走向光学工程师的必由之路---工厂实习
公安部第一研究所 许正光
2005-9-26
在论坛上看到不少光学设计已经入门或者刚刚入门的同行的苦恼和压抑，我就不由自主地想起自己目前同样的窘境。正如论坛上一位同行说的，当光学软件较为熟悉了之后，突然发现自己进入了一个平台或者高原期，那就是脑子中间一片空白。
在光学设计行业以外，有这么一种趋势：认为镜头设计是一个已经被解决的问题，那些人相信只要你买上一套光学设计软件，然后按一下“全局优化”的按钮，你就可以解决所有镜头设计的问题。当然，现实情况是相反的。光学设计软件无法提供设计结果：软件的标准内置功能是不充分的，它需要在设计者的指导下工作。
“寻找专利，用软件优化，能否达到设计目标基本上靠运气”以及“苦恼于光焦度分配等等设计”似乎成为了最现实两大障碍。于是很多同仁发出呼声：走向光学工程师的路在何方？我想在这里以一位光学初学者的角色和大家浅探一下光学工程师的成长之路，希望对这些同行、光学朋友有所裨益。
很遗憾的说，以上两大障碍并不是一名成为光学工程师最根本的障碍，虽然这也许是我们满腔热忱信心十足的投入到一个光学系统的优化中所面临的最直接的困难。实际上，缺乏实习，对于能否实现我们的光学设计所缺乏的必要的基本了解，是造成我们迅速进入“技术困境”的本质原因。
我参与过一个项目，设计一款“10X变焦，相对孔径在1:1.4、焦距范围20~200mm”的侦察用照相镜头。这个项目是在一位顶尖级别的光学方面的研究员指导完成的。众所周知，当接到这个任务的时候，首先我就是去寻找一个完全有潜力、并且有一定余量的初始系统。然而，很悲观的是，公开的专利中很少有“大相对孔径、高变倍、焦距范围从短焦到中长焦的好结构”。我觉得这应该是最困难的地方了。然而到了镜头出样出来的时候，我才发现，这个东西的设计困难不是因为我在使用软件优化时候的困难、也不是进行光焦度分配的困难，而是如何在工程上实现它。这成为了我这个“镜头设计工程师”最最困窘的地方。
因为，通过计算就可以知道，第一组镜片的尺寸在１４３ｍｍ以上，这个尺寸，一个镜片就足有１斤重，通常３～４片的话，前固定组就足有２公斤。要知道，这还不包括外面的镜筒。
镜头调焦是通过前组微量的前后移动实现的。设计后才发现，支撑变焦组、凸轮、主镜筒、补偿组那么一个笨重的结构是一件非常困难的事情。前组和支撑后面一系列镜组的主镜筒之间会由于支撑的原因出现下沉的问题，导致光轴出现偏差。
凸轮曲线槽的设计，可能是整个这个变焦镜头的难点之一了。直径达到１４０ｍｍ的凸轮，是一个不折不扣的笨重东西。０．５ｍｍ的壁厚增量，都相当于１００克以上的增重。然而，即算是达到了５ｍｍ的厚度，对于整个庞然大物来说也是薄壁零件。在薄壁零件上要加工出两条没有位置变形的曲线槽，可是一件非常困难的事情。尤其是其中一条在低倍端带有一段负的升角的曲线槽的加工，国内自产的铣床很困难去除丝杠空回的误差。最后，我们在天津一家研究所找到了一台日本产的能够自动补偿空回的数控铣床，完成了这个工作。
曲线槽的形状、压力角、凸轮的材料、设计精度、强度等等，都是凸轮设计要考虑的问题。我曾经开发过一个这个方面的程序，结果经过完成这个项目之后才发现，因为我对实现光学机械结构的一知半解，就是造成实现一个光学系统的最大困境所在。
在这款镜头检测的时候，我和光学检测人员一块待了一段时间。一段时间的探讨和学习，我对光学材料以及光学镜片的加工有了长足的了解。例如，镜片设计的形状、公差的给予等等，我才知道，即算是做一位专职的“光学镜头设计”工程师，我都是不合格的。对光学加工和检测的无知或者一知半解，是造成我在光学设计中陷入困境的第二大因素吧。
我曾经拘泥于几位光学大师的经典著作，例如《光学设计手册》、袁旭仓先生、张以谟先生、薛明球先生等等；我也热衷于光学软件如何使用熟练。然后，相当长一段时间，我就呆在电脑面前闭门造车，手头有一些经典的专利或者光学镜头的例子。现在才明白，原来这些软件、书籍、专利，只不过是我刚刚对光学系统的一个概念了解而已；要成为一位优秀的光学工程师，我刚刚起步。
此外，我回忆起来我在大学和研究生期间学习过的光谱学知识、微光与红外理论以及薄膜理论，现在才一长串的连接起来。那些理论知识，约隐约现，雾里看花。而真真实实让我感觉自己有些突破的和底气的就是在光学加工、光学机械结构实现、光学检测的这段时间的工厂实践，我才真正知道：如果我要成为一名优秀的光学工程师，我首先应当知道自己要掌握些什么？
个人感悟，和同行们共享
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