，光学就对有眼睛的动物很重要。光学是一种非常强大的理解世界的方式，它们比以往任何时候都更加重要。今天，在日益机器人化的科技世界里，我们的机器越来越多地使用照相机和光学设备。从用于自动检测的视觉系统，到机器人导航，到手机中的光学器件，再到激光器中使用的镜子和透镜，光学系统对机器来说比以往任何时候都更加重要。光学技术可能像有视觉的动物一样古老，但光学的机械集成仍然是一个有趣、有趣和困难的工程挑战。 需要考虑的事情 乌贼的w形瞳孔。头足类动物的眼睛很像脊椎动物的眼睛，尽管头足类动物在大多数其他方面与脊椎动物完全不同。
现代陆基高功率望远镜——新望远镜的反射镜背面都有致动器，可以扭曲反射镜以补偿大气像差。 金属切割激光器——高功率现代激光器通常在制造过程中切割一英寸厚的钢。这种方法现在既便宜又普遍。机器视觉中用于判断距离的双目视觉。 斯巴鲁主动巡航控制用这个代替雷达来判断到前面车的距离。将光学系统成功集成到产品中有许多挑战。事实上，许多工程师发现用光学设计产品特别困难。 这些挑战发生在其他类型的机械工程设计问题中。它们都可以通过良好的机械工程来解决。然而，光学问题往往会突出某些工程挑战，而其他机械工程任务则不会。因为光学系统突出了这些挑战，并将它们统一到一个设计中，所以光学设计可能会令人沮丧。下面列出了光学系统设计者面临的四大挑战以及应对这些挑战的解决方案。 挑战#1:管理公差 当哈勃太空望远镜进入轨道时，它的一些第一批图像在电视上播放给世界看。它们很模糊。哈勃的主镜被磨得非常轻微。错误在于镜子被地球引力压在地面上。在地球上，镜子是对的。但是当放置在没有明显重力的轨道上时，镜子会变形。事实上，镜子本身的重量使它保持了合适的形状。去掉重量后，镜子变形了。在一次单独的任务中，哈勃增加了一个小的校正镜头来弥补这个问题，并允许哈勃拍摄我们知道并喜欢的图像。 哈勃的故事确实突出了与设计形状的微小偏差会对光学系统产生多大的影响。在许多光学系统中，公差可能非常接近。透镜位置有几种类型的偏差会影响光学器件的性能。这些包括间距、偏心和倾斜。间距是显而易见的，即光学元件之间的空间公差。倾斜是镜头的角度。具体来说，就是镜头光轴相对于设备系统光轴的角度。最后是偏心，即光轴与设备其余部分的错位程度。
随着光学系统中元件的错位，图像质量会逐渐下降。与许多机械设计不同，在机械设计中，如果零件超出公差范围，设备将无法工作，光学系统的逐渐退化使得确定故障点变得更加困难。 解决方案:分析、堆栈缩减和调整 像任何公差叠加问题一样，解决方案总是建立分析。一种方法是画一个循环。在光学系统中，这个环通常位于两个透镜的光轴之间。典型的示例公差环从一个透镜的光轴开始，穿过透镜，然后穿过透镜和壳体之间的安装界面，穿过壳体部件，穿过壳体和第二透镜之间的界面，然后穿过第二透镜。每个接口都有一个定位公差。每个组件都有表面到表面的公差。公差分析是通过添加循环中的每个公差来完成的。分析可以在统计上或最坏的情况下进行。最坏情况公差分析通常比统计公差分析更保守。公差分析中的一个常见错误是公差全范围或正负的使用不一致。有时使用全范围公差，即最大尺寸减去最小尺寸。更常见的是一个正/负公差，中间假定一个标称尺寸。对于定位公差，径向间隙可以增加到正负公差，直径间隙可以增加到全范围公差。
有了分析，就有可能量化减少公差叠加的巧妙方法。从公差堆栈中移除组件通常会有所帮助。还可以通过利用零件制造过程的强度来减少公差叠加。例如，当使用模制零件时，由模具的相同部分形成的特征之间保持更紧密的公差。虽然由模具的相对侧形成的特征通常具有100至150米(千分之4至6英寸)的公差，但是在模具的一侧形成的特征可以保持30米(千分之一英寸)的公差。加工时也是如此。与需要更换刀具或重新固定零件的特征相比，使用相同刀具和相同设置切削的特征公差更小。 即使在构建单个原型时，容差堆栈也很重要。每个零件都会在一定程度上偏离标称形状。确定每个部分可以接受多少偏差是很重要的，这样做将有助于确保成功的原型构建。 最后，和往常一样，在公差范围内，你得到的是你所检查的，而不是你所期望的。如果要求的公差接近制造过程的能力极限，零件的测量将捕捉到可能会漏过的故障。 在许多光学设计中，公差分析表明调整是必要的。有许多方法可以调整间距。一种常见的技术包括在大直径、细螺距螺纹上旋转单个透镜，例如M12x1mm毫米。