OCAD光學自動設計程式是一個在Windows環境下，採用全中文功能表，操作實用性很強的國產光學CAD套裝軟體。利用套裝軟體各級介面的下拉式功能表或工具條操作快捷方便。OCAD光學自動設計程式主介面如圖1所示。
圖1 OCAD光學自動設計程式主介面
當前國內外優秀的光學設計軟體很多，但大多數都集中在光學系統的優化和像質評價方面，但如何確定光學系統的初始結構，在優化過程中如何隨時貫徹我國有關光學設計標準，特別是貫徹光學零件的表面半徑標準、邊沿厚度標準以及中心厚度標準等都需要在優化過程中及時體現，否則在優化之後再考慮這些勢必會影響優化結果。此外，在系統優化合格之後如何貫徹我國相應光學標準繪製光學圖紙也是光學設計者的繁重工作。為此OCAD光學自動設計程式就是出於這些目的編制的適用性光學設計軟體。為了與國內外一些優秀光學軟體取長補短，該程式設計了與其它有關軟體連結互動功能，可以實現和其它光學軟體資料共用，互相轉換，以求在整個光學設計過程中利用不同光學軟體的優勢完成光學設計工作。OCAD還可以與Word文書處理軟體關聯自動把設計過程中的資料及時轉換成Word文檔案格式並顯示在介面上便於處理。OCAD光學自動設計程式的主要功能簡介如下。
一、系統適應範圍
本程式不僅能計算常用的具有軸對稱旋轉表面的光學系統，還可以計算具有偏心和傾斜光學表面的非對稱光學系統；不僅能計算各種定焦距光學系統，還可以計算各種連續變焦光學系統、光學掃描系統以及變形光學系統等；
-
能計算各種複雜的有焦光學系統，以及各種無焦光學系統。對於無焦光學系統可以直接使用角像差進行評價；
-
圖1-2 各類望遠或無焦光學系統
-
能計算視場角小於90°的普通廣角鏡頭，F-θ鏡頭，還可以計算視場角大於90°的超廣角的魚眼鏡頭；
-
圖1-3 特廣角（魚眼）鏡頭
-
能計算由一系列球面或非球面或平面折（反）射光學表面組成的複雜光學系統，還能直接把各種折射棱鏡置於系統中進行計算；
圖1-4 帶棱鏡反射式光學系統
-
可以計算各類連續變焦和斷續變焦光學系統；
-
圖1-5 各類連續或斷續變焦光學系統
-
可以計算各類光學掃描系統；
-
圖1-6 各類掃描光學系統
-
計算各類反射鏡和特殊表面光學系統
圖1-7 各類反射鏡和特殊表面光學系統
-
可以計算各類非成像系統和變形系統；
-
圖1-8 變形光學系統
圖1-9 非成像（或照明）光學系統
-
可以計算系統各類成像像差及像差曲線。
圖1-10 各類幾何像差曲線
圖1-11 各類點列圖像差曲線
圖1-12 各類非成像光學系統像差曲線
二、典型系統初始結構設計功能
本程式可以自動設計作為光學系統基礎的各種組合膠合薄透鏡光學元件、各類典型光學系統。其中各類連續變焦系統﹑斷續變焦系統、光學掃瞄光學系統以及雙高斯照相物鏡系統等。只要根據設計要求就能自動設計出基礎結構參數供自動優化以至最終完成滿足設計要求的合格光學系統。
1.各類膠合薄透鏡及組合初始結構設計
圖1-3 自動設計各類膠合薄透鏡及組合
2.雙高斯照相物鏡系統初始結構設計
圖1-4 自動設計雙高斯照相物鏡系統
3.各類變焦系統初始結構設計
對變焦距系統，可以在整個變焦過程中全程自動優化設計；光學結構示意圖以及各種像差曲線均以動畫式顯示，可以形象直觀地看到在整個變焦過程中系統結構和像差曲線的變化情況；對機械補償式連續變焦光學系統，對各變焦活動組運動的曲線套筒（凸輪）可以自動計算出可直接用以加工的凸輪座標曲線，根據需要還可對凸輪曲線進行優化設計。在計算機械補償式連續變焦光學系統時，只要變焦組運動範圍以及需計算各變焦距的位置數即可自動完成變焦過程的全部計算，不必輸入各變焦位置的可變間隔資料。
