Om du konstruerar hårdvara som har någon
Massor av stora, kostsamma, förebyggbara misstag
De flesta av er som arbetar i nystartade företag (och ibland även större företag) gör det fel. Jag vet eftersom jag är en optisk ingenjör (OE) som driver ett ingenjörskonsultföretag (SpireStarter.com). Förra året reste jag nästan 100% av tiden i USA och utomlands och träffade hårdvaruingenjörer som behövde hjälp med optisk teknik. En enorm 85% av det arbete jag gjorde förra året gjordes gratis. Varför? Eftersom så många av dessa hårdvaruföretag 1) behövde lära sig vad optisk teknik var och 2) hur det skulle kunna gynna deras specifika situationer.
De flesta ingenjörer som jag pratade med trodde också att en optisk ingenjör var personen som konstruerade sina glasögon. Breaking News: det vill säga inte vad vi gör.
3 av 3 Optiska proffs håller med
Jag ville inte att du bara skulle ta mitt ord om allt detta. Därför bad jag ingenjörer på två av de största leverantörerna av optiska simuleringsprogram att ringa in. Särskilt tack för bidrag från Patrick Le Houillier (och Jake Jacobsen,
Video: Optisk simuleringsprogramvara i aktion
Nedan är videon som innehåller en inblick i hur programvaran från Synopsys och Zemax fungerar (LightTools at 7:20 och Zemax OpticStudio at 11:40respektive).
Bonus: höjdpunkter på belysningsdesign och bildoptikdesign.
Specialiteter inom optisk teknik
Det finns massor av olika spår inom optisk teknik. De flesta optiska ingenjörer (OE) kommer bara att ha erfarenhet av ett par. Jag har erfarenhet av ett onormalt stort antal specialiteter, men definitivt inte alla. Det är därför jag samarbetar med olika mixar av specialister beroende på projektet.
Du kommer att höra OE säga, "i slutändan är ljuset ljus." Som betyder: ljus följer samma fysikregler oavsett tillämpningar. Det är sant, men olika specialiteter och även olika applikationer inom en specialitet kan vara helt olika bollspel när det gäller tekniska krav och verktyg.
De vanligaste två lådorna att dela in optiska tekniska specialiteter i är avbildning och icke-avbildning.
Bildoptik
Bildoptik inkludera alla optiska enheter där du skapar en bild. Bilden kan vara en bild, en video eller någon annan representation av det verkliga livet som faller på din ögonglob. Exempel är saker som:
- Kameror (inklusive kameror i maskinsyn)
- Mikroskop
- Teleskop och kikare
- Projektorer
- VR -glasögon
Den omfattningen din proctologist stoppar upp ditt inre? Ja, du kan också tacka en optisk ingenjör för det.
Icke-avbildande optik
Begreppet "icke-avbildande optik" innehåller lata alla andra typer av optiska saker som inte är avbildande. Den innehåller MASSOR av specialiteter, såsom:
- Belysning (aka Lighting)
- Lasrar
- LiDAR
- fiber Optics
- Optiska sensorer (t.ex. IR -sensorer, ljusridåer, synliga ljussensorer)
- spektroskopi
- I stort sett allt annat som använder en LED ...
Verktyg för optisk teknik
Som jag nämnde kan verktygen som en OE kan använda variera mycket beroende på applikation. Dessa inkluderar vad ingenjörer använder för att designa, simulera eller "felsöka" i virtuella miljöer och testa i verkliga livet.
Optisk simuleringsprogramvara
För inte så länge sedan gjordes mycket optisk konstruktion och analys för hand. Nu har vi supersnabba datorer och häpnadsväckande simuleringsprogram. De kan visa oss hur en design kommer att fungera innan ett verktyg någonsin skärs. Arbete som kan ha utförts med 50 matematiska beräkningar och blyertsteckningar på fysiska tryck i mänsklig storlek ersätts nu av miljoner beräkningar på en PC och realistiska återgivningar.
Vad är Ray Traces?
Det mesta av det simuleringsarbetet (men inte allt) görs med strålspår. I en typisk simulering har du en videospelversion av alla komponenter i ditt optiska system. Så du kanske har en lysdiod, en lins, lite husgeometri och någon sorts detektor.