在某些产品中，这些螺纹调整在工厂调整一次，使用螺纹锁固剂固定调整。在高精度、低体积的应用中，可以使用超细调节螺钉。这些螺钉具有非常细的螺距，例如M3x0.1或-120。这些螺钉出售时带有配套的黄铜衬套，衬套上有配套的螺纹。它们还具有硬化钢或蓝宝石球形尖端，这提高了实现一致接触的可能性。 挑战2:管理热量 包括光学产品在内的许多产品需要在各种环境中运行。虽然有些产品放在桌子上，整个使用寿命保持在20至25摄氏度之间，但许多消费品在运输过程中会出现-40摄氏度至+60摄氏度(40华氏度至140华氏度)的温度。温度的变化会导致材料膨胀和收缩，从而破坏光学器件。 热膨胀遇到的第一个问题是光学距离的变化。外壳的热膨胀会改变透镜间距。当透镜玻璃膨胀或收缩时，它也可以改变透镜的焦距。这可能会导致光学元件在温度变化时失去焦点。 然而，更重要的是光学系统可能因热膨胀而遭受的损害。常用的金属外壳和光学玻璃是刚性材料。因为它们是刚性的，由部件尺寸的微小变化产生的应力可能非常高。这些高应力会导致透镜或外壳失效。粘合镜片可能会划破粘合线并脱落。紧密贴合的镜片可能因热诱导应力而断裂。 随着温度的快速变化，热膨胀问题尤其严重。当温度快速变化时，一些部件的温度变化会比其他部件快。事实上，某些零件的某些区域的温度变化会比同一零件的其他区域更快。这会导致元件的热致翘曲。 即使透镜中的应力足够低而不会造成损坏，它们也会导致应力诱导的双折射。双折射是一种折射率随着光的偏振而变化的现象。大多数时候，我们看到的光是随机偏振的。如果透镜是双折射的，它会模糊随机偏振光。 解决方案:间隙和材料选择 如果量化，可以完全避免与破裂透镜和切割粘结界面相关的问题。这些问题通常使用安装透镜部分中描述的精确约束来解决。本质上，透镜支架应考虑透镜和外壳之间的热膨胀和收缩差异，并在部件之间留出足够的间隙，以便它们可以根据需要膨胀或收缩。需要注意的是，并非所有零件都会同时具有相同的温度，因此通常需要额外的间隙来允许单独的零件处于不同的温度。 材料选择是避免热膨胀问题的另一种方法。光学玻璃和金属可以有相似的热膨胀系数。然而，有些人比其他人长得更多。像铝合金这样的金属每摄氏度膨胀大约20到24百万分之一。普通碳钢膨胀大约一半。许多光学玻璃在5.3到9.6的范围内。减轻热膨胀的一些负面影响的一种策略是匹配所选材料的热膨胀系数。例如，氟化钙光学元件的热膨胀系数几乎与铝相同。Pyrex几乎完全匹配黄铜。因瓦是钢和镍的合金，几乎没有热膨胀系数，可用于不能承受热膨胀的设计。 需要考虑的事情 在有限元分析变得便宜之前，应力双折射被用于应力分析。零件模型由聚碳酸酯制成，经过抛光。对模型施加了负载代表负载。偏振光然后被用来显示穿过零件的等应力带。在石英钟之前，摆钟是世界上最精确的。在20世纪20年代，最好的科学摆钟，如短同步钟，有因瓦摆杆来消除温度影响。它们还在真空室中摆动，并在钢制弯曲件上转动，以消除由摆锤摩擦和阻力引起的误差。双金属片使用两个热膨胀系数不同的金属片来感应温度。将两个条带层压在一起会产生随温度变化而弯曲或卷曲的组件。这些通常用于恒温器。 挑战3:安装镜头 设计光学系统的另一个机械挑战是将透镜安装到外壳中。镜片特别难抓住。它们非常坚硬，易碎，有复杂的曲线，需要精确的定位。此外，它们具有这些精致的表面，这些表面通常带有易受划痕影响的光学涂层。机器设计中常用的许多紧固技术变得难以应用。螺纹紧固件，压配合，甚至按扣都很难或不可能应用于镜头安装。 螺钉和螺栓几乎完全不能安装光学元件，尤其是透镜。镜片很少有螺丝孔或类似的安装特征。在大多数光学材料上钻孔是不切实际的。此外，螺纹紧固件产生的高作用力有可能使玻璃镜片破裂或破碎。 压配合在光学上也不太实用。典型镜片的外径公差对于有用的压配合来说太松了。宽松的公差意味着沉重的压力或技巧，如热缩配合。但是这些过程中的任何一个，最终的装配通常都有非常高的内应力，这可能会使镜片破裂。 卡扣配合是另一种选择，与螺纹紧固件或压配合相比，这种选择对光学器件更有意义。但是卡扣配合通常需要配合特征，并且透镜制造通常不支持包括用于卡扣特征的接合的凸片、狭槽、唇缘、凹槽或平面。此外，卡扣特征通常需要在带有卡扣的零件上有孔和槽，以允许卡扣偏转。这些开口可能会对光学系统造成问题，因为它们会允许污染物、灰尘和杂散光进入。 解决方案:夹紧、粘合、灌封 然而，有许多安装透镜的解决方案。