機械CAD和鏡頭設(shè)計數(shù)據(jù)之間的翻譯和交換

1、.機械CAD和鏡頭設(shè)計數(shù)據(jù)之間的翻譯和交換摘要：計算機輔助設(shè)計（CAD）通常與機械設(shè)計系統(tǒng)聯(lián)系在一起。當今的光學系統(tǒng)越來越復雜，也要用CAD進行設(shè)計，而且受到機械系統(tǒng)的制約。盡管最早用計算機進行鏡頭設(shè)計，但將鏡頭設(shè)計信息融合到CAD程序里去仍然是個問題。另外，將設(shè)計的數(shù)據(jù)從一個CAD程序轉(zhuǎn)到另一個程序里去，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放的。將數(shù)據(jù)從一個引擎移動到另一個引擎可以通過使用STEP或者IGES交換格式來實現(xiàn)，但會丟失一些建模數(shù)據(jù)。當將數(shù)據(jù)從精度低的引擎移動到精度高的引擎時，引擎的數(shù)學精度還影響數(shù)據(jù)交換的可靠性。有時候還要求將鏡頭設(shè)計數(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特性和特殊的零件的問題。本文概括了光學設(shè)計和機械CAD之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時遇到的一些問題。1 介紹從20世紀60年代早期第一次進行光線追跡，由于計算水平和計算機水平的提高，光學分析從中受益匪淺。如今，在信息時代的中期由于數(shù)據(jù)量的爆炸性的增長，計算模型也有了很大的改進。Optical Data Solution公司的LensView從專利數(shù)據(jù)提供光學規(guī)范的數(shù)據(jù)庫，還有好多光學組件制造商提供他們的鏡頭數(shù)據(jù)，它們都提供現(xiàn)成的光學系統(tǒng)裝配模型?，F(xiàn)代光學玻璃的數(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)庫通過訂閱光盤，它包括表面規(guī)范和BSDF曲線。當鏡頭設(shè)計數(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)組合到一個單一的設(shè)計環(huán)境里去。光學和機械數(shù)據(jù)常常通過圖像和非圖像應(yīng)用組合在一起。問題是，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)過幾年，已經(jīng)提出了好多種機械設(shè)計數(shù)據(jù)格式，而且已經(jīng)被采納了，但沒有一個能夠完全的解決問題。沒有出現(xiàn)一個標準的光學規(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)清楚不同類型的數(shù)據(jù)代表什么意思。2 幾何

4、資料表示為了開始對一個綜合的光學系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行組合，必須把光學和機械零件結(jié)合在一起。用很多資料表示，包括面的和 固體/實體(solid)的模型。在所有的情況下，模型必須提供足夠的信息來限定某一個零件，并且對其進行空間定位?；诿娴哪Ｐ吞峁┯嘘P(guān)曲面和邊界的詳細信息，客觀存在用來定義面有范圍。solid模型通過與其所包含的體積毗鄰的面來提供另外的詳細信息。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。光學規(guī)范包括幾何的和光學信息，可以轉(zhuǎn)換成上面所表示的任何一種情況。solid模型采用一個詳細的topology來定義模型內(nèi)部的幾何體之

5、間的相互關(guān)系。Topological elements不畫出幾何圖，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模型要點的示意圖。模型物體的最高一層是一個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，它們與其它所有的lump不相連。Shells通過一系列相連的面和網(wǎng)格 與lumps接壤，可以與一個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，并且通過一系列l(wèi)oop接合。Loops連接一系列coedges。一般來說，loop是封閉的，沒有確

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

7、用一個傾斜量和直徑就可以確定一個棱鏡的表面。還提供每兩上面之間的距離，這個距離可能是相對一系列表面的，也可能是對某一個絕對坐標系來說。因為鏡頭設(shè)計中的光線追跡算法歷來是按順序進行的，曲面會卷曲或者相互交叉，這對程序的分析沒有嚴重的影響。3 機械交換格式讓不同程序之間共享數(shù)據(jù)不是一個新想法。機械CAD工業(yè)已經(jīng)頒布了從已經(jīng)出版的格式到標準body到開放式的結(jié)構(gòu)的幾種交換方法。個人用戶已經(jīng)開發(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AutoCAD的核心數(shù)據(jù)格式。3D系統(tǒng)公司為steroliithography 和rapi

8、d prototyping開發(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。用得最多的標準格式是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)定為官方組織來負責IGES規(guī)范的內(nèi)容。IPO還負責美國的PDES標準的內(nèi)容。STEP是一個新的，改進了的廣泛的格式，它已經(jīng)被開應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)商普遍接受。其它的標準還有VDAIS和SET。有些公司在開發(fā)modeling

9、 toolkits給應(yīng)用開發(fā)商提供一個公用平臺，在這個基礎(chǔ)上的類似的程序之間的數(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，自稱有180個應(yīng)用程序，已經(jīng)安裝了1.4million次。Unigraphics Solutions的Parasolid 是另一個流行的核心(kernel)，帶有80個應(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。它是個方形的，高度2mm，在XY平面內(nèi)，中心坐標是（0,0,1）。注：一般不必直接用這些

