机械CAD和镜头设计数据之间的翻译和交换

1、.机械CAD和镜头设计数据之间的翻译和交换摘要：计算机辅助设计（CAD）通常与机械设计系统联系在一起。当今的光学系统越来越复杂，也要用CAD进行设计，而且受到机械系统的制约。尽管最早用计算机进行镜头设计，但将镜头设计信息融合到CAD程序里去仍然是个问题。另外，将设计的数据从一个CAD程序转到另一个程序里去，既不容易，也不直接。CAD程序是基于模型引擎。它们可能是正确或者开放的。将数据从一个引擎移动到另一个引擎可以通过使用STEP或者IGES交换格式来实现，但会丢失一些建模数据。当将数据从精度低的引擎移动到精度高的引擎时，引擎的数学精度还影响数据交换的可靠性。有时候还要求将镜头设计数据移到CAD

2、模型里去，要求将所表代表的东西转换成模型引擎的有用格式。必须解释和解决光学特性和特殊的零件的问题。本文概括了光学设计和机械CAD之间数据转换时遇到的一些问题。1 介绍从20世纪60年代早期第一次进行光线追迹，由于计算水平和计算机水平的提高，光学分析从中受益匪浅。如今，在信息时代的中期由于数据量的爆炸性的增长，计算模型也有了很大的改进。Optical Data Solution公司的LensView从专利数据提供光学规范的数据库，还有好多光学组件制造商提供他们的镜头数据，它们都提供现成的光学系统装配模型。现代光学玻璃的数据从互联网上提供。Stellar Optics Research Inter

3、national Corporation 的Solexis数据库通过订阅光盘，它包括表面规范和BSDF曲线。当镜头设计数据可以融合到CAD程序几年后，现在已经出现了能够将所有各式各样的数据组合在一起的工具，可以将这些数据组合到一个单一的设计环境里去。光学和机械数据常常通过图像和非图像应用组合在一起。问题是，决定采用什么格式的数据以及如何将这些数据转换成手边的分析软件可以分析的数据格式。经过几年，已经提出了好多种机械设计数据格式，而且已经被采纳了，但没有一个能够完全的解决问题。没有出现一个标准的光学规范数据交换格式，但数据交换是可能的。为了应用这些数据，应清楚不同类型的数据代表什么意思。2 几何

4、资料表示为了开始对一个综合的光学系统的数据进行组合，必须把光学和机械零件结合在一起。用很多资料表示，包括面的和 固体/实体(solid)的模型。在所有的情况下，模型必须提供足够的信息来限定某一个零件，并且对其进行空间定位。基于面的模型提供有关曲面和边界的详细信息，客观存在用来定义面有范围。solid模型通过与其所包含的体积毗邻的面来提供另外的详细信息。也可能用金属网格表示，提供弯曲边缘的一部分信息，它们处在曲面上，但没有表面本身的信息。金属网格数据可以创建曲面。光学规范包括几何的和光学信息，可以转换成上面所表示的任何一种情况。solid模型采用一个详细的topology来定义模型内部的几何体之

5、间的相互关系。Topological elements不画出几何图，但有附属于不同物体的几何数据要素。图1是ACIS使用的topology的solid模型要点的示意图。模型物体的最高一层是一个body，它由不同的lump组成。Lumps是一系列的空间的1D，2D或者3D的点，它们与其它所有的lump不相连。Shells通过一系列相连的面和网格 与lumps接壤，可以与一个solid的外部或者其内部的洞接壤。为了提高内部效率等目的，将shells分解成Subshells。Face 连接曲面的一部分，并且通过一系列loop接合。Loops连接一系列coedges。一般来说，loop是封闭的，没有确

6、定的起点或者终点。Wires连接不附属于某一个face的一系列coedges。Coedges表示一个某一个face使用的edge，两个相邻的edges共享一个coedge。Coedges也可能代表一个wire对edge的使用。Edges是vertices的交线。Topological elements之间的关系确定，当在模型里面移动和interrogating数据的时候，此模型引擎使用完整而且有效的几何实体。镜头prescription里面所包含的几何资料类似于基于面的表示，这里不用任何的topological控制对每个面分开定义。Curvature参数，一个孔径，一个确定方向的数据，例如通常

