光學系統機械設計、裝配和校準的5大考量

作者： Katie Schwertz

為了詳述 使用現貨光學元件進行設計的 5 項秘訣中的具體內容, 以下您將瞭解在進行光學設計時需要考量的一些重要裝配項。通常，光學工程師會使用光線追跡軟體來構建光學設計，但該軟體所提供的系統基本上是置於空氣之中。最終購買和/或製造光學元件時，您需要採用某種方式對該系統進行安裝、裝配，以及可能需要執行的對準操作。如果在光學設計階段納入針對機械設計、裝配以及對準的各項考量，可以大幅節省時間，降低後期對代價高昂的更改設計或組件重新設計的需求。

1. 考量裝配大小與重量

在規劃光學元件的安裝方式時，首先應考量的因素之一是裝配大小或重量限制，該限制會對光學元件機械安裝設計所採用的整體方法產生影響。您是否在可使用整個桌面的麵包板上安裝光學元件？空間大小是否有限制？該元件是否由人為攜帶？這類考量也許會限制可能採用的安裝和/或對準元件的數量。如果您需要在最終裝配後仍然能調整物體、成像以及系統光闌，則還應該考慮其所處位置。光闌（固定大小或可調整的實際光圈，可限制能通過系統的光束）可以位於光學設計內的某個位置或位於任一端。請務必確保光闌的位置在您的光學設計內留有足夠的空間，以便在機構設計時可保有該位置的設計空間。如圖 1 所示，左側的光學設計示例是可行的設計，而右側示例中，不可能做到將可調光圈恰當地放置在雙合透鏡之間。在光學設計階段可以輕鬆滿足的空間限制，在之後的步驟中則很難做到這一點。

圖 1：1:1 像傳遞系統的示例，包括插入可調光圈的可行（頂部）與不可行（底部）的設計。

2. 設計目的是用於重新裝配嗎?

對光學設計的裝配流程進行規劃時，可以推動設計決策的一個細節是裝配是否僅僅是一次性的，或者是否會進行拆卸與重新裝配。如果不需要拆卸，那麼使用粘合劑或其他永久/半永久安裝方法可能不會有問題。但是，如果需要拆卸或改裝系統，請預先考慮將如何安裝。如果要更換零件，例如要輪換使用同一設置中的不同鍍膜反射鏡，請確定您是否能輕鬆夠到這些元件，以及是否需要將元件保持對準。 動態安裝夾具或TECHSPEC® 光學籠式系統（如圖 2 所示的系統）可以在這方面為您節省大量時間，避免諸多不必要的波折。

圖 2：動態安裝夾具或TECHSPEC® 光學籠式系統可以簡化系統調整

3. 瞭解調整需求與對準需求

對於一些簡易系統來說，只需將光學元件置於固定器或管中，即可完成裝配和對準，無需進行調整。但是在許多情況下，使用時必須對光學元件進行正確對準，因此可能還需進行調整，以保持所需的設計性能。創建光學設計時，請考慮是否需要調整離心（X 與 Y 方向的平移）、軸向運動（Z 方向的平移）、角向運動（俯仰/傾斜），以及是否需要調整諸如偏振片、波片或繞射光柵等元件的方位。可能需要對個別元件、光源、相機成像平面或整個系統進行此類調整。充分瞭解所需進行的調整是非常重要的，除此之外，機械結構件越昂貴，所需的裝配者技能水準要求就越高。瞭解調整需求有助於節省時間與資金。

4. 避免雜散光

雜散光是光學系統中不需要的光線的總稱。如果光線傳播到光學設計目的之外的位置，會產生各種問題，包括重（多）像、對比度降低，甚至在高功率雷射應用中出現玻璃損壞。標準光線追跡軟體通常會進行某種程度的一階雜散光分析，可用於評估這是否對於您的光學系統來說是潛在的問題。使用非序列光線跟蹤分析還可以完成更全面的調查。圖 3 展示了在 FRED（光學設計軟體）中完成的雜散光分析，以調查從特定金屬表面反射的光產生的影響。

圖 3：雜散光分析有助於在最終設計中避免產生對比度等問題

如果雜散光是您光學系統中的潛在問題，可以採用一些方法來減輕雜散光產生的影響。例如，在管的內徑添加螺紋或放置額外的光圈以防止雜散光射出系統，這些方法可用於防止產生不需要的光線。此外，可將安裝元件塗黑（即對鋁進行黑色陽極氧化或對鋼進行黑色氧化）或以黑色材料覆蓋。也可如圖 4 所示，使用油漆或油墨將邊緣或透鏡塗黑。理想情況下，應該在設計階段即意識到所有雜散光問題，並可透過移動或修改元件或調整平面來解決這些問題。

圖 4:將邊緣塗黑的透鏡（左）與標準透鏡（右）進行比較，前者可減少雜散光，提高光學系統的信噪比

5. 注意環境影響

如上文所述，使用建模軟體設計光學系統時，設計的系統通常會放在不會受到環境影響的空氣中進行作業。但是在實際情況中，光學系統可能會面對許多不良的環境條件，包括壓力、加速/震動（若跌落）、振動（在運送或工作時）、溫度波動，或可能需要在水中或其他物質中工作。如果您預期光學系統在受控條件下的工作狀況與空氣中的工作狀況不同，應完成進一步分析，以便透過設計來最大限度降低環境影響（被動解決方案），或採用主動反饋回路來維持系統的性能。多數光學設計軟體可以應對其中某些方面（諸如溫度和壓力）的問題，如果需要進行全面的環境參數分析還需要其他的軟體輔助。