機(jī)械CAD和鏡頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的翻譯和交換

1、.機(jī)械CAD和鏡頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的翻譯和交換摘要：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）通常與機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)聯(lián)系在一起。當(dāng)今的光學(xué)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，也要用CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且受到機(jī)械系統(tǒng)的制約。盡管最早用計(jì)算機(jī)進(jìn)行鏡頭設(shè)計(jì)，但將鏡頭設(shè)計(jì)信息融合到CAD程序里去仍然是個(gè)問(wèn)題。另外，將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)從一個(gè)CAD程序轉(zhuǎn)到另一個(gè)程序里去，既不容易，也不直接。CAD程序是基于模型引擎。它們可能是正確或者開(kāi)放的。將數(shù)據(jù)從一個(gè)引擎移動(dòng)到另一個(gè)引擎可以通過(guò)使用STEP或者IGES交換格式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但會(huì)丟失一些建模數(shù)據(jù)。當(dāng)將數(shù)據(jù)從精度低的引擎移動(dòng)到精度高的引擎時(shí)，引擎的數(shù)學(xué)精度還影響數(shù)據(jù)交換的可靠性。有時(shí)候還要求將鏡頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)移到CAD

2、模型里去，要求將所表代表的東西轉(zhuǎn)換成模型引擎的有用格式。必須解釋和解決光學(xué)特性和特殊的零件的問(wèn)題。本文概括了光學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)械CAD之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)遇到的一些問(wèn)題。1 介紹從20世紀(jì)60年代早期第一次進(jìn)行光線(xiàn)追跡，由于計(jì)算水平和計(jì)算機(jī)水平的提高，光學(xué)分析從中受益匪淺。如今，在信息時(shí)代的中期由于數(shù)據(jù)量的爆炸性的增長(zhǎng)，計(jì)算模型也有了很大的改進(jìn)。Optical Data Solution公司的LensView從專(zhuān)利數(shù)據(jù)提供光學(xué)規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)，還有好多光學(xué)組件制造商提供他們的鏡頭數(shù)據(jù)，它們都提供現(xiàn)成的光學(xué)系統(tǒng)裝配模型?，F(xiàn)代光學(xué)玻璃的數(shù)據(jù)從互聯(lián)網(wǎng)上提供。Stellar Optics Research Inter

3、national Corporation 的Solexis數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)訂閱光盤(pán)，它包括表面規(guī)范和BSDF曲線(xiàn)。當(dāng)鏡頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以融合到CAD程序幾年后，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了能夠?qū)⑺懈魇礁鳂拥臄?shù)據(jù)組合在一起的工具，可以將這些數(shù)據(jù)組合到一個(gè)單一的設(shè)計(jì)環(huán)境里去。光學(xué)和機(jī)械數(shù)據(jù)常常通過(guò)圖像和非圖像應(yīng)用組合在一起。問(wèn)題是，決定采用什么格式的數(shù)據(jù)以及如何將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成手邊的分析軟件可以分析的數(shù)據(jù)格式。經(jīng)過(guò)幾年，已經(jīng)提出了好多種機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)格式，而且已經(jīng)被采納了，但沒(méi)有一個(gè)能夠完全的解決問(wèn)題。沒(méi)有出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)規(guī)范數(shù)據(jù)交換格式，但數(shù)據(jù)交換是可能的。為了應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，應(yīng)清楚不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)代表什么意思。2 幾何

4、資料表示為了開(kāi)始對(duì)一個(gè)綜合的光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，必須把光學(xué)和機(jī)械零件結(jié)合在一起。用很多資料表示，包括面的和 固體/實(shí)體(solid)的模型。在所有的情況下，模型必須提供足夠的信息來(lái)限定某一個(gè)零件，并且對(duì)其進(jìn)行空間定位?；诿娴哪Ｐ吞峁┯嘘P(guān)曲面和邊界的詳細(xì)信息，客觀存在用來(lái)定義面有范圍。solid模型通過(guò)與其所包含的體積毗鄰的面來(lái)提供另外的詳細(xì)信息。也可能用金屬網(wǎng)格表示，提供彎曲邊緣的一部分信息，它們處在曲面上，但沒(méi)有表面本身的信息。金屬網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以創(chuàng)建曲面。光學(xué)規(guī)范包括幾何的和光學(xué)信息，可以轉(zhuǎn)換成上面所表示的任何一種情況。solid模型采用一個(gè)詳細(xì)的topology來(lái)定義模型內(nèi)部的幾何體之