I simuleringen modellerar du en virtuell version av var och en av dessa. För din LED kanske du skapar en källmodell med samma färger och ljusfördelning och den totala mängden ljus av dioden. Låt oss säga att objektivet du vill skapa är ganska enkelt och du skapar det stycket direkt i simuleringsprogrammet. Kanske är huset något CAD en mekanisk ingenjör skapad i SolidWorks. Så du får en .STP -fil (eller vilket format du kan använda) från ME och importerar den till simuleringen. Därefter sätter du upp en detektor i området där du vill att ljuset ska gå så att du kan se om du lyckades.
Sedan kommer den svåraste delen: att ställa in material och texturattribut för alla fysiska delar. Dessa modeller bör baseras på din tidigare erfarenhet av att jämföra verkliga livet med simulering. (Små förändringar här kan HELT ändra ditt resultat!)
Sist kanske du berättar för den låtsas -LED du skapade för att förvandla sig till 1 miljon ljusstrålar baserat på dess modell, och du träffade “GO”.
När simuleringen börjar blir var och en av dessa miljoner strålar en beräkning som delas upp i fler strålar och beräkningar varje gång den träffar en yta. När du är klar kan du med överraskande noggrannhet se (om du skapade din modell bra) precis var alla ljusstrålar kommer att hamna.
Det är inte Automagic, det är fortfarande en konst
Denna förklaring kan få det att verka enkelt. Låt mig bara säga, det är det mycket svårare än att trycka på en knapp. Varje simuleringsprogramvara har sitt eget sätt att sprida dessa strålar, tillsammans med hundra andra skillnader. Det krävs fortfarande optisk kunskap, utbildning och framför allt verklig erfarenhet för att göra det rätt. Även då är det riktigt knepigt.
Leverantörer av optiska programvaror
Ibland kommer HW -chefer att fråga en OE: "Vad är den" bästa "optiska programvaran?" Det är som att fråga en programmerare, "Vilket är det bästa kodningsspråket?" Svaret beror helt på applikationen och laddas i alla fall med personlig snedvridning.
Jag har erfarenhet av många av dem. Några jag är kär i. Vissa får mina ögon att rycka tillbaka direkt när jag tittar. Här ska jag försöka hålla mina fördomar i schack genom att lista några av de mer vanliga namnen och de program de är associerade med.
Notera: dessa är inte exklusiva användningar av varje programvara. Med lite blod och svett kan många hackas för att användas för olika typer av optik - jag skulle inte rekommendera det. Men ibland kan det göras - jag listar hur jag har sett dem vanligt förekommande. De är också i ingen särskild ordning.
- Zemax: OpticStudio, LinsMechanix* (båda används vanligare för bildbehandling och andra optiska konstruktioner som inte är beroende av ljusestetik)
- Synopsys: LightTools* (belysning och annan icke-avbildning), KOD V (används vanligtvis för avbildning och icke-belysning), LucidShape (skräddarsydd för att möta de löjligt omfattande designkraven från bilbelysning - Jag var bilbelysningsingenjör, btw)
- Breault Research Organization: (uttalas "Bro",): Så fort som möjligt (används vanligtvis via skriptmiljö), APEX* (Jag har sett Breaults programvara som används för nästan alla applikationer, särskilt om ren simulering är vad ett företag vill ha från SW mer än specifika designmöjligheter.)
- Lambda Research Corporation: TracePro (vanligare för belysning och icke-avbildning), OSLO (vanligare för bildoptik eller större optiska system med bildbehandling som en del)
- LTI Optik: Fotopia* (används oftast för armaturdesign dvs lampor för omgivande belysning. Används även i andra applikationer som inte är avbildande.)
- ANSYS: SPEOS (används oftast för belysning.)
- ... och ett gäng till
* alternativ för antingen anslutning till eller tillägg tillgängliga för SOLIDWORKS
Optisk laboratorieutrustning
Optiska ingenjörer arbetar inte bara i virtual reality -land; vi leker med fysiska grejer också! För saker som prototyper och verifiering av första produktionen pågår mycket verkligt arbete.
Utrustningen kan sträcka sig från storleken a handhållen (ljus) effektmätare till en robotmätmaskin med flera axlar i ett rum (goniofotometrar). Också, optiska labbänkar där du kan rikta in komponenter med hög precision är vanligt.
Andra gånger måste du omvänd ingenjör en församling eller ta reda på saknade specifikationer från en komponent du vill använda. Att få denna data kan kräva specialiserade maskiner eller till och med en anpassad, dukt-bandig hackad-ihop mätmetod.
För varje typ av optisk applikation som utvecklas används vanligtvis en annan kombination av verktyg. Det bidrar naturligtvis till kunskapsdelningen mellan optikspecialiteter.
