V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Любые изделия, в том числе оптические приборы, за время своего существования проходят ряд состояний - от идеи создания до утилизации, который называется жизненным циклом изделия.

Проектирование как этап этого цикла, предшествует производству и делает возможным изготовление требуемого количества приборов с заданными характеристиками [1].

Проектирование обеспечивает получение технической документации, которая полностью и однозначно описывает все сведения, необходимые и достаточные для изготовления приборов.

Современное проектирование оптических приборов осуществляется в программной среде, так называемой системе информационной поддержки жизненного цикла изделий, что делает необходимым освоение соответствующего программного обеспечения.

На сегодняшний день за время своего существования изделие проходит ряд состояний от идеи до утилизации. Совокупность этапов или последовательность процессов, через которые проходит изделие за время своего существования, называется жизненным циклом изделия. Основные этапы жизненного цикла оптического прибора представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Жизненный цикл оптического прибора

На первом этапе жизненного цикла, который иногда называют концептуализацией, осуществляется технический анализ и формальное определение потребностей, а также оценивается возможность физической реализации изделия, которое удовлетворит потребности, будет при этом конкурентоспособным и экономически выгодным. Заказчик и исполнитель формализуют свои потребности и идеи в виде документа, который называется техническое задание. Когда техническое задание сформулировано и есть уверенность, что оно будет полностью реализовано, переходят к проектированию.

Проектирование можно разбить на три отдельных ветви, работа в которых часто ведется параллельно: функциональное, конструкторское и технологическое проектирование. Объектами функционального проектирования являются схемы прибора. Именно поэтому функциональное проектирование называют иногда схемным.

В зависимости от физических принципов работы тех или иных устройств различают оптические, электрические, кинематические и другие схемы. Функциональное проектирование является крайне важным этапом, с которого и начинается собственно проектирование. Именно оно определяет оптимальность структуры и характеристик функциональных устройств, блоков, узлов и элементов прибора. Именно оно во многом обеспечивает принципиальную возможность выполнения прибором его главных задач, гарантирует получение требуемых значений функциональных характеристик. Результатом функционального проектирования являются различного рода схемы прибора и его частей.

Объектом конструкторского проектирования (или просто конструирования) является пространственная (твердотельная) структура прибора. На этапе конструирования спроектированные схемы предстают в виде реальных деталей и сборочных единиц, расположенных в пространстве и закрепленных вполне определенным образом.

Объектами технологического проектирования являются технологические процессы изготовления деталей прибора. На этом этапе разрабатываются технологические документы: маршрутные карты (описание маршрута обработки деталей), операционные карты (описание выполняемых операций), ведомость оснастки (перечень используемых средств технологического оснащения) и ряд других документов в соответствии с единой системой конструкторской документации (ЕСКД).

Производство оптических изделий обычно сопровождается специфическими процедурами изготовления и контроля оптических деталей или всего изделия в целом. Важным этапом является сборка и юстировка оптических каналов прибора, в процессе которой требуется моделирование работы уже изготовленного прибора и его оптимизация.

Жизненный цикл оптического изделия продолжают реализация (продажа изделий конечным пользователям) и эксплуатация, а завершает утилизация.

Оптические приборы представляют собой, как правило, сложные комплексы, состоящие из большого числа взаимосвязанных элементов и устройств с различными принципами действия. Основу оптического прибора составляет оптическая система, процесс проектирования которой является творческим и весьма трудоемким. Необходимо решить такие задачи проектирования, как синтез исходного варианта оптической системы, анализ аберраций, оптимизация, назначение допусков и других [1].

Следующий этап жизненного цикла оптического изделия – технологическая подготовка производства. На этом этапе осуществляется формирование технологической документации: маршрутных карт, операционных карт, ведомостей оснастки, разработка программ обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) для формообразования стеклянных оптических деталей, установках для нанесения оптических покрытий.

Проектирование ведется с использованием специальных методов и средств.

Задача синтеза заключается в создании первоначального описания объекта проектирования по техническому заданию. При структурном синтезе оптических систем определяют, из скольких линз будет состоять проектируемый объектив, будет ли он зеркальным, линзовым или зеркально-линзовым, сколько будет в нем зеркал или линз, из каких марок стекла будут линзы, какого они будут типа и т.д.

В процессе параметрического синтеза определяются численные значения параметров синтезированной структуры.

