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OCAD應用：利用OCAD進行一般光學系統的設計

時間:2023-02-08 10:44來源:未知作者: infotek點擊:次列印

填寫完對光學系統的設計技術要求之後就可以在表單右側的繪圖框內繪製光學系統方案草圖。繪圖框的基本尺寸默認為一張橫排的A4圖紙。如果根據系統總體尺寸的要求需要調整繪圖框圖紙圖幅的尺寸，可以利用介面是文字框從 “圖幅選擇”中選擇，點擊“圖幅選擇”後會出現一個下拉式功能表，從中選擇所常用的圖幅尺寸代號，如果不滿足還可以選擇“自訂”，給定需要的橫向尺寸和縱向尺寸，如圖3-1。如果需要調整圖紙橫排或豎排的形式，只要在表單左側的資料框內的“橫排”或“豎排”的選擇框內點擊就可以自動變換，如圖1。

圖1 圖幅尺寸選擇

圖2 圖紙的橫豎排列選擇

通過以上設置即可進行光學系統初步方案草圖繪製。所有光學系統，其基本元素都不外乎是由透鏡、光欄、反射鏡以及折射稜鏡等組成。光學系統初始結構方案的繪製，就是依次在繪圖框內安排各種不同光學元素，作為棋子一樣排兵佈陣。在佈陣時，先在左側資料框的表格框內“元件名稱”列的對應面序號欄內點擊，立即在對應位置出現“命令集”下拉式功能表，從中選取所需光學元素。

初始方案草圖繪製
Ⅰ 透鏡的繪製

透鏡是構成光學系統的最基本元素，由於透鏡具有相應光焦度，所以他是光線成像的基本元素。透鏡焦距為零時就是保護玻璃或分劃鏡。一般光學系統的前端第一個零件都用透鏡（或保護玻璃）。因此在繪製光學方案草圖時首先在繪圖框內先畫透鏡。

繪製透鏡時，先在下拉式功能表“命令集”中選取“透鏡”，同時介面要求輸入透鏡焦距值，然後在右側繪圖框內光軸上相應位置點擊劃動一下，等出現一條藍色線條定位後確定透鏡所在位置，程式自動繪製出該透鏡圖形並顯示系統光線，同時在資料表格內顯示有關參數。繪圖過程見圖3所示。繪圖結果如圖4。依此類推可以反復繪製許多所需要的透鏡元素構成光學系統。

圖3 透鏡的繪製過程

圖4 透鏡的繪製

Ⅱ 反射鏡的繪製

反射鏡同樣也是構成光學系統的組成元素之一。由於反射鏡通過對光線反射成像，同時，由於反射鏡與光軸夾角的改變可以用於折轉光軸。

在繪製反射鏡時，與上相同，在命令集內選擇了“反射鏡”，繪製反射鏡時首先需要輸入反射鏡的焦距值，接著還有輸入反射鏡與光軸的夾角，然後在繪圖框內適當位置點擊，即可自動繪製出所需圖形，如圖5右側圖形。由於反射鏡的焦距是由反射鏡不同表面半徑決定的，為簡化方便在方案草圖中均用平面表示。

圖5 反射鏡的繪製

Ⅲ 折射稜鏡的繪製

折射稜鏡在光學系統內不僅可以起到折轉光軸的作用，還可用來對物象起到倒像或鏡像轉換作用。在繪製折射稜鏡前首先要在命令集內選取“反射稜鏡”，由於折射稜鏡有較長的光軸展開長度，相當於一塊有相當厚度的平板玻璃，具有不同等效空氣層，因此在繪製反射稜鏡時還須給出稜鏡材料的玻璃牌號名稱，然後從在介面上顯示反射稜鏡名稱的下拉式功能表上選擇需要的反射稜鏡名稱，由於反射稜鏡是非對稱元件，在選擇稜鏡名稱後還有按提示要求輸入稜鏡主截面與圖面的沿光軸夾角，有些稜鏡還需要繼續輸入比如稜鏡光軸長度延長尺寸或稜鏡潛望高度等參數，可按介面提示輸入。所需資料填寫完畢後，在繪圖框內稜鏡應該位置是點擊劃動一下，等出現一條藍色線條定位，即可自動繪製出該反射稜鏡圖形如圖6。