5、間的相互關(guān)系。Topological elements不畫(huà)出幾何圖，但有附屬于不同物體的幾何數(shù)據(jù)要素。圖1是ACIS使用的topology的solid模型要點(diǎn)的示意圖。模型物體的最高一層是一個(gè)body，它由不同的lump組成。Lumps是一系列的空間的1D，2D或者3D的點(diǎn)，它們與其它所有的lump不相連。Shells通過(guò)一系列相連的面和網(wǎng)格 與lumps接壤，可以與一個(gè)solid的外部或者其內(nèi)部的洞接壤。為了提高內(nèi)部效率等目的，將shells分解成Subshells。Face 連接曲面的一部分，并且通過(guò)一系列l(wèi)oop接合。Loops連接一系列coedges。一般來(lái)說(shuō)，loop是封閉的，沒(méi)有確

6、定的起點(diǎn)或者終點(diǎn)。Wires連接不附屬于某一個(gè)face的一系列coedges。Coedges表示一個(gè)某一個(gè)face使用的edge，兩個(gè)相鄰的edges共享一個(gè)coedge。Coedges也可能代表一個(gè)wire對(duì)edge的使用。Edges是vertices的交線(xiàn)。Topological elements之間的關(guān)系確定，當(dāng)在模型里面移動(dòng)和interrogating數(shù)據(jù)的時(shí)候，此模型引擎使用完整而且有效的幾何實(shí)體。鏡頭prescription里面所包含的幾何資料類(lèi)似于基于面的表示，這里不用任何的topological控制對(duì)每個(gè)面分開(kāi)定義。Curvature參數(shù)，一個(gè)孔徑，一個(gè)確定方向的數(shù)據(jù)，例如通常

7、用一個(gè)傾斜量和直徑就可以確定一個(gè)棱鏡的表面。還提供每?jī)缮厦嬷g的距離，這個(gè)距離可能是相對(duì)一系列表面的，也可能是對(duì)某一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)。因?yàn)殓R頭設(shè)計(jì)中的光線(xiàn)追跡算法歷來(lái)是按順序進(jìn)行的，曲面會(huì)卷曲或者相互交叉，這對(duì)程序的分析沒(méi)有嚴(yán)重的影響。3 機(jī)械交換格式讓不同程序之間共享數(shù)據(jù)不是一個(gè)新想法。機(jī)械CAD工業(yè)已經(jīng)頒布了從已經(jīng)出版的格式到標(biāo)準(zhǔn)body到開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)的幾種交換方法。個(gè)人用戶(hù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)并出版了交換格式，允許其它應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)。Autodesk提出的DXF格式，它允許提取的格式是中立的交換格式，而不公開(kāi)AutoCAD的核心數(shù)據(jù)格式。3D系統(tǒng)公司為steroliithography 和rapi

8、d prototyping開(kāi)發(fā)了STL，但STL也可以用在其它的數(shù)據(jù)交換上。這種格式是由一系列與下面幾何圖形相接的小三角形平面組成的。用得最多的標(biāo)準(zhǔn)格式是IGES。，這要追溯到70年代。IGES規(guī)范被IPO(=IGES/PDES Organization)組織監(jiān)督。NIST(=National Institute for Standards and Technology)已經(jīng)將IPO規(guī)定為官方組織來(lái)負(fù)責(zé)IGES規(guī)范的內(nèi)容。IPO還負(fù)責(zé)美國(guó)的PDES標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。STEP是一個(gè)新的，改進(jìn)了的廣泛的格式，它已經(jīng)被開(kāi)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)商普遍接受。其它的標(biāo)準(zhǔn)還有VDAIS和SET。有些公司在開(kāi)發(fā)modeling

9、 toolkits給應(yīng)用開(kāi)發(fā)商提供一個(gè)公用平臺(tái)，在這個(gè)基礎(chǔ)上的類(lèi)似的程序之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，丟失數(shù)據(jù)很少。Spatial Technology 公司的ACIS為應(yīng)用系統(tǒng)提供模型函數(shù)和公共數(shù)據(jù)格式。ACIS是應(yīng)用最廣的modeling核心，自稱(chēng)有180個(gè)應(yīng)用程序，已經(jīng)安裝了1.4million次。Unigraphics Solutions的Parasolid 是另一個(gè)流行的核心(kernel)，帶有80個(gè)應(yīng)用程序。還有其它的模型引擎和toolkits。圖2-4是薄片型物體的STL，IGES，ACIS的格式的例子。它是個(gè)方形的，高度2mm，在XY平面內(nèi)，中心坐標(biāo)是（0,0,1）。注：一般不必直接用這些