本程式提供了機械補償式連續變焦光學系統的初始結構設計的功能。自動分配各變焦組元及固定組的光焦度以及其光學間隔的自動計算；可根據高斯光學理論自動計算各組元的P、W值，從而獲得光學系統初始結構參數。在自動優化過程中，可以把各變焦位置的可控像差的算術平均值及其均方差以及各組元光焦度同時作為優化目標值進行控制，以保證光學系統的高斯解及系統像質的一致性；程式可以根據變焦曲線套筒的直徑及要求的最大轉角計算曲線套筒的曲線座標值，直接提供加工資料。還可以根據曲線升角要求調整曲線升角大小等如圖1-5所示。
圖1-5 自動設計及優化各類變焦系統
4.各類掃描光學系統初始結構設計
本程式具有自動設計各類掃描光學系統初始結構設計功能，其中包括物方掃描和像方掃描的單反射鏡掃描、雙反射鏡掃描以及雙光楔掃描的光學系統。
圖1-13 單反射鏡或棱鏡光學掃描系統
圖1-14 雙反射鏡掃描光學系統
圖1-15 雙光楔掃描光學系統
5.菲涅爾透鏡自動設計
程式可以根據等效焦距及表面基底曲率的要求自動設計菲涅爾透鏡，如圖1-16。
圖1-16 自動設計菲涅爾透鏡
三、連續變焦系統凸輪曲線優化功能
在顯示可變焦距光學系統示意圖的同時，還可自動計算並顯示連續變焦光學系統凸輪曲線。對三組元連續變焦系統，還可根據需要計算任意點數的凸輪曲線以及曲線的座標值等。對非三組元連續變焦系統，還可根據系統給出的可變間隔資料計算指定點數的凸輪曲線以及曲線的座標值。
凸輪曲線的計算和曲線顯示方法圖5-1。
圖5-3 連續變焦光學系統凸輪曲線的計算
對三組元連續變焦系統，前活動組被稱為變焦組，後活動組被稱為補償組。按照連續變焦系統的光學計算方法，如果其中變焦組的運動位置設定，相應補償組的位置便可有計算確定。在計算其凸輪曲線時可以先給定變焦組運動軌跡求取補償組曲線，反之也可以先給定補償組運動軌跡求取變焦組曲線。在給定變焦組或補償組運動軌跡時，可以設定為直線也可以設定為一個三次曲線。由於過去對凸輪曲線套筒加工工藝的困難，對變焦組運動軌跡基本都採用直線的形式。但隨著凸輪加工工藝的不斷提高以及對變焦組和補償組兩條運動曲線的優化組合的需要，兩條運動曲線均採用非線性曲線的凸輪會有效改善凸輪升角關係，提高運動平滑性。當選用曲線運動軌跡時，凸輪計算視窗變化如圖5-4，可以設計非直線運動的曲線方程係數。曲線方程為 ，其中  ﹑ 和 三個係數可在圖5-2中填入。注意在填寫這三個係數時應填寫係數的規劃值，即三個係數的和應為“1”。
圖5-4 連續變焦光學系統凸輪曲線的計算
此外，在計算凸輪曲線時，考慮到活動組運動範圍的餘量，凸輪曲線兩端必須適當延長，即需要增加計算點數。為此在給定計算運動曲線座標點數時應分別填寫“前延點數”﹑“選取座標點數”和“後延點數”三個數據。另外考慮機械設計時以設計了凸輪曲線套筒的直徑及曲線套筒的轉動角度範圍，在計算凸輪曲線時還可計算出曲線的曲線套筒的轉動角度座標和沿套筒的軸向座標以及曲線升角角度值以供參考。
經過以上資料準備後，點擊“顯示凸輪曲線”或“顯示凸輪座標”即可顯示凸輪曲線或凸輪座標資料如圖5-5。
圖5-5 凸輪曲線的座標資料
圖5-5 凸輪曲線的曲線圖
四、自動繪圖的功能
在光學設計任務完成之後，按標準化的要求，應該對各光學表面半徑進行規格化處理。首先考慮按照 GB3158-82 光學零件球面半徑數值系列的要求，然後還可以按有關企業標準或現有樣板庫的樣板系列規化光學表面半徑。本軟體就具有此功能。
光學系統圖 膠合件圖 零件圖
圖3 可繪製各類光學圖紙
本套裝軟體有很強的自動繪製各種光學圖紙的功能。在光學系統出圖階段，可以按照標準化的要求，滿足 GB13323-91 光學製圖以及其他一系列諸如光學零件公差配合，零件倒邊倒角的要求，繪製光學系統圖，光學零件圖以及光學棱鏡圖等。
