什麼是光機設計？

光機設計是光學設計的子領域，專注於將光學元件整合到固定或移動它們的機械結構中，同時最小化結構、動態與熱負荷對光學性能的影響。它是光學設計與機械設計的交集，目標是製造出可生產、具成本效益且穩健的光學裝置。

最終的設計必須滿足一系列要求，包括元件成本、製造成本與排程、組裝成本與排程、機械可靠性、維護工作、尺寸、重量、包裝與運輸、對準的容易程度，以及光學性能。

光機設計不同於在光學平台上設計光學系統，後者的目標僅是原型光學元件或探索光學科學的新領域。光機設計專注於用於光學實驗室外部的產品的機械部分，通常是由非光學工程師或研究人員使用。從智慧型手機中的相機到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡中的鏡子和鏡片，都需要廣泛的光機設計來確保整個產品達到或超過所有設計目標。

使用像是 Ansys Zemax OpticStudio 這類光學系統設計與分析軟體定義並表徵了光學裝置的光路，光機設計過程就可以開始，並以光學幾何為起點。 

每個光學裝置會有不同的需求和設計步驟，但大多數步驟都會歸類於以下五個範疇之一。

1.材料選擇

第一步是定義材料，定義用來製造系統中每個光學和機械部件的材料。鏡片可以由玻璃或聚合物製成，而鏡子和機械部件則有多種材料選擇。 

由於熱膨脹係數的差異可能會導致對準、應力和機械疲勞問題，因此選擇具有相似熱膨脹係數 (CTE) 的材料非常重要。鋁和不鏽鋼是結構元件中常用的材料。玻璃或碳填充聚合物可以提供相似的性能，且重量較輕，而複合材料則能提供非常高的剛性和低 CTE。即使使用現成的組件，設計工程師仍必須了解這些子組件所使用的材料。

一旦基礎材料確定，工程師接著需要指定應該採用哪些後處理程序。材料的後處理可以包括塗層、陽極處理、表面處理或熱處理。每個步驟都會影響處理後部件的機械和光學特性。

材料選擇中的另一個考量是設計中用於黏合劑和固定件的材料。固定件與其所附著材料之間的熱膨脹不匹配可能會導致顯著的負荷。不合適的黏合劑可能會釋放氣體，這些氣體會附著在光學表面上──若黏合劑的強度不足以應對應用需求，所固定的鏡片可能會變得錯位。

2.結構設計

為了讓光學設計正常運作，光路中的元件需要保持在預定的方向和位置。光機設計師必須決定哪些機械元件最適合固定每個光學元件，以及機械結構如何連接以形成一個組裝體。公差在這一步驟中扮演著至關重要的角色。 

此外，如果任何光學特徵在運作過程中需要受控移動，必須選擇並設計致動機構。標準的致動方法包括滾珠螺桿、精密螺紋介面、聲音線圈和電磁鐵。精密齒輪、凸輪和電動馬達也可以是致動裝置的一部分。在自適應光學中，鏡子會被機械致動裝置變形，以改變其光學特性，通常用來校正光學像差。 

大多數構成結構設計的物件是用來固定或移動光學元件，但有些物件也會保護光學元件免受污染、熱負荷和不必要的外部光源影響。桶體、光罩和外殼是用來保護光路的典型元件。

重量和尺寸在這部分的設計過程中也扮演著至關重要的角色。結構設計始於光學元件的位置及設備需符合的外形尺寸與質量。工程師會評估外部載荷，例如力、加速度和溫度變化，以確定各元件的位移或變形程度，並確保結構不會發生永久變形或破損。此外，他們會調整設計，以防止灰塵、化學物質、濕氣和光線等不必要的污染物進入。 

結構設計的另一個重要部分是熱管理。雷射等光源通常會產生熱量，而感應器通常具有特定的工作溫度範圍。兩者都必須維持在允許的溫度範圍內，並且有時需要被動冷卻、主動冷卻或低溫冷卻。

3.鏡頭與支架的介面設計

當設計團隊確定光學元件的固定或定位方式後，必須進一步定義每個鏡頭與結構的連接方式。光學鏡頭的支架設計是一項獨特的機械問題，需透過驗證過的方法加以解決。固定元件如壓環、扣環、間隔環、圓形法蘭及邊緣支架各自具有優缺點。工程師必須了解各種方式的受載情況、成本及光學公差，以選擇最適合的方案。 

