隨著(zhù)2016年的到來(lái)，OCAD光學(xué)自動(dòng)設計程序2016年版又為大家增添了新功能。熟悉或試用過(guò)OCAD光學(xué)自動(dòng)設計程序的廣大光學(xué)設計工作者，都了解國產(chǎn)OCAD程序具有國外同類(lèi)光學(xué)設計程序所沒(méi)有的光學(xué)系統初始結構設計獨特功能，特別是機械補償式連續變焦光學(xué)系統的初始結構設計功能更具無(wú)與倫比的明顯亮點(diǎn)。使用OCAD程序可以直接根據設計指標要求快速輕松獲得滿(mǎn)意光學(xué)系統初始結構數據，在此基礎上再利用一定優(yōu)化設計功能即可獲得優(yōu)質(zhì)的光學(xué)系統設計成果。
在以往廣大用戶(hù)對OCAD光學(xué)設計程序使用的基礎上，鑒于用戶(hù)的不同需求，也對OCAD的改進(jìn)和完善起到了一定推動(dòng)作用。為此目前對OCAD 2016版的完善和改進(jìn)介紹如下。
1. 擴展了非物象交換原則和非自動(dòng)換根法的應用
在以往的版本里設計一款連續變焦（ZOOM）系統多是利用典型的物象交換原則首先讓變焦組在系統變焦兩端（最小焦距和最大焦距）處像面位置重合，再由補償組獲得整個(gè)變焦全過(guò)程補償像面位移。這種設計起點(diǎn)被稱(chēng)做“物象交換原則”，此外在補償組補償過(guò)程中，讓變焦組最大像面位移量與補償組最大像面位移補償量重合，然后過(guò)度到補償二次曲線(xiàn)的另一求解點(diǎn)，補償組無(wú)需往返運動(dòng)的補償模式，通常叫“自動(dòng)換根法”。采取自動(dòng)換根法補償不僅避開(kāi)了凸輪曲線(xiàn)的“拐點(diǎn)”而且高效率的提高了系統變焦效率。
物象交換原則與非物象交換原則的區別
自動(dòng)換根與不換根的區別
然而，任何事情也都是有利有弊。采用物象交換原則在求解時(shí)比較方便，變焦組的像面位移量一般較小但不是最小。由于采用物象交換原則時(shí)，物距和像距變化都是以像面位移極值點(diǎn)，即物距等于像距等于二倍焦距處為變焦位移對稱(chēng)點(diǎn)，但此時(shí)對于物象放大率而言并非對稱(chēng)，也即變焦效率不對稱(chēng)。為此引起變焦組及補償組的位移量加大從而加大光學(xué)系統筒長(cháng)。對于有些要求系統結構較緊湊的系統可能就不是最佳解。此時(shí)為壓縮系統筒長(cháng)就需要采用非物象交換原則的變焦結構以滿(mǎn)足其特殊需要。當然也可以反之，利用非物象交換原則拉大系統筒長(cháng)，降低變焦效率減輕像差平衡負擔，以求簡(jiǎn)化系統結構獲得高質(zhì)量成像系統。如下所例，對于同樣設計指標，采用物象交換原則時(shí)系統總長(cháng)為270.6mm，而使用不同非物象交換原則的實(shí)際結果可以是341.5mm和205.2mm兩種不同筒長(cháng)數據。
采用物象交換原則設計結果
采用非物象交換原則設計結果縮短系統筒長(cháng)
采用非物象交換原則設計結果加長(cháng)系統筒長(cháng)