10、格式。上面的三個例子示出這些模型可以寫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細節(jié)。每個例子都有ASCII碼（text）格式，但也提供二進制版本。二進制文件占用的空間較小，但當在計算機之間或通過email移動資料時，一旦出現(xiàn)問題，就不好處理。在使用不同操作系統(tǒng)的計算機之間移動數(shù)據(jù)，用二進制文件傳遞更困難。4 數(shù)據(jù)交換中潛在的問題數(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，當沒有足夠的數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)一些常見錯誤。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)細節(jié)會丟失。數(shù)據(jù)從solid representaion移動到surface representation比反過來移動數(shù)據(jù)容易。一旦轉(zhuǎn)換完成了，steps可以用來修復和更新數(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，觀看模型和操作時間越長。當兩個毗鄰的edges與毗鄰的面相交，因為增加精度而不符合規(guī)范時，就有問題出現(xiàn)了，所以bounding geometry和參考點的位置不再在公差范圍之內(nèi)。要解決這個問題，要求通過增加的精度從應(yīng)用原始應(yīng)用程序產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)文件。有些情況下，需要用

12、輸入的數(shù)據(jù)作為一個模板，然后再重新產(chǎn)生一個模型。根據(jù)分析的類型的不同，資料可能很接近，不影響結(jié)果。因為外部topological 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)移動到基于solid的程序中去時，surface數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換到solid數(shù)據(jù)中去。這個技術(shù)包括joining和stitching。這些操作將把要求的topological relationship加到surface上去。拼接兩個有稍微傾斜的毗鄰的邊界的面的時候，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?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)可以認為是沒有厚度的wireframe。將網(wǎng)格的邊界覆蓋起來就是面。這些面不一定要很平，但它們必須與邊界網(wǎng)格的每個點上相交。例如，如果邊界是柱對稱環(huán)繞任何一個面的，能夠覆蓋這個網(wǎng)格。Centered lens要適合它的標準。從STL文件定義的Facet數(shù)據(jù)定義一個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sweeping操作，depth可以加到二維sheet上去。圖5畫出了一個boundary ，它由5

14、個邊界覆蓋而形成一個平面。通sweeping操作可以使它外傾斜或者通過sheet進行面的旋轉(zhuǎn)。兩種情況下，geometry都可以完成為surface或者solid數(shù)據(jù)表示。通過市場需要促進可靠的和有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且在不斷的改進之中。Surface simplification 試圖用平面和其它分析面的類型代替spline 和NURBS面。當surface 離開透鏡基準曲線比simplification公差時，輸入weak aspheric 時會出問題。不幸的是，資料表示不是geometry的全部內(nèi)容。每個CAD程序都有它本身創(chuàng)建object的方法，這個信息在通過任何的中間媒體交換格式的時候都

15、會丟失。任何用來定義這部分的parameterization將被放在一邊，模型操作的歷史不能翻譯。這些數(shù)據(jù)對產(chǎn)生應(yīng)用程序來說是有限的。如果這個數(shù)據(jù)不要用來做進一步的修改，這就不是個問題，但在系統(tǒng)的主動設(shè)計的過程中要考慮。通常，當用其它分析工具來共享CAD數(shù)據(jù)時，最好將所有轉(zhuǎn)換限制到只對一個工具，并且用當前數(shù)據(jù)進行分析。5 將棱鏡的轉(zhuǎn)換成幾何圖從原理上來講，可以直接將光學的prescription轉(zhuǎn)換成surface或者solid模型。一個簡單的雙凸透鏡可以通過定義它所包圍的體積的邊界來構(gòu)建。用機械CAD程序，可以創(chuàng)建2個球面，然后通過透鏡的描述，將球的邊緣沿著光軸放置，然后交叉在一起。布爾運算

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

17、ing kernel來將用戶操作轉(zhuǎn)換到合適的數(shù)據(jù)表達方式。實際上，光學系統(tǒng)比機械系統(tǒng)具有更緊湊的dimension performance specification。當試圖用1/10的波面和tight positional requirement分析一個系統(tǒng)的時候，model單位設(shè)置成英寸，分析工具的極限分辨率為0.001個model 單位。在機械領(lǐng)域，標準光學面的多項式不是標準的。建立一個非球面用spline或NURBS，要求用一個近似的面。多年來，鏡頭設(shè)計者和鏡頭設(shè)計程序已經(jīng)發(fā)現(xiàn)輸入比透鏡組件記錄的面的序列面更復雜的數(shù)據(jù)的方法。當試圖將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何圖形時，非序列組，棱鏡，旋轉(zhuǎn)三棱鏡和其

18、它數(shù)據(jù)會不行的。圖7是Optikos 公司的ACCOSV的一個Dove棱鏡的程序節(jié)錄。棱鏡的描述定義三個面，一個輸入的，一個內(nèi)反射面和一個輸出面。實際的棱鏡或者它的體表示需要用六個面。通過包括明確的孔徑數(shù)據(jù)（CLAP）和專門的協(xié)議，就可以產(chǎn)生一個表示solid的面，但用一般的特性，用這些的類型來定義。用一個自動的或者食譜的方法來設(shè)計很難。6 結(jié)論當今的設(shè)計工具來協(xié)助設(shè)計人員建立更精確和更完整的系統(tǒng)模型，要用一個很寬的數(shù)據(jù)數(shù)組。在使用產(chǎn)生工具時，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家。盡管不同，但機械交換格式已經(jīng)很好地建立了。這是大量市場競爭的結(jié)果，不用懷疑還會快速發(fā)展。已經(jīng)出現(xiàn)了附加的技術(shù)改進轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)交換。將光學prescription包括到甚至于CAD的分析程序里去將會是一個挑戰(zhàn)。光學公差通常達到機械設(shè)備里用