透鏡與支架的介面設計通常是透鏡設計師與機構工程師之間的互動過程。這是因為許多固定方式依賴透鏡的曲率及精密拋光的光學表面來確保其軸向定位，並防止其偏離光學軸旋轉。 

每個表面的高精度可確保精確的定位。邊緣研磨或倒角的公差較大，因此較不適合用來固定透鏡。在某些設計中，彈性體或黏合劑可作為透鏡與支撐硬體之間的良好介面。

4.其他光學元件的介面設計

有效的設計不僅限於鏡頭，還需定義其他元件的光機介面。光學光源與偵測器是光路中重要的元件，其相對於其他元件的位置至關重要。這些元件通常安裝在印刷電路板 (PCB) 上或置於獨立外殼內，因此工程師必須了解其安裝需求，並相應調整設計。 

鏡頭通常為細長的圓柱體，而鏡子與稜鏡則有各種形狀，這影響了工程師可用來固定它們的設計選項。鏡子對變形特別敏感，因此鏡子固定方式需避免使其彎曲，而稜鏡通常較為厚重，且其光學表面與光軸的角度極為關鍵。夾具與螺絲是這類元件常見的固定方式，黏合劑或彈性體也經常被使用。 

5.針對成本、可製造性、組裝及光學校準進行設計

設計工作的最後一個面向涉及評估各種設計方案的成本，以及它們對光學系統的可製造性、組裝過程及光學元件校準方式的影響。所有這些因素都會影響使用光學系統的產品的整體商業可行性。 

團隊應與製造及品質工程師合作，不僅要降低組裝中各零件的成本，還需制定初步流程，以便能夠以自動化且可重複的方式進行光學元件的清潔、組裝、校準及定位固定。此外，將設計匯出至 PanDao 可在設計階段協助識別最佳製造鏈與供應商，確保方案既具成本效益又可製造。

在較大型的專案中，機構工程師、光學工程師及光機工程師會共同合作，將光機設計整合到整體設計流程中。在較小的團隊中，工程師必須採取跨領域方法，並理解光學與機械行為。 

包含光機設計在內的光學系統典型設計流程可分為以下幾個步驟：

1. 光學設計

   第一步是最佳化系統中的光學元件，例如鏡頭、鏡子、稜鏡、光源與偵測器。在此步驟中，工程師會定義每個光學元件的特性、形狀、位置及其相對位置。接著，他們計算光學效能，預測光線在通過光學元件時的變化，並調整幾何形狀與位置，直到光學效能符合設計需求。

2. 光機系統設計

   整體光機設計專注於設計結構來固定這些元件，控制它們的機械運動 (如果在運作過程中需要致動)，或保護它們免受外部環境和散射光的影響。光機設計團隊還需計算並最小化成本，最大化可製造性，並考慮組裝和對準的需求。

3. 光機負載與反應

   工程師接著會確定並施加環境負載，例如重力、溫度變化、振動、加速度和組裝及運作過程中的力。接著，他們會計算機械結構的偏離情況，以及光學元件如何變形或移動自其預定位置。

4. 評估對光學設計的影響

   接著，會重新評估光學性能，考慮到變形或偏移的光學元件，以確定性能是否仍在可接受範圍內。

5. 在光學設計與光機設計之間進行反覆迭代

   如果最終的光學性能超出允許範圍，工程師將在光學設計與光機設計之間進行反覆迭代，直到成本和光學性能達到可接受的水平。準確且即時的模擬、有意義的測試數據，以及不同領域之間清晰的溝通，推動了迭代過程的有效性和效率。

在保持光學系統性能在可接受範圍內的同時，必須最小化每個設計選項對金錢和排程的影響。達成這個目標是光機設計的基本挑戰。 

在實驗室環境中，光學設計考量佔主導地位，因為可以手動創建和修改光學平台。然而，當將其應用於產品中時，工程師必須考慮相互衝突的需求，以推動設計達到最佳解決方案。成功的團隊會使用強健的設計流程，結合模擬來克服這些挑戰。 

合作性、多學科且反覆迭代的設計流程

業界發展了光機這一子領域，以應對更具迭代性和多學科設計流程的需求。在光機設計引入之前，光學工程師會先開發光學設計，然後將其交給機械工程團隊，讓他們負責如何固定、移動和保護光學元件。這種脫節的方式常常導致設計無法符合光學規格，或在設計過程的後期需要昂貴的修正。 

為了解決這個問題，公司組建了跨學科的團隊，這些團隊中的工程師了解光學系統的獨特機械特性以及光學基礎，能在做出設計決策時同時考慮兩個領域。清晰、頻繁且簡潔的溝通對於任何跨學科團隊的成功都是至關重要的。 