10、格式。上面的三個(gè)例子示出這些模型可以寫(xiě)成怎么樣不同的形式。STL和ACIS格式可以直接讀取，它可以容易地從ACIS文件中看出topological 參考值。IGES在文件的第一部分中通過(guò)id碼定義entities和relations，在第二部分中提供維數(shù)據(jù)信息。在STL中則不提供relation細(xì)節(jié)。每個(gè)例子都有ASCII碼（text）格式，但也提供二進(jìn)制版本。二進(jìn)制文件占用的空間較小，但當(dāng)在計(jì)算機(jī)之間或通過(guò)email移動(dòng)資料時(shí)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就不好處理。在使用不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)之間移動(dòng)數(shù)據(jù)，用二進(jìn)制文件傳遞更困難。4 數(shù)據(jù)交換中潛在的問(wèn)題數(shù)據(jù)交換的成功與否取決于不同的條件。在接受模型環(huán)境文

11、件中，當(dāng)沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些常見(jiàn)錯(cuò)誤。公差和精度誤差也能影響數(shù)據(jù)的成功交換。物理表示轉(zhuǎn)換后，歷史的和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)會(huì)丟失。數(shù)據(jù)從solid representaion移動(dòng)到surface representation比反過(guò)來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)容易。一旦轉(zhuǎn)換完成了，steps可以用來(lái)修復(fù)和更新數(shù)據(jù)。不同的系統(tǒng)用不同的公差。數(shù)據(jù)數(shù)字化越高，觀看模型和操作時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)兩個(gè)毗鄰的edges與毗鄰的面相交，因?yàn)樵黾泳榷环弦?guī)范時(shí)，就有問(wèn)題出現(xiàn)了，所以bounding geometry和參考點(diǎn)的位置不再在公差范圍之內(nèi)。要解決這個(gè)問(wèn)題，要求通過(guò)增加的精度從應(yīng)用原始應(yīng)用程序產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)文件。有些情況下，需要用

12、輸入的數(shù)據(jù)作為一個(gè)模板，然后再重新產(chǎn)生一個(gè)模型。根據(jù)分析的類(lèi)型的不同，資料可能很接近，不影響結(jié)果。因?yàn)橥獠縯opological 數(shù)據(jù)可以不管，所以將solid數(shù)據(jù)輸入到surface representation里去可以很好地工作。把數(shù)據(jù)移動(dòng)到基于solid的程序中去時(shí)，surface數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換到solid數(shù)據(jù)中去。這個(gè)技術(shù)包括joining和stitching。這些操作將把要求的topological relationship加到surface上去。拼接兩個(gè)有稍微傾斜的毗鄰的邊界的面的時(shí)候，precision issues扮演重要角色。所有交叉面上的縫隙和小洞需要定義另外的面和適當(dāng)?shù)母綄?/p>

13、上，就可以填充這些縫隙。從二維數(shù)據(jù)或者網(wǎng)格架也可能產(chǎn)生surface或者solid。Wireframe就是一系列連在一起的邊界確定面的外邊界或者體積。二維數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是沒(méi)有厚度的wireframe。將網(wǎng)格的邊界覆蓋起來(lái)就是面。這些面不一定要很平，但它們必須與邊界網(wǎng)格的每個(gè)點(diǎn)上相交。例如，如果邊界是柱對(duì)稱(chēng)環(huán)繞任何一個(gè)面的，能夠覆蓋這個(gè)網(wǎng)格。Centered lens要適合它的標(biāo)準(zhǔn)。從STL文件定義的Facet數(shù)據(jù)定義一個(gè)可以用平面覆蓋的三角形邊界。在同一平面中的任何一系列邊界同樣也可以被覆蓋。通過(guò)sweeping操作，depth可以加到二維sheet上去。圖5畫(huà)出了一個(gè)boundary ，它由5

14、個(gè)邊界覆蓋而形成一個(gè)平面。通sweeping操作可以使它外傾斜或者通過(guò)sheet進(jìn)行面的旋轉(zhuǎn)。兩種情況下，geometry都可以完成為surface或者solid數(shù)據(jù)表示。通過(guò)市場(chǎng)需要促進(jìn)可靠的和有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且在不斷的改進(jìn)之中。Surface simplification 試圖用平面和其它分析面的類(lèi)型代替spline 和NURBS面。當(dāng)surface 離開(kāi)透鏡基準(zhǔn)曲線(xiàn)比simplification公差時(shí)，輸入weak aspheric 時(shí)會(huì)出問(wèn)題。不幸的是，資料表示不是geometry的全部?jī)?nèi)容。每個(gè)CAD程序都有它本身創(chuàng)建object的方法，這個(gè)信息在通過(guò)任何的中間媒體交換格式的時(shí)候都