En maskinteknisk analys
Jag hör ofta om människor som försöker massproducera en enstaka fungerande optisk prototyp utan att göra optisk analys. Ofta har de inte ens alla specifikationer för varje komponent de använde. För att kommunicera mina känslor om detta, skulle jag vilja att du föreställer dig en mekanisk widgetdesign.
Denna widget har flera rörliga delar. Varje del slipades och whittled ner för hand över flera iterationer tills de alla passade ihop. Den är gjord av slumpmässigt kasserat material som widgetdesignern hittade. Nu kommer designern till dig och berättar att han vill att 1,000,000 XNUMX XNUMX av dessa widgets är gjorda.
Du säger: ”Ok, för att börja, var är CAD -modellen att lämna till en fabrik? Vilka är toleranserna för varje del? Vilket material använde du? ”
Widget Designer säger: ”Jag skapade inte en CAD -modell eller gjorde någon toleransanalys om detta. Jag vill bara göra 1,000,000 XNUMX XNUMX av den här saken. Här, bara ta det. ”
Du säger: ”Dude, du behöver verkligen en CAD -modell och/eller ritningar av varje del och sedan räkna ut de acceptabla gränserna för varje dimension. Annars kommer fabrikerna att göra saker som inte fungerar. ”
Widgetdesigner: "Men den här fungerar. Så jag behöver inte göra något av det. Det är okej."
Du jag): "WTF?"
Detta är inte meningsfullt i maskinteknisk mark, och det är mindre meningsfullt med optiska system. Med optiska system kan du inte se själva ljusstrålarna, så det exakta sättet som ett system fungerar är ofta omöjligt att helt förstå utan analys. Dessutom, om du inte känner till trösklar, dimensioner, effekt, våglängder, geometri, etc. i ditt system, du har ingen aning om vad du byggde.
En bra incheckningsfråga att ställa är: "Om mina leverantörer försvinner i morgon, vet jag tillräckligt om mitt optiska system för att få andra leverantörer att bygga det?" Ofta, när du frågar en hårdvarustart, är svaret "ahh ... nej."
Misstag du kan undvika med analys
Onödiga iterationer
En stor fördel med att ta in en optisk ingenjör tidigt är ofta en dramatisk minskning av antalet prototyp iterationer. För saker som ljusrör kan detta särskilt vara sant. Det är optiken som ger ljus från ett kretskort till någon annan del av din hårdvara. För att hålla ljusläckaget till ett minimum och för att få en snygg, jämn belysning ut, är det nästan omöjligt i en tagning utan simuleringar.
Anledningen till att ljusrör försöker utformas så ofta utan optisk analys kan ha att göra med något Patrick Le Houillier delade med mig. En missuppfattning han rutinmässigt behöver korrigera är det människor tror att ljus i ett lätt rör strömmar som vatten genom traditionella VVS, så du ansluter bara A till B. För, du vet, ett rör är ett rör, antar jag? (PS ett lätt rör fungerar inte som ett rör som används i VVS. Jag kvävdes nästan ihjäl av mitt eget skratt när Le Houillier berättade detta.)
Användningen av termen ljusrör har fått flera ingenjörer och designers som inte är utbildade i optisk teknik att ta termen bokstavligt och betrakta ljus som vatten i ett rör ... Ljus i en ljusguide beter sig inte som vatten i ett rör.
- Patrick Le Houillier delar med sig av sin lärarupplevelse som optikproffs på Synopsys.
Tolerans och optimering
Det är svårt att tolerera och optimera med optiska system när du inte har en optisk ingenjör.
I likhet med mekaniska och elektroniska toleranser visar toleranser i optiska system er alla de +/- begränsningar du behöver för att hålla ditt system inom om du vill att allt ska fungera. Så för att hitta brytpunkten med varje vinkel, x, y, z-position, ström, systemtemperatur, och så vidare, är det mer meningsfullt att ändra alla dessa variabler i en dator kontra i ett labb. Om du sedan kan räkna ut toleranser kan du bygga en design som en.) har mer vickrum, och b.) har specifikationer inställda på mitten av det wiggle rummet.
Om ett företag inte använder optiska simuleringar, de kan hoppa över dessa steg sammanlagt. Och det är ett recept på katastrof! Som ett resultat bygger företag ofta optiska system på en knivs kant att bryta och vet inte det förrän det är för sent.
