光机系统设计
光学镜头是最具代表性的光学仪器，被广泛应用在机器视觉、测量检测、安防监控、目标遥感、天文观测等多个领域，本文将简要介绍光学镜头光机设计的一般过程，以及需要重点关注的注意事项。
光学镜头的研制一般包括以下几个阶段：
一、需求分析
任何一台光学仪器都是为了满足一定的功能需求而存在的，光学镜头也不例外。需求分析是光学镜头研制的第一步，需要确定仪器需要实现的功能、所处的工作环境、生产的批量、成本等用户需求。需求分析看似简单但非常重要，但直接影响镜头的性能指标确定、总体方案设计以及功能满足程度。
二、指标约束
指标约束包括技术性能指标和设计约束两方面，是需求分析的结果和表现形式。技术性能指标是阐述用户的技术要求，表明镜头必须做成什么样，确定合格产品的技术参数；设计约束指用户提出的各项限制条件，如尺寸、重量、布局、使用环境、接口等。
指标约束是设计的输入条件，也是产品检验合格与否的判据，一般以会签文件的形式确立。在设计之初确定指标合理、指标全面的指标约束可以避免后期出现反复，降低研制风险和研制周期。
三、方案设计
方案设计也叫概念设计，是根据需求分析和已确定的指标约束，从多个满足功能需求的方案中遴选出最佳的方案。方案设计过程中，除了需要充分的调研外，设计师的工程经验扮演者重要的角色，一个合格的设计师可以从以往经验中获知各个方案优劣，最后制定出功能齐备、性能优良、工艺性好、成本合理的技术方案。方案设计一般会得到一个与系统主要部分有关的功能框图。
对于光学镜头而言，需要根据用户对诸如视场、焦距、放大倍率、相对孔径、工作波段范围、空间分辨率、能量分布等指标要求，确定选用的光学系统类型：透射式、反射式还是折返式？对于透射式系统，需要重点考虑结构布局；对于反射式系统，需要权衡同轴卡式、立轴反射式等系统在性能、工艺性以及成本之间的关系。
方案设计是一个多系统协同工作的过程，一般需要光、机、电工程师会同用户多次沟通，特别对于复杂光学仪器耗时较长。
四、光学系统设计
光学系统作为光学仪器核心子系统，在设计时除了需要根据需求分析时确定技术指标以及方案设计时确定的系统类型完成系统的构成，性能优化和公差分析是光学设计师的主要工作。
一个好的光学系统具有以下特征：结构简单、工艺性好、环境适应性强、成本低廉。
1）简单——显然光学系统的简易程度直接影响着光机结构的简易，影响着仪器的成本、资源消耗和可靠性。对于光学镜头，多一片透镜就意味着重量、体积、成本、周期等诸多资源消耗的线性增加。
2）工艺性好——工艺性好坏主要表现在两方面，一是结构合理，常规设备能完成加工、装配和测试工作；二是公差合理，在满足性能指标要求的前提下，给出合理的公差要求，一个好的光学设计师绝对不允许靠无限提高加工、装配精度来提高仪器的性能。光学仪器的容差性能直接反应了光学设计师的设计水平和经验积累程度，也能大幅度降低仪器成本。
五、光机结构设计
光机结构设计的根本任务就是给光学元件一种支撑结构，在规定环境条件下保证光学元件的形状精度和位置精度。形状精度简单讲就是光学元件的无应力支撑技术，而位置精度就是光机结构的稳定性。
光机结构设计师需要重点考虑结构方案、材料选型、装配方案、检测手段等内容，以保证满足光学设计师提出的公差要求和检测需求。
六、仿真分析
在完成光机机构设计后，仪器的主要零件的材料、结构形式都已经或基本确定，这是就需要分析该设计在规定环境中的力、热特性，计算机仿真是分析仪器屏幕样机性能、暴露初始设计缺陷的有力手段。
仿真的手段是“仿”，关键是要“真”，除了娴熟运用分析软件，需要分析人员对仪器的功能、性能有足够的认识，在模型前处理、边界条件确定、仿真结果处理等方面则需要丰富的工程经验作为支撑，才能为设计人员提供切实可行的分析结果和合理化的建议。
七、设计审查
设计审查是光学仪器设计工作的总结也是样机试制前的状态确认过程，一般由该领域的专家或经验丰富的工程人员参与，相关人员主要完成以下工作：
1）技术主管——汇报需求分析和方案设计情况，对总体方案的可行性负责；
2）工艺师——汇报仪器涉及到的关键工艺及落实情况，对工艺可行性负责；
3）光学设计师——汇报光学系统设计情况，对指标满足度、公差鲁棒性负责；
4）光机结构设计师——汇报光机结构设计情况，对指标满足度、结构合理性负责；
5）仿真分析师——汇报屏幕样机的仿真分析情况，对仿真结构的真实性负责。
6）项目经理——总结相关人员的工作成果，给出审查结论，制定下一步计划。
八、样机试制
样机试制是将设计图纸转变为的产品样机的过程。一个好的设计如果只停留在屏幕样机阶段，没有被加工成产品，就不能证明该项设计的正确性。此外，样机研制还包括对设计方案的加工工艺性、装配工艺性、可维护性等指标的验证。
九、最终产品评估
对产品样机进行检测是产品最终评估的主要工作内容，常被看作是检验一个新设计合理性的重要方法。如果测试结果真实可靠，不仅会给设计师提供最直接的产品状态信息，还能为项目主管的决策提供技术支持，也是产品定型的重要判据。
在样机测试阶段出现的任何问题，均可通过重新设计、补救优化设计或者组件级替换解决，但新的方案必须再次通过最终测试才算完成最终产品评估。
十、技术归档
研制过程最后一步就是尽可能完成地机理产品信息，包括设计、分析、生产、测试等。设计文件、工程图样、生产图样、CAD、CAE和CAM文件等产品研制全周期内的相关文件（技术要求、程序、分析报告和测试数据等）均应该整理、归档。
由此可见，光机系统设计是一个复杂的系统工程，任何一个环节出了问题，都会影响最终产品的质量，导致产品的技术状态和质量不受控。所以，对于高档光机系统设计和样机试制，选择合格的委托方至关重要?。?！