本套裝軟體還為使用者提供了一個繪圖視窗，在其中任意繪製各種光學方案示意圖，也可以對自動繪製的各種光學圖紙進行補充或添加。
五、亟與其它光學設計軟體的相容功能
本套裝軟體具有可讀取國內外一些著名光學軟體資料檔案以及自動生成其資料檔案的功能。目前國內外一些著名光學軟體，各有所長，各具特色。為了取長補短，本套裝軟體可以直接讀取如國外著名的 CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及國內應用面很廣的 SOD88 等光學軟體的資料檔案，同時本套裝軟體也具有可以自動生成這些光學軟體的資料檔案的功能。這樣不僅可以擴展本套裝軟體和他們之間的交流，同時還可以以本套裝軟體為紐帶增強這些套裝軟體之間的交流。
圖5 與 CODE Ⅴ 光學軟體相容 圖6 與 Zemax 光學軟體相容
圖7 與 OSLO 光學軟體相容
由於各光學軟體的功能各有所長，其資料檔案的內涵也有所不同，因此在各不同軟體之間資料轉換時也不可能完全轉換。本套裝軟體對其他軟體資料讀取或保存成其他軟體的資料檔案時也只能讀存其公共部分，各自的特殊內容尚需在使用該程式時修改補充。
六、與其它應用軟體連結使用的功能
本套裝軟體具有可與其他應用軟體連結使用的功能。由於光學設計軟體不僅只進行光學設計，還要進行設計結果的輸出工作，其中包括計算資料的輸出和設計圖紙的繪製輸出工作。輸出設計資料往往需要經常使用的 Microsoft Word 軟體及Microsoft Excel 軟體等，設計圖紙的繪製除本軟體可以直接繪製各類光學圖紙外，有時也許要應用工程通用的 AutoCAD 應用軟體以及 Solid Work 軟體等。為了便於使用這些有用的應用軟體，本套裝軟體可以把這些好軟體連結在一起，操作十分方便。圖8到圖10分別為本套裝軟體直接調用被連結的Microsoft Word 軟體、Microsoft Excel 軟體以及 AutoCAD 軟體的螢幕介面。
圖8 與Word軟體連結使用 圖9 與AutoCAD軟體連結使用
圖10與 Excel軟體連結使用
七、文字處理功能
本套裝軟體生成的所有計算結果資料，都可以存成 Word 軟體使用的 “*.DOC” 格式檔，並具有一定文字處理功能，比如字體及大小的選擇；文字增刪、複製及粘貼；居中或前後對齊的處理以及字的前景色和背景色的選擇處理等功能如圖11所示。
圖11 文字處理窗口
八、資料庫功能
1.玻璃材料資料資料
其中玻璃材料資料庫幾乎涵蓋了國內外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及 SOD88 等光學軟體具有的所有光學材料玻璃庫，其中還包括有色玻璃材料，所有玻璃庫用戶都有對其補充修改的功能，便於不斷擴充如圖12所示。
圖12 光學玻璃材料資料庫
2.廠（所）標玻璃對樣板資料
為對光學表面半徑進行標準化處理及儘量選用本企業或其他企業現有對樣板資源，套裝軟體可以提供或自己建立對樣板資料庫，供充分選擇。
3.光學反射棱鏡圖庫資料
為便於繪製光學反射棱鏡零件圖，套裝軟體可自動繪製 國標GB 7660.1～7660.3-87 所規定的所有反射棱鏡。
4.典型（專利）光學系統鏡頭庫資料
套裝軟體在檔功能表裡為使用者提供了一個典型鏡頭資料庫功能，此鏡頭庫是一個開放式鏡頭資料庫，不僅收入了國內外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO等光學軟體中所列各種專利鏡頭資料及其他專利鏡頭資料2500多，供設計選取和參考。還可及時記錄和存入使用者積累的光學資料資料。
為使用方便，這些鏡頭資料資料按不同類型光學系統記錄在資料查詢目錄中，供隨時存取檢索使用如圖13所示。
圖13 光學資料資料鏡頭庫
|