Jag frågade Bob Householder från Zemax om han också hade sett projekt där det inte fanns en OE i början och sedan behövde tas in optikanalys senare. Här är vad han sa:
Jag har tagit in några projekt för bildbehandling eller laserarbete där det fanns en design, eller åtminstone en layout utförd av en maskiningenjör eller fysiker ... Om en OE fanns där i början av projektet, tidslinjen, produktkostnad och prestanda hade säkert varit bättre.
- Bob Householder, Zemax
När tillverkningen går till &*#$: Root Cause Analysis
Även ett robust utformat optiskt system kommer inte rädda dig från kungliga misstag hos dina leverantörer. Men om du redan har byggt en optisk simulering av ditt system är det en miljon gånger lättare att hitta de mest troliga orsakerna till misslyckande. Det finns ett par sätt du kan använda simuleringen för att hjälpa dig.
Bakåt Ray Tracing
Eftersom fysik och ljus är fantastiskt, färdas ljusstrålar samma väg framåt som de gör bakåt. Det betyder att om du har ljus som går någonstans du inte vill (som att förblinda en fotgängare) kan du ta reda på varifrån ljuset kommer i din produkt. I så fall skulle du i din simulering börja där fotgängaren skulle stå och följa strålar tillbaka till din enhet. De platser där strålarna landar på din widget är möjliga synder som orsakar bländning.
Tätt kontrollerade variabler
En av de mest spektakulära sakerna med optiska simuleringar är du vet exakt vilka variabler du ändrar. Å andra sidan, om du gör problemlösning genom att spela med en fysisk upplägg, du ofta vet inte vad alla variabler ens är. Det är också svårt att isolera dessa variabler. Med det menar jag att det är svårt att bara ändra en sak i taget. Till exempel kan du öka effekten men det i sin tur ökar temperaturen.
Så om din produkt ger dig ett resultat du inte gillar, du kan avsiktligt skruva upp en sak i taget i din simulering. När du bråkar med en variabel, till exempel: ett avstånd, ström till en LED, ett material, en ytfinish, etc., och det ger dig ett snyggt slutresultat nära ditt verkliga problem, vet du att du har en sannolikhet misstänka.
Detta är en viktig förmåga att ha som optisk ingenjör! Oftast när det uppstår ett systemfel, optisk design klandras men har ingenting att göra med SNAFU. En gång fick jag veta att diagnostisera ett "optiskt problem" bara för att upptäcka att orsaken var en misslyckande med att skapa ett nytt artikelnummer för en uppdaterad version av drivrutinen. Så den gamla föraren användes av misstag. Om det inte är klart: det har ingenting att göra med optiken.
Ta det från Bob
Här är Bob Householder's (från Zemax) 2 cent om detta:
Optisk simuleringsprogramvara är mycket användbar för grundorsaksanalys eftersom det finns många inbyggda analysverktyg och sedan ett robust skriptspråk för att anpassa analyser.
-Din vän och optikproffs, Bob Householder, från Zemax
Varför vet inte fler vad optisk teknik är?
Du kanske undrar, ”om det är så viktigt, varför göra så få hårdvarunördar vet vad optisk teknik är? "
Det är en bra fråga! Det finns flera anledningar. Här är de som jag tycker bidrar mest.
Optiska ingenjörer = enhörningar
Jag hör ofta ingenjörsledare även inom stora företag som klagar över att de har extrema svårigheter att hitta optiska ingenjörer. Vi är inte många. Därför, även om du har arbetat i ett företag som både behövde en OE och visste vad en OE var, kanske du aldrig har arbetat tillsammans med en.
OE är så sällsynta, ibland till och med de vet inte att de är en. När det finns ett stort behov av en OE i ett företag har jag sett ledningen tvinga en EE att lära sig hur man använder optisk teknik. Vid mer än ett tillfälle, Jag har träffat en "elingenjör" vid ett möte med användaren av en optikprogramvara. Det kommer ofta fram att EE uteslutande utförde OE -arbete. Då måste jag berätta för dem: "Duh, åhhh ... du är en optisk ingenjör."
Dem:
Nej, det är jag inte ... Jag ... helvete, du har rätt. Jag ... jag är optisk ingenjör. ”
Elingenjörer runt om i landet som utvecklar optiska system
Ta det från Patrick
Patrick Le Houillier från Synopsys stöder mig totalt med denna oförutsedda observation:
... vi vet att många industrier kommer att anställa mekaniska och/eller elektriska ingenjörer för att utföra denna typ av arbete antingen för att de inte kan hitta något, tror att de kan designa produkter utan dem, eller inte ens vet att denna typ av ingenjör finns.