7、用一个倾斜量和直径就可以确定一个棱镜的表面。还提供每两上面之间的距离，这个距离可能是相对一系列表面的，也可能是对某一个绝对坐标系来说。因为镜头设计中的光线追迹算法历来是按顺序进行的，曲面会卷曲或者相互交叉，这对程序的分析没有严重的影响。3 机械交换格式让不同程序之间共享数据不是一个新想法。机械CAD工业已经颁布了从已经出版的格式到标准body到开放式的结构的几种交换方法。个人用户已经开发并出版了交换格式，允许其它应用程序共享数据。Autodesk提出的DXF格式，它允许提取的格式是中立的交换格式，而不公开AutoCAD的核心数据格式。3D系统公司为steroliithography 和rapi

8、d prototyping开发了STL，但STL也可以用在其它的数据交换上。这种格式是由一系列与下面几何图形相接的小三角形平面组成的。用得最多的标准格式是IGES。，这要追溯到70年代。IGES规范被IPO(=IGES/PDES Organization)组织监督。NIST(=National Institute for Standards and Technology)已经将IPO规定为官方组织来负责IGES规范的内容。IPO还负责美国的PDES标准的内容。STEP是一个新的，改进了的广泛的格式，它已经被开应用系统发商普遍接受。其它的标准还有VDAIS和SET。有些公司在开发modeling

9、 toolkits给应用开发商提供一个公用平台，在这个基础上的类似的程序之间的数据转换，丢失数据很少。Spatial Technology 公司的ACIS为应用系统提供模型函数和公共数据格式。ACIS是应用最广的modeling核心，自称有180个应用程序，已经安装了1.4million次。Unigraphics Solutions的Parasolid 是另一个流行的核心(kernel)，带有80个应用程序。还有其它的模型引擎和toolkits。图2-4是薄片型物体的STL，IGES，ACIS的格式的例子。它是个方形的，高度2mm，在XY平面内，中心坐标是（0,0,1）。注：一般不必直接用这些

10、格式。上面的三个例子示出这些模型可以写成怎么样不同的形式。STL和ACIS格式可以直接读取，它可以容易地从ACIS文件中看出topological 参考值。IGES在文件的第一部分中通过id码定义entities和relations，在第二部分中提供维数据信息。在STL中则不提供relation细节。每个例子都有ASCII码（text）格式，但也提供二进制版本。二进制文件占用的空间较小，但当在计算机之间或通过email移动资料时，一旦出现问题，就不好处理。在使用不同操作系统的计算机之间移动数据，用二进制文件传递更困难。4 数据交换中潜在的问题数据交换的成功与否取决于不同的条件。在接受模型环境文

11、件中，当没有足够的数据时，会出现一些常见错误。公差和精度误差也能影响数据的成功交换。物理表示转换后，历史的和结构细节会丢失。数据从solid representaion移动到surface representation比反过来移动数据容易。一旦转换完成了，steps可以用来修复和更新数据。不同的系统用不同的公差。数据数字化越高，观看模型和操作时间越长。当两个毗邻的edges与毗邻的面相交，因为增加精度而不符合规范时，就有问题出现了，所以bounding geometry和参考点的位置不再在公差范围之内。要解决这个问题，要求通过增加的精度从应用原始应用程序产生一个新的数据文件。有些情况下，需要用

12、输入的数据作为一个模板，然后再重新产生一个模型。根据分析的类型的不同，资料可能很接近，不影响结果。因为外部topological 数据可以不管，所以将solid数据输入到surface representation里去可以很好地工作。把数据移动到基于solid的程序中去时，surface数据必须转换到solid数据中去。这个技术包括joining和stitching。这些操作将把要求的topological relationship加到surface上去。拼接两个有稍微倾斜的毗邻的边界的面的时候，precision issues扮演重要角色。所有交叉面上的缝隙和小洞需要定义另外的面和适当的附属