此外，設計過程必須是反覆迭代的，允許對兩個領域的設計變更進行評估。必須具備能夠在不同領域之間傳遞幾何和公差資訊的工具。光學系統設計通常遵循標準的概念設計、初步設計和最終設計階段，並在每個步驟中進行迭代。高效的團隊利用模擬、原型製作、測試、設計審查和適當的工程文件，在設計過程的早期發現並解決問題。 

以模擬為驅動的光機設計

光學與機械模擬在達成並克服光機設計挑戰中扮演著重要角色。設計開發的虛擬模型使工程師能夠快速從光學和機械的角度理解設計的性能，以及兩者之間的互動。 

典型的光機設計模擬工作流程會將來自光學模擬的幾何形狀傳遞給機械設計工具，並在這些工具中指定安裝和外殼設計。 

工程師使用結構、運動學、計算流體力學 (CFD) 和熱模擬套件，如 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體，利用有限元素分析 (FEA) 方法來模擬機械設計的各個方面。接著，他們會施加環境負載，如力、加速度、衝擊、振動和溫度變化，並計算組裝體的反應。

一旦模擬得到系統在負載下的行為估算，工程師會將結果中的物理變形和計算出的公差傳回光學模擬工具，並由光學工程師運行檢查，以確定光學性能是否在可接受範圍內。

更有效的模擬工作流程使用像是 Zemax OpticStudio 這樣的工具進行元件級設計，該工具能直接與機械 CAD 整合，並且在光學設計軟體中包含越來越多的光機設計和模擬功能。Zemax OpticStudio Enterprise 透過整合的多物理場負載分析、擬合和可視化工具，將這一工作流程提升到另一個層次。

工程師也可以利用像是 Ansys Speos 這樣的系統級光學設計與驗證工具，這是一款與 CAD 整合的光學與照明模擬軟體，用來評估其他光機設計的考量因素。Speos 軟體可以用來評估來自機械元件反射的散射光、光機元件對光線的遮擋，或是光暈效應，即光束路徑邊緣的飽和度或亮度變暗。系統級的驗證也可以檢視焦點的品質和形狀，以及在探測器上的光斑大小。 

光機設計在近年來迅速發展，以應對光學系統在各種產業中日益增長的應用需求。這些產業依賴多個相機和其他感應器來進行：

• 消費產品
• 醫療裝置
• 攝影
• 計量學
• 光通訊
• 製造自動化
• 物聯網 (IoT)
• 地球觀測
• 航空航太與國防應用
• 汽車感應器
• 自駕系統光學雷達與光學相機
• 科學儀器
• 天文學

製造方法的新進展、材料科學的改進、微型化以及更強大的計算資源 (能夠處理和儲存光學資訊) 推動了這些不斷發展的應用領域。

所有這些變化都推動了光機設計領域的改進需求。 

以下是工程師應該注意並為之做好準備的幾個趨勢： 

持續微型化

材料和製程的改進正促使光學組件及其支撐的光機設計越來越小型化。隨著零件越來越小，結構元件的複雜性和精度必須提高。

更小的設計對溫度變化也更加敏感。微型化也使得實體測試變得更加困難，增加了對模擬的需求，以虛擬方式原型化光機設計。

自適應光學的演變

積極改變鏡片和鏡子的形狀，因此改變光學特性，是補償由機械和熱負荷引起的失真的一種有前景的方式。這些即時調整需要卓越的控制軟體，並結合快速且精確的電機致動。

妥善設計有效且具成本效益的自適應光學系統需要一個成熟的光學設計過程，其中包括強大的光機設計工作流程。

積層製造

積層製造 (AM)，也稱為 3D 列印，為光機設計工程師提供了新的設計自由度，使得創建複雜幾何形狀成為可能，這些設計可以顯著提升機械強度和熱管理。

AM 可以將複雜的組件製作成單一部件，或將冷卻系統整合進結構中。現代 AM 系統可以製造高度精確的金屬、聚合物和碳填充聚合物部件。 

更具挑戰性的運行環境

光學系統應用的增長也意味著光學儀器將在更嚴苛的環境中運行。由於這些裝置不再處於受控環境中，溫度變化和負荷也在增加。

這方面的一個絕佳例子是自駕車中的光學應用。汽車設計師正在增加更多的相機和光學雷達感應器，這些感應器會面對強烈的震動和極端的溫度。 

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