- Patrick Le Houillier från Synopsys, Optiksexpert som har sett några saker
Det är typ av en ny sak
Undervisar i optisk vetenskap som studieområde började bara 1929 i USA. (Det är bara 90 år, man!) Kodak och Bausch & Lomb dumpade en massa pengar i University of Rochester, och sa, "vi skulle vilja köpa några optiska ingenjörer". Dessa två företag tillverkade avancerad teknik som kretsade kring optik vid den tiden, och de hade råd att hjälpa till att skapa en helhet Institutet för optik.
De flesta andra företag vid den tiden behövde inte utveckla högteknologiska optikgrejer. När tiden gick och mer teknik började involvera optik, utvecklades behovet, men kostnaden var fortfarande oöverkomlig. Optiska ingenjörer var och är sällsynta. Och sedan utvecklades nya utvecklingsverktyg för optik, men kostnaden för de varit oöverkomliga under lång tid. Av dessa anledningar, mycket optikutveckling har outsourcats till optiktillverkare under lång tid.
Idag är behovet av optisk teknik allestädes närvarande. Även om OE -verktyg fortfarande är dyra, är de inte lika relativt dyra som de en gång var. Den främsta anledningen kvar är: paradox. Bristande medvetenhet om behovet av optiska ingenjörer tidigt i ett företags historia leder till bristande medvetenhet senare.
Hur får du lite optisk vetenskap (eller en optisk ingenjör)
- Anlita en heltidsoptisk ingenjör. Om du en.) har budget för en och b.) kan faktiskt hitta en (vi är en sällsynt ras, kom ihåg!), detta är din bästa insats. Om du kan locka en OE som också har erfarenhet av de optiska specialiteter du behöver hjälp med, då grattis, du har fångat dig själv en enhörning! Många gånger visar sig en eller båda av dessa villkor vara för svåra för även stora företag att uppfylla. I så fall kan du prova alternativ 2 eller 3.
- Anlita en deltids- eller frilansande optisk ingenjör. Proffs: du har en OE! Nackdelar: fortfarande kan vara svårt att hitta, och om du går igenom en headhunter kan du få en lägre servicenivå. Om du går igenom en placeringsbyrå, du bör också veta tillräckligt om optisk teknik för att veta exakt vilka uppgifter du ska begära av din OE. Annars om du hittar en direkt erfaren frilansingenjör, du kanske kan fånga en som kan hålla din hand och ta ledningen lite mer. Andra stora nackdelar: när kontraktet löper kan du förlora åtkomst till värdefull projektkunskap.
- Hitta en leverantör av optisk teknik. Alla tillgångar på ett och samma ställe Du har en OE! ... Kanske mer än 1 om en teknisk vägspärr dyker upp. Du kan också få tillgång till kunskap inom flera optikspecialiteter. När kontrakten är över är det större sannolikhet för få tillgång till projektkunskap om du behöver det i framtiden. Andra fördelar: saker som utbildning, programvara och hårdvara täcks vanligtvis alla av de priser du betalar, så det finns det färre kringutrustning att oroa sig för. Dessutom brukar de ger en hel del handhållning, ibland till och med utbildning, om det behövs. (Och med tanke på hur många HW -nördar som tror att OE är för att göra glasögon, är denna benny nyckel.) Nackdelar: fortfarande inte lika fantastiskt som att ha en egen FT -ingenjör. Dessutom varierar priser och betalningsstrukturer bland optiska teknikföretag mycket och vissa är svåra för mindre start -ups att arbeta med.
Frågor?
Har du fortfarande kvarstående frågor om optisk teknik? Om de är supergeneral, fråga i kommentarerna nedan, så svarar jag. Om du behöver någon teknisk optikjargong förklarad i lekmannens termer, skicka mig ett meddelande på min företagswebbplats HÄR. Jag får den tillagd till lekmannens ordlista om det finns tillräckligt många förfrågningar. Om du har specifika ingenjörs- eller utbildningsbehov som rör optik, skicka också ett meddelande till mig mitt företags webbplats. Antingen kan vi ge dig en kostnadsfri preliminär konsultation, eller så skickar jag dig gärna till den bästa alternativa resursen för dina behov.
Snälla, snälla, börja använda optisk vetenskap i din produktutveckling som involverar optik. Det är där för att göra ditt liv enklare! Det är vetenskap! Det är teknik! Du älskar dessa saker. Älskar en OE.