13、上，就可以填充这些缝隙。从二维数据或者网格架也可能产生surface或者solid。Wireframe就是一系列连在一起的边界确定面的外边界或者体积。二维数据可以认为是没有厚度的wireframe。将网格的边界覆盖起来就是面。这些面不一定要很平，但它们必须与边界网格的每个点上相交。例如，如果边界是柱对称环绕任何一个面的，能够覆盖这个网格。Centered lens要适合它的标准。从STL文件定义的Facet数据定义一个可以用平面覆盖的三角形边界。在同一平面中的任何一系列边界同样也可以被覆盖。通过sweeping操作，depth可以加到二维sheet上去。图5画出了一个boundary ，它由5

14、个边界覆盖而形成一个平面。通sweeping操作可以使它外倾斜或者通过sheet进行面的旋转。两种情况下，geometry都可以完成为surface或者solid数据表示。通过市场需要促进可靠的和有效的数据转换，而且在不断的改进之中。Surface simplification 试图用平面和其它分析面的类型代替spline 和NURBS面。当surface 离开透镜基准曲线比simplification公差时，输入weak aspheric 时会出问题。不幸的是，资料表示不是geometry的全部内容。每个CAD程序都有它本身创建object的方法，这个信息在通过任何的中间媒体交换格式的时候都

15、会丢失。任何用来定义这部分的parameterization将被放在一边，模型操作的历史不能翻译。这些数据对产生应用程序来说是有限的。如果这个数据不要用来做进一步的修改，这就不是个问题，但在系统的主动设计的过程中要考虑。通常，当用其它分析工具来共享CAD数据时，最好将所有转换限制到只对一个工具，并且用当前数据进行分析。5 将棱镜的转换成几何图从原理上来讲，可以直接将光学的prescription转换成surface或者solid模型。一个简单的双凸透镜可以通过定义它所包围的体积的边界来构建。用机械CAD程序，可以创建2个球面，然后通过透镜的描述，将球的边缘沿着光轴放置，然后交叉在一起。布尔运算

16、(Boolean intersection)将留下一个透镜零件，它具有过大的孔径。定义一个半径等于所要求的透镜的直径的圆柱，为第二个boolean intersection提供一个工具，完成透镜零件。图6示出了这些步骤。Boolean操作可以认为是一块材料和一个工具的相互作用。在减法操作中，其结果是用这个工具将材料从这部分里去掉。在机械车间或者用数学设置操作，使boolean操作非常容易。图6中的处理步骤称为CSG，但数据用所有上面描述的topological element保存在Boundary Representation里。很容易就明白如何用CSG构建一个object，所以它让model

17、ing kernel来将用户操作转换到合适的数据表达方式。实际上，光学系统比机械系统具有更紧凑的dimension performance specification。当试图用1/10的波面和tight positional requirement分析一个系统的时候，model单位设置成英寸，分析工具的极限分辨率为0.001个model 单位。在机械领域，标准光学面的多项式不是标准的。建立一个非球面用spline或NURBS，要求用一个近似的面。多年来，镜头设计者和镜头设计程序已经发现输入比透镜组件记录的面的序列面更复杂的数据的方法。当试图将数据转换为几何图形时，非序列组，棱镜，旋转三棱镜和其

18、它数据会不行的。图7是Optikos 公司的ACCOSV的一个Dove棱镜的程序节录。棱镜的描述定义三个面，一个输入的，一个内反射面和一个输出面。实际的棱镜或者它的体表示需要用六个面。通过包括明确的孔径数据（CLAP）和专门的协议，就可以产生一个表示solid的面，但用一般的特性，用这些的类型来定义。用一个自动的或者食谱的方法来设计很难。6 结论当今的设计工具来协助设计人员建立更精确和更完整的系统模型，要用一个很宽的数据数组。在使用产生工具时，合并不同的数据格式的数据变得很平常，而不要求使用者是专家。尽管不同，但机械交换格式已经很好地建立了。这是大量市场竞争的结果，不用怀疑还会快速发展。已经出现了附加的技术改进转换后的数据交换。将光学prescription包括到甚至于CAD的分析程序里去将会是一个挑战。光学公差通常达到机械设备里用