對于補償組在補償過(guò)程是否選擇自動(dòng)換根，也是各有利弊，面對不同要求也會(huì )有不同選擇。單就自動(dòng)換根而言，確實(shí)有利于提高變焦效率，因為在自動(dòng)換根的整個(gè)過(guò)程補償組始終與變焦組反向運動(dòng)，對變焦系統焦距變化速率最高。但自動(dòng)換根的前提必須要求在變焦過(guò)程變焦組與補償組的兩個(gè)極值點(diǎn)要嚴格重合，而且此時(shí)變焦組的像面位移量與補償組的像面補償量嚴格相對，否則會(huì )出現該點(diǎn)的補償跳動(dòng)。為此不僅在光學(xué)系統設計階段要有精確計算保證，在加工制造時(shí)也要嚴格控制加工誤差，確保系統變焦組和補償組的焦距值以及之間空氣間隔嚴格控制在公差范圍內。為此帶來(lái)加工成本。當然不使用自動(dòng)換根的變焦系統會(huì )有補償曲線(xiàn)的往復運動(dòng)，不僅帶來(lái)變焦效率降低，還會(huì )使得凸輪曲線(xiàn)產(chǎn)生拐點(diǎn)，影響運動(dòng)的平滑性�？梢�(jiàn)是否選擇自動(dòng)換根，還需視不同情況靈活選用。
為滿(mǎn)足不同客戶(hù)需求，在2016年版的OCAD光學(xué)自動(dòng)設計程序擴展了使用功能，增加了物象交換原則與非物象交換原則的可選擇使用，增加了自動(dòng)換根與不換根的選擇，以適應不同客戶(hù)的需要。在2016年版本的機械補償變焦系統設計的設計界面增加了以上選擇功能。
新增自動(dòng)換根及物象交換原則選擇功能界面
自動(dòng)換根及線(xiàn)性運動(dòng)選擇功能界面
物象交換原則選擇功能界面
在“自動(dòng)換根”的功能下拉式菜單里可任意選擇自動(dòng)換根不換根以及線(xiàn)性運動(dòng)等三種選擇。選擇線(xiàn)性運動(dòng)后變焦系統的變焦組和補償組同時(shí)按直線(xiàn)運動(dòng)規律運動(dòng)，不使用凸輪曲線(xiàn)大大簡(jiǎn)化了系統結構，但同時(shí)會(huì )產(chǎn)生像面位移補償的缺憾，只有在變焦比較小或對像面補償要求不高的系統采用。
在選擇是否“物象交換原則”的下拉式菜單內可隨意做兩種選擇。當選擇到物象交換原則時(shí)，界面上會(huì )自動(dòng)出現調整非物象交換原則非對稱(chēng)度的拉桿式調節指針，隨意改變物象交換的非對稱(chēng)度，以求滿(mǎn)足不同要求。在改變不同非對稱(chēng)度的同時(shí)，界面會(huì )及時(shí)顯示系統變化示意圖。
2. 自動(dòng)使用單透鏡及膠合透鏡初始結構設計法一次性求解變焦系統初始結構參數
以往的OCAD版本里，在求解完各組元外形尺寸和PW值分配后，由用戶(hù)自行利用程序中“單透鏡及膠合透鏡結構設計”菜單功能分別設計各組分初始結構，然后由人工組合在一起，再利用“機械補償變焦系統設計”菜單功能輸入有關(guān)變焦參數，操作比較麻煩。在新版本里，對較簡(jiǎn)單系統可以在計算完各組分PW值分配后直接進(jìn)入“下一步”操作，自動(dòng)轉入“單透鏡及膠合透鏡結構設計”，分別利用這一功能，依次完成各組元初始結構設計，自動(dòng)完成有關(guān)變焦光學(xué)系統數據輸入，進(jìn)入后期光學(xué)系統優(yōu)化設計。
在完成系統外形尺寸分配及各組元PW值后，可利用本程序膠合透鏡自動(dòng)設計功能對系統各組元進(jìn)行初始結構參數設計求解。求解時(shí)有兩個(gè)方法選擇。
a) 簡(jiǎn)單系統初始結構設計
對于一般的光學(xué)系統，各組元結構比較簡(jiǎn)單，或只使用單透鏡、雙膠合透鏡以及單透鏡與膠合透鏡的組合就可滿(mǎn)足要求。這是就在“機械補償變焦系統設計”的界面內，OCAD就可以自動(dòng)利用程序中“單透鏡及膠合透鏡結構設計”的功能依次自動(dòng)設計完成。這是需要在當前窗體內繼續點(diǎn)擊“下一步”，就會(huì )出現如下界面。