其中包括两种方法:粘合和夹紧。 正如你可能已经猜到的，安装镜头最常见的方法之一是使用粘合剂。光学中通常使用两种粘合方法:表面粘合和边缘粘合。面粘接将透镜的面粘接到外壳的台阶上。边缘粘接将通常为圆柱形的外边缘粘接到外壳上。表面粘合和边缘粘合通常都利用有限的、不连续的区域来施加粘合剂。将粘合剂涂在浅凹槽中，可使基准表面无粘合剂，以保证精度，并控制粘合剂厚度。在表面粘接应用中，可以在透镜的外径周围使用垫片，以使透镜在孔中居中，同时为热膨胀留出间隙。所需的粘合面积受粘合剂加载方式的影响。在面粘合系统中，粘合剂通常承受张力，而在边缘粘合应用中，粘合剂通常承受剪切力。大多数粘合剂的剪切强度比拉伸强度大得多。 与任何粘合剂应用一样，为基底材料正确选择粘合剂至关重要。同样，零件的适当清洁和表面处理也有助于确保良好的结合。安装透镜时，紫外线固化粘合剂通常是一个很好的选择。它们通常可以用穿过透镜的紫外光固化。
安装透镜的另一种方法是将它们夹紧就位。这可以通过大直径螺纹环或拧在外壳上的机加工零件来实现。在任一种情况下，透镜都夹在刚性基准面和柔性材料之间。柔顺材料的使用使得镜片可以稍微滑动，而不会随着温度的变化而产生很大的力。o形环通常用于柔性表面。 许多较旧的设计将镜片“罐装”到位，镜片边缘有大量粘合剂。这个过程可以产生紧密密封的光学器件，并且非常牢固地保持透镜，然而，在透镜和其参考表面之间用粘合剂错误定位光学器件的风险更大。灌封还几乎消除了光学组件返工的可能性，增加了热膨胀造成损坏的风险。 挑战#4:灰尘、湿度、污染物 许多机械系统对灰尘、污垢、凝露和污染非常坚固，然而光学系统却不是。冷凝、污垢和灰尘会迅速降低光学性能。最外层镜片的外表面通常很容易清洁；然而，光学系统内部的表面通常无法清洁。灰尘和污垢会降低光学器件的清晰度，而冷凝会使光学器件完全失明。此外，光学器件内部可能存在污染。一些材料如粘合剂、橡胶或塑料会漏气。排出气体的物质会永久凝结在光学表面，使光学元件变得模糊不清。 解决方案:密封光学和材料选择 大多数污染物，如灰尘和污垢，可以通过密封光学器件来控制。今天许多光学系统都是防水的。防水光学器件的挑战与所有其他防水设备相似。弹性密封件必须在所有情况下和所有位置保持足够的压缩。分配的密封剂和粘合剂必须经过仔细的工艺开发，以确保每个组件被充分密封。使系统防水也几乎总是使其不透气。大气压力的变化导致设备内的压力。要么设备必须释放这种压力，要么对其保持稳定。特别值得关注的是在气压从10磅/平方英寸增加到14-15磅/平方英寸的空运过程中的下降。如果设备通风，就会有空气流入设备，空气会将设备中的任何污染物带入设备。 为了防止内部冷凝，在干燥的环境中构建组件通常是有帮助的。如果光学组件被构建在冷空间或去湿空间中，它可以极大地减少内部光学表面上出现冷凝的可能性。 最灾难性的污染类型之一与除气有关。为了防止除气材料在光学器件的内表面凝结，了解材料的工作温度极限以及它们在这些温度下如何失效是很重要的。密封和夹具安装光学器件中使用的o形环尤其值得关注。它们在较低的温度下没有问题，但是如果使用温度升高，它们会导致除气问题。在某些应用中，例如高功率激光器，光学器件实际上可以达到相当高的工作温度。在这些应用中，经常需要从设计中完全去除塑料、粘合剂和橡胶。通过使用金属挠曲件，在没有o形环的情况下仍然可以实现夹紧透镜组件。弹簧可以用来固定镜头。用于电磁干扰屏蔽的弹性金属密封件有助于在高温应用中更换o形圈。 总结 开发光学产品比以往任何时候都更加重要，然而光学带来了独特而复杂的挑战。挑战包括设计精密公差、管理不同材料的热膨胀、保持弯曲和精致的镜片，以及防止灰尘和污染物。这些都是严重的挑战，如果处理不当，可能会导致产品失败。然而，这些挑战可以通过良好的工程很好地解决。公差分析揭示了公差叠加的严重性，并指导解决方案，包括减少公差叠加和增加调整过程。热膨胀可以通过匹配不同材料的热膨胀来控制，允许零件轻微浮动，或者选择热膨胀非常低的材料。安装弯曲、精致的镜片可以通过粘合剂或用柔性部件夹紧来完成。灰尘、污垢和污染可以通过密封光学器件、在干燥空气环境中组装以及消除在器件工作温度下会释放气体的材料来控制。所有这些技术挑战都有技术解决方案。 |
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