典型照明系统设计周期的概述

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本课程概述了典型照明系统的设计周期。您将学习照明设计中的各个步骤，使您可以在设计时即节省时间又能避免关键性的错误。本课是照明学习路径的第三课。

作者 Katsumoto Ikeda

引言：为什么理解设计周期对光学设计者来说非常重要？

设计周期是说明光学设计各个步骤的指南。通过认识设计周期中的不同步骤，可以了解每个步骤的目标，这样我们就可以知道在适当的时候该做的确切任务，并且可以在设计进行的过程中预测未来的任务。有了坚定的指导方针，在设计过程中就不会有意外，我们甚至可以对未来的步骤采取先发制人的行动，因为我们可以预见到潜在的问题。

让我们来看看典型的照明设计周期，即设计照明系统的各个步骤。

设计周期是镜头设计的指南

在光学系统中，更具体地说是在照明系统中，从设计到制造有许多步骤。下图为照明设计过程中需要的不同步骤的路线图。这些步骤主要可以分为两组：设计阶段和制造阶段。

(参考: Illumination Engineering, R. Koshel, IEEE Press)

对上述设计周期的观察表明，在设计阶段存在迭代，但是迭代包含在设计阶段中。请注意，制造部分具有返回设计阶段的迭代路径。这一步骤的返回意味着在加工制造过程中，我们可能会遇到问题，即由于我们没有考虑到关键的公差参数，导致基础设计不适合加工。很容易看出，通过在设计周期的早期就涵盖到我们的步骤，就可以避免频繁的迭代。如果关键的迭代将返回至设计初期的阶段，可能会导致时间上的损失，从而导致项目延迟。

让我们看看上图中设计周期中的每个步骤，并将其分解。

设计阶段

• 概念：在这一步确定系统中的相关概念。这意味着确定了光学系统的可能性、规格要求（或系统目标）以及系统类型。如果光学元件受整个系统中其他较大目标的控制，则此步骤可能不需要光学设计者的参与。例如，手电筒中的光学器件的体积受到严格限制。另一个例子，汽车前大灯的光学要求是法律规定的。
• 基线：在基线中，确定了系统的效率、光线分布、色度特性、系统成本以及系统的体积或尺寸。此外，还进行了étendue 分析，以评估需要使用什么样的光源才能达到技术指标要求。在此时做预先的公差分析来揭示系统中最常见的敏感公差是很好的做法。这种预先的公差分析可以显著地减少在公差阶段后期可能出现的制造问题，也潜在地缩短了产品成功发布的时间。也许与直觉相反，在这个阶段花点时间进行公差分析会节省我们总体花费的时间。
• 文献：光学设计师会研究与项目有关的文献来帮助自己实现项目的最终目标。可以在这一步确定光学系统的关键点。例如：此项目更适合用反射式还是折射式光学系统。通常情况下，有过类似系统经验的光学设计师会跳过这一步。
• 初步研究：此步骤可用于找出能够达到规格要求的最有效的光学系统。通常的做法是测试多个光学系统的多个光学结构来比较光学系统是否已经确定。这一步是系统的初步设计，只使用光源和镜头。当这一步完成后，此设计的光学结构就确定了，选择的设计路径也更加具体了。
• 设计：这是设计过程的核心，在此步骤优化最关键的光学参数。同时，在此阶段确定了公差参数。在这一步的最后，光学设计目标应该得到满足，尽管光学系统还未进行公差分析。
• 优化：优化步骤就是引入进一步的优化，以考虑到光学系统的扰动，提高光学设计的性能。此步骤是对前一步的改进，优化参数在此步骤中没有区别。在这一步的最后，未进行公差分析的光学系统性能将超过设计规格要求。一般情况下，未进行公差分析的系统性能必须超过设计规格要求，因为在样机研究和制造阶段将引入系统参数的变化，从而降低（而不是提升）光学系统的性能。

制造阶段

• 公差分析：公差分析步骤是设计阶段和制造阶段的重叠，因为它是镜头设计的最后一步，又是将光学公差传递到制造阶段的第一步。从设计角度出发，在设计步骤中确定关键的公差分析参数。重点研究的两个方面是敏感度公差分析和蒙特卡罗公差分析。在灵敏度分析中，对各公差参数的光学性能进行扰动，并对系统的各项性能进行分析。在蒙特卡罗分析中，对所有参数添加随机扰动并分析统计结果。蒙特卡罗分析参数的设置是保证统计结果能够反映实际制造误差的关键。不幸的是，这一步经常被忽略，要么是由于时间限制，要么是缺乏经验，要么是照明系统与成像系统的数据化分析（如MTF）相比过于抽象。然而，对这一步的忽略往往是导致制造的照明系统不符合光学规格要求的主要原因。
• 制造：将照明系统的光学元件和非光学元件绘制成3D或2D CAD布局图，完成整个光学系统。每个组件都将被制造、组装完成。
• 测试：测试有两种类型，即两个测试子集。并具有两种测试类型，其中一种是机械测量，另一种是功能测量。测试的一个子集是元件的测试，另一个子集是整个系统的测试。因此，在照明系统中可能需要四个全面的测试步骤。

  测试检查		子集
  		元件	系统
  类型	机械	需要测试？	需要测试？
  	功能	需要测试？	需要测试？

  非球面透镜形状的测量可以作为机械元件测量的示例，而系统中某一个透镜焦距的测量可以作为功能元件测量的示例。整个镜头的对准测量可以作为机械系统测量的示例，而整个光学系统的光学性能的测量可以作为功能系统测量的示例。通常情况下，最关键的测量是整个系统的光学功能测量，如果这满足了需求目标，就不需要修改任何内容。然而，通常情况下，完成的系统并不能满足期望的目标，为了找出问题所在，需要进行单独的元件测量。请注意，彻底的公差分析非常有助于发现误差。

虽然上述的设计循环是典型的照明设计循环，但是由于照明设计的复杂性，实际中可能需要更少的步骤，也可能需要更多的步骤。照明系统的复杂性会增加步骤的数量，因为可能会有更复杂的公差分析步骤和测试步骤。光学设计师的经验可以减少步骤的数量，因为有经验的光学设计师可以迅速完成概念、基线、文献和初步研究。光学要求的难度可能会增加步骤的数量，因为在优化步骤和公差分析步骤中可能会有多次迭代存在。

参考文献： Illumination Engineering, R. Koshel, IEEE Press

KA-01829