初始結構設計界面
界面內顯示剛計算出來(lái)的系統外形尺寸以及對各組元PW值要求等數據，這些數據就是對各組元進(jìn)行初始結構設計的依據。界面內表格內后兩項顯示“選擇”和“保存”，可以通過(guò)“選擇”欄選擇相應組元進(jìn)行該組元的初始結構設計。經(jīng)選擇后。界面立即出現“膠合透鏡結構設計”窗口，并自動(dòng)填入該組元焦距、孔徑等參數。然后根據具體情況選擇單透鏡和膠合透鏡組合結構，并根據對組元PW要求選擇玻璃材料求出表面半徑等一系列初始結構參數值。
初始結構設計界面
求出組元結構參數后同時(shí)在主界面的光學(xué)系統結構數據表內顯示對應數據。由于以上求解是根據薄透鏡原理計算出來(lái)的，加上實(shí)際厚度之后，透鏡實(shí)際焦距可能有所變化，此時(shí)還可以利用光學(xué)系統結構數據表內縮放焦距的功能對組元焦距值進(jìn)行修正，也還可以對具體結構的透鏡厚度進(jìn)行修改甚至進(jìn)行規格化處理。以上完成之后，點(diǎn)擊窗體內表格欄內對應“保存”欄位置，程序會(huì )自動(dòng)保存設計結果。
縮放組元焦距
保存設計結果
依次重復以上操作，可以完成系統所有各組元的初始結構設計。然后點(diǎn)擊窗體右上角“下一步”按鈕，程序又進(jìn)一步完成各組元設計結果的組合，組成完整的機械補償式連續變焦系統初始結構設計數據，包括系統視場(chǎng)、孔徑以及變焦系統特殊數據的組合。
最后設計結果
光學(xué)系統結構示意圖
由于以上設計均為高斯光學(xué)求解，為此各組分間間隔均為其主面間隔。當完成初始結構設計后的實(shí)際系統的實(shí)際間隔會(huì )因實(shí)際鏡頭厚度而改變，再由于在前面外形尺寸計算時(shí)所給主面間隔只是個(gè)粗略數，有時(shí)會(huì )使透鏡間隔過(guò)大或過(guò)小，甚至使得實(shí)際間隔小于零，發(fā)生鏡頭碰撞。此時(shí)必須調整鏡頭結構，或者重回最初外形尺寸計算，調整初始主面間隔，重新設計。
b) 復雜系統初始結構設計
對于較復雜的光學(xué)系統，某些組元需要復雜化處理，比如組元的通光孔徑過(guò)大，簡(jiǎn)單系統滿(mǎn)足不了要求，或者在矯正像差需要，必須時(shí)該組元結構復雜化。此時(shí)利用以上使用膠合透鏡初始結構設計方法難以完成，例如下圖所示結構，其中后固定組結構就比較復雜。這是可以采用上述設計方法設計后固定組前的幾個(gè)組分，并分別將設計結果臨時(shí)以指定文件名保存下來(lái)，然后對于后固定組采用一般透鏡設計方法設計并臨時(shí)命名保存。
復雜光學(xué)系統結構示意圖
待所有組分分別設計完成，再利用程序中“編輯”菜單中的“連接兩個(gè)系統”功能逐步引入各組元結構參數，并指定各變焦間隔位置。
連接兩個(gè)系統
當系統結構參數建立完成還需要利用“編輯”菜單中“系統基本參數”功能填寫(xiě)系統的視場(chǎng)、孔徑等一系列參數，同時(shí)還需要在“一般數據”中選擇“機械補償式變焦系統”或直接在“編輯”菜單中選擇“機械補償系統參數”，都會(huì )出現如下圖界面。
機械補償式變焦系統窗體
在這個(gè)窗體內可以根據以上外形尺寸計算結果的數據逐項填寫(xiě)。填寫(xiě)完畢點(diǎn)擊左上角“確定”按鈕，全部設計完成。
功能增加后的其他操作與原來(lái)版本相同。
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