[分享]连续变焦光学系统设计方法-OCAD [复制链接]

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      OCAD是一款国产的全中文的光学设计软件包，希望大家能多多支持和了解。 -'*\KA@u  
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    OCAD--国产光学设计软件包 2(~Y ^_  
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        变焦系统初始结构设计功能 jtqH3xfy  
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        OCAD可以计算各类连续或断续变焦距光学系统。其中包括光学补偿式连续变焦﹑机械补偿式连续变焦﹑打入打出式断续变焦以及反射镜扫瞄式连续变焦等光学系统。 !]c]:ed\C  
对变焦距系统，可以在整个变焦过程中全程自动优化设计；光学结构示意图以及各种像差曲线均以动画式显示，可以形象直观地看到在整个变焦过程中系统结构和像差曲线的变化情况；对机械补偿式连续变焦光学系统，对各变焦活动组运动的曲线套筒（凸轮）可以自动计算出可直接用以加工的凸轮坐标曲线，根据需要还可对凸轮曲线进行优化设计。在计算三组元机械补偿式连续变焦光学系统时，只要变焦组运动范围以及需计算各变焦距的位置数即可自动完成变焦过程的全部计算，不必输入各变焦位置的可变间隔数据。 2kg<O%KA`c  
        OCAD提供了三组元机械补偿式连续变焦光学系统的初始结构设计的功能。自动分配各变焦组元及固定组的光焦度以及其光学间隔的自动计算；可根据高斯光学理论自动计算各组元的P、W值，从而获得光学系统初始结构参数。在自动优化过程中，可以把各变焦位置的可控像差的算术平均值及其均方差以及各组元光焦度同时作为优化目标值进行控制，以保证光学系统的高斯解及系统像质的一致性；软件包可以根据变焦曲线套筒的直径及要求的最大转角计算曲线套筒的曲线坐标值，直接提供加工数据。还可以根据曲线升角要求调整曲线升角大小等如图所示。 ,#=ykg*~/  
                                  

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连续变焦系统凸轮曲线优化功能 ]I"
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   对于机械补偿式连续变焦系统，总有一个变焦组分和一个补偿组分分别以不同规律运动以保证在改变组分间隔达到连续变焦的同时自动补偿像面位移误差。这两个组分的运动规律通常要求变焦组以线性规律移动，而补偿组则以非线性规律运动。两组镜头的运动多是以机械凸轮机构驱动实现的。驱动凸轮曲线的斜率（陡度）直接影响着运动的平滑度，陡度超过一定程度时会使机构运动“卡死”。凸轮曲线的陡度一方面和曲线套筒的直径以及曲线套筒的转动总角度有关，另一方面还和曲线的方程以及移动组总移动量有关。曲线套筒的直径受镜筒外圆直径约束，曲线套筒的总转动角度也有一定限制。因此，曲线的陡度归根结底是和曲线方程以及移动组总移动量有着密切关系，特别对于变焦倍率（变焦比）的系统因曲线陡度过大而使运动卡死是经常面临的困难。OCAD具有对凸轮曲线优化设计的功能，把一个线性运动和一个非线性运动变成两个非线性运动的结构形式，这样可以在不改变变焦组和补偿组相对移动关系的前提下调整补偿组运动曲线降低曲线陡度，改善使用效果。在图4中是一个20倍连续变焦系统的凸轮曲线在高倍阶段斜率达到75°之高已造成运动卡死如图4所示。经OCAD对凸轮曲线进行优化后可以明显改善曲线斜率，斜率最大值不超过30°，如图5所示。明显改善了凸轮曲线性能。经优化的凸轮曲线坐标数据列于图6，便于直接提供数控机床加工，坐标点数可以根据需要选择。显示数据还可以直接转换成word格式文件或excel工作表格式如图7所示 p}.P^`~j  
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图4 优化前凸轮曲线斜率对照 Kp"mV=RG2T  
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图6 凸轮曲线坐标数据 0CY_nn#3  
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图7 凸轮曲线坐标数据的多种数据格式文件 AO;`k]0e  

薄透镜初始结构设计功能 i[d-n/)  
       薄透镜是光学系统初始结构设计的起点。在光学系统内任何一组光学元件的雏形都可以认为是有最基本的薄透镜开始的。在光学系统外形尺寸计算阶段首先把各组光学元件当成薄透镜利用高斯光学的原理进行设计，然后通过初级像差平衡解算分配各组分P、W值，在此基础上才能计算透镜形状系数，选择玻璃确定表面半径。OCAD软件包的薄透镜初始结构设计就是在分配了各组分光学元件的P、W值的要求基础上，选择玻璃材料，求解透镜表面半径获得系统结构参数的过程。有了系统结构参数才能进一步优化系统平衡像差。 gq[}/E0e  
薄透镜初始结构设计可以根据对该组光学元件的P、W值大小确定结构复杂程度选择单透镜或双胶合透镜或单透镜与双胶合透镜的组合。 "eI-Y`O,  
OCAD光学软件为求解薄透镜初始结构提供窗体如图8。从图中可以看出，根据对薄透 hr@KWE`  
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图8 薄透镜初始结构设计的双胶合透镜设计窗口 _@sqCf%|  
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镜P、W值的要求，选择透镜结构形式有单透镜、双胶合透镜、单透镜—双胶合透镜组合以及双胶合透镜—单透镜组合等四种结构形式。现以双胶合透镜为例，首先把对透镜P、W值的要求填入表中作为设计依据，然后选择使用的玻璃材料的玻璃库名，如中国国标玻璃GB903-87，再选择胶合透镜玻璃材料的王冕玻璃在前或或是玻璃在前，程序自动分别列出王冕玻璃和或是玻璃于两个可选下拉式菜单内。在选择玻璃材料组合时可以人为选择玻璃牌号，也可以利用程序优化选择。比如选择优选玻璃，此时可以利用窗体中间的满足P、W值要求的各种玻璃组合对应曲线，根据曲线数据拉动选择线（图中黑色直线） 3w{4G<I  
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图9 双胶合透镜设计选择玻璃窗口 @Qruc\_  

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后在窗体右侧又会出现一个更小范围的可选组合，如图9。最后再进一步具体选择选定的玻璃组合。接着窗体内就会自动计算出胶合透镜的结构参数，同时还给出该玻璃组合的形状系数Q值与P、W值的关系曲线，如图10。最后还可以根据右上方指针式控件左右移动弯曲透镜，图面自动显示弯曲后透镜参数的变化以及对应P、W值的变化以修改透镜参数。基本合格后点击程序大窗体的“编辑”菜单中“系统结构参数”命令，透镜所有数据立即进入可执行状态，进而可以进行像差评价，自动优化等各种程序功能。完成透镜单元的全部设计。 -sO EL{  
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图10双胶合透镜设计结构参数确定窗口 ]ZO^@sH