15、會(huì)丟失。任何用來(lái)定義這部分的parameterization將被放在一邊，模型操作的歷史不能翻譯。這些數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)生應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是有限的。如果這個(gè)數(shù)據(jù)不要用來(lái)做進(jìn)一步的修改，這就不是個(gè)問(wèn)題，但在系統(tǒng)的主動(dòng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中要考慮。通常，當(dāng)用其它分析工具來(lái)共享CAD數(shù)據(jù)時(shí)，最好將所有轉(zhuǎn)換限制到只對(duì)一個(gè)工具，并且用當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。5 將棱鏡的轉(zhuǎn)換成幾何圖從原理上來(lái)講，可以直接將光學(xué)的prescription轉(zhuǎn)換成surface或者solid模型。一個(gè)簡(jiǎn)單的雙凸透鏡可以通過(guò)定義它所包圍的體積的邊界來(lái)構(gòu)建。用機(jī)械CAD程序，可以創(chuàng)建2個(gè)球面，然后通過(guò)透鏡的描述，將球的邊緣沿著光軸放置，然后交叉在一起。布爾運(yùn)算

16、(Boolean intersection)將留下一個(gè)透鏡零件，它具有過(guò)大的孔徑。定義一個(gè)半徑等于所要求的透鏡的直徑的圓柱，為第二個(gè)boolean intersection提供一個(gè)工具，完成透鏡零件。圖6示出了這些步驟。Boolean操作可以認(rèn)為是一塊材料和一個(gè)工具的相互作用。在減法操作中，其結(jié)果是用這個(gè)工具將材料從這部分里去掉。在機(jī)械車(chē)間或者用數(shù)學(xué)設(shè)置操作，使boolean操作非常容易。圖6中的處理步驟稱(chēng)為CSG，但數(shù)據(jù)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構(gòu)建一個(gè)object，所以它讓model

17、ing kernel來(lái)將用戶(hù)操作轉(zhuǎn)換到合適的數(shù)據(jù)表達(dá)方式。實(shí)際上，光學(xué)系統(tǒng)比機(jī)械系統(tǒng)具有更緊湊的dimension performance specification。當(dāng)試圖用1/10的波面和tight positional requirement分析一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候，model單位設(shè)置成英寸，分析工具的極限分辨率為0.001個(gè)model 單位。在機(jī)械領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)面的多項(xiàng)式不是標(biāo)準(zhǔn)的。建立一個(gè)非球面用spline或NURBS，要求用一個(gè)近似的面。多年來(lái)，鏡頭設(shè)計(jì)者和鏡頭設(shè)計(jì)程序已經(jīng)發(fā)現(xiàn)輸入比透鏡組件記錄的面的序列面更復(fù)雜的數(shù)據(jù)的方法。當(dāng)試圖將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何圖形時(shí)，非序列組，棱鏡，旋轉(zhuǎn)三棱鏡和其

18、它數(shù)據(jù)會(huì)不行的。圖7是Optikos 公司的ACCOSV的一個(gè)Dove棱鏡的程序節(jié)錄。棱鏡的描述定義三個(gè)面，一個(gè)輸入的，一個(gè)內(nèi)反射面和一個(gè)輸出面。實(shí)際的棱鏡或者它的體表示需要用六個(gè)面。通過(guò)包括明確的孔徑數(shù)據(jù)（CLAP）和專(zhuān)門(mén)的協(xié)議，就可以產(chǎn)生一個(gè)表示solid的面，但用一般的特性，用這些的類(lèi)型來(lái)定義。用一個(gè)自動(dòng)的或者食譜的方法來(lái)設(shè)計(jì)很難。6 結(jié)論當(dāng)今的設(shè)計(jì)工具來(lái)協(xié)助設(shè)計(jì)人員建立更精確和更完整的系統(tǒng)模型，要用一個(gè)很寬的數(shù)據(jù)數(shù)組。在使用產(chǎn)生工具時(shí)，合并不同的數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)變得很平常，而不要求使用者是專(zhuān)家。盡管不同，但機(jī)械交換格式已經(jīng)很好地建立了。這是大量市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，不用懷疑還會(huì)快速發(fā)展。已經(jīng)出現(xiàn)了附加的技術(shù)改進(jìn)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)交換。將光學(xué)prescription包括到甚至于CAD的分析程序里去將會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。光學(xué)公差通常達(dá)到機(jī)械設(shè)備里用