Анализ по своей сути представляет моделирование работы проектируемого на данном уровне объекта с целью определения его характеристик. В большинстве случаев анализ реализуется в настоящее время как математическое, компьютерное моделирование. В некоторых случаях применяется макетирование (изготовление проектируемого объекта).

Задача проектирования и анализа работы оптических систем является весьма трудоемкой.

На сегодняшний день предлагается несколько десятков универсальных пакетов программ для проектирования оптических систем различного назначения и ряд систем предназначенных для проектирования специализированных систем.

Рассмотрим системы для проектирования и анализа оптических систем, в которых используется последовательное описание элементов оптической системы:

CODE V [2] - наиболее известная и уважаемая программа с полным набором возможностей для проектирования, анализа и оптимизации оптических систем. Она уже несколько десятилетий успешно используется инженерами во всем мире для проектирования оптики различного назначения. Основными достоинствами программы является мощная теоретическая основа, постоянно пополняющийся набор средств для анализа, высококвалифицированная техническая поддержка в процессе эксплуатации системы.

OSLO [3] - одна из старейших программ для проектирования и оптимизации оптических систем. Эта программа позволяет автоматизировать проектирование оптических систем различного назначения на всех этапах, начиная с синтеза и заканчивая передачей информации в CAD-системы.

Благодаря широким возможностям при относительно низкой цене программа ZEMAX [4] является одной из самых популярных программ для автоматизации проектирования оптических систем (рисунок 2). Особенностью программы является то, что в ней совмещены алгоритмы и средства анализа последовательного и непоследовательного расчета лучей.

Рисунок 2 - Внешний вид программы ZEMAX

ZEMAX содержит огромную базу данных по характеристикам различных видов стекол, способен рассчитать сложнейшую конструкцию из систем линз, зеркал, дифракционных решеток, интерференционных и абсорбционных светофильтров и прочих элементов. Оно отображает ход лучей в таких системах, наглядно изображая поведение лучей в различных участках спектра, рассчитывает аберрации системы, ее разрешающую способность, потери света и множество других параметров. Практическое использование зарубежных программных продуктов показывает, что главным их недостатком является реализация отдельных стадий проектирования и ориентация на зарубежную элементную базу, нормы и стандарты, что не позволяет полноценно использовать их в отечественных научно-исследовательских организациях и на предприятиях светотехнической и оптической отрасли.

Разработчики остальных программ, таких как ADOS [5], dbOptic [8], OpTaliX [7], YNOPSYS [8], Win Lens [9] по возможностям стремятся приблизиться к основным программам, а дополнительно стараются предложить какую-либо уникальную возможность по анализу или оптимизации оптических систем определенного типа. Абсолютным лидером в использовании при расчете оптических систем является Zemax (69%) (рисунок 3).

Рисунок 3 - Популярность различного ПО при расчётах

оптических систем

Среди систем для проектирования и анализа оптических систем, в которых используется непоследовательное описание расположения элементов оптической системы, можно выделить следующие:

ASAP [10] - программа для анализа оптических систем с непоследовательным расчетом лучей и осветительных систем. В ней реализованы мощные возможности для моделирования физического распространения света и формирования изображения.

LightTools [2] - известная программа с полным набором возможностей для проектирования осветительных систем, основанная на трехмерной твердотельной графике. Она позволяет построить модель осветительной системы с источника света и составляющими его оптическими и механическими деталям. При расчете лучей во внимание принимаются все возможные преобразования света (преломление, отражение, полное внутреннее отражение, рассеяние, дифракция и другие).

TracePro [3] - универсальная программа для расчета лучей при проектировании осветительных и неизображающих оптических систем, а также для проведения фотометрического анализа. В этой программе предлагается трехмерная твердотельная визуализация, широкие возможности для анализа оптических параметров, средства для обмена данными с CAD-системами.

Библиографические ссылки

1 Шехонин, А. А. Методология проектирования оптических приборов: учеб. пособие / А. А. Шехонин, В. М. Домненко, О. А. Гаврилина – СПб: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2006. – 91 с.

2 Сайт http: //www.opticalres.сom.

3 Сайт http://www.lambdares.com.

4 Сайт http://www.zemax.com.

5 Сайт http://www.diginaut.com.

6 Сайт http://www.skyscientific.com.

7 Сайт http://www.optenso.de.

8 Сайт http://www.osdoptics.com.

9 Сайт http://www.winlens.de.

10 Сайт http://www.breault.com.

Код для цитирования: Скопировать