圖6 反射稜鏡的名稱選擇

圖7 輸入反射稜鏡玻璃材料牌號

圖8 選擇反射稜鏡的稜鏡名稱代號

圖9 系統內繪製反射稜鏡元素

Ⅳ 光楔的繪製

光楔也就是光學系統中常用的折射稜鏡，可以用以進行光線折轉實現系統掃描或變形處理。在光楔元件中又又單光楔和膠合光楔兩種，單光楔結構簡單，膠合光楔可以做消色差處理，各有用途。

圖10 系統內繪製光楔元素

Ⅴ 孔徑光欄的繪製

孔徑光欄雖然不是光學零件，但可在光學系統內對主光線位置起著決定作用，而且會影響整個光學系統外形尺寸的作用。
在繪製孔徑光欄時，按以上方法在命令集內選擇“光欄”，然後在繪圖框的光學系統內光欄位置上點擊劃動一下，等出現一條藍色線條定位，即可自動繪出孔徑光欄圖形，並自動求解出主光線的位置，如圖11。

圖11 繪製系統內孔徑光欄

按照以上方法繪製系統內各不同光學元素後，如果需要繼續排布其他元素，可以按同樣方法依次繪製。每次都可隨意選擇不同光學元素。如圖12。

圖12 繪製出的各種不同光學系統方案草圖

Ⅵ 望遠系統的參數建立

作為目視的望遠系統，目標在無限遠處，經系統成像後由目鏡出射的像方也應該在無限遠處便於人眼接收。為了獲得出射平行光線，要求系統物鏡像面與目鏡前焦面重合。如果系統有分劃鏡，還要求物鏡焦面、分劃面以及目鏡像面三者彼此都要重合。為了滿足這一要求，在繪製方案草圖時，應該使系統物鏡與目鏡間空氣間隔等於物鏡後截距與目鏡前截距之和。在操作時可以點擊該間隔資料後一列的間隔特性處，介面會出現一個下拉式功能表，給出多項選擇，其中包括：物鏡後截距、目鏡前截距以及物鏡目鏡間隔等三項。如果系統沒有分劃板，可以直接選擇”物鏡目鏡間隔（L12）”，程式會自動計算出物鏡後截距和目鏡前截距總和並輸入給物鏡和目鏡間的空氣間隔值構成望遠系統完整資料。

圖13 望遠系統的參數建立

如果系統內有分劃板，還要求物鏡像面與分劃面重合。此時必須分別要求物鏡與分劃面之間間隔等於物鏡後截距，分劃面與目鏡間隔等於目鏡前截距。此時就要在下拉式功能表內分別選擇“物鏡後截距（L1）”和 “物鏡目鏡間隔（L12）”，程式自動計算出對應資料登錄，構成完整望遠系統資料參數。

圖14 帶有分劃板的望遠系統的參數建立

Ⅶ 顯微物鏡放大倍率的物距給定

顯微鏡的放大倍率決定著顯微鏡的顯微放大能力。當顯微鏡的焦距值一定時，決定其放大倍率的取決於系統物面距離。為此在一個顯微系統初始方案建模完成後，確定系統物距是很重要。本程式就具有自動求解並輸入顯微物鏡物距的功能。在操作時只要在介面的資料表格內物距資料特性欄內點擊，然後出現下拉式功能表，從中選擇“計算物面距離（Lo）”，再根據提示輸入系統角放大率值，程式會自動求解並輸入顯微物鏡的物距值。

圖15 根據放大倍率求解顯微物鏡物距參數

② 方案草圖的調整與修改

既然是方案草圖只是光學系統結構方案的初步設想，必然需要結構反復調整修改才能逐漸成熟。

Ⅰ 元件參數的修改

光學元件的參數包括各光學元素的焦距值、反射鏡的表面傾斜角以及各光學元素之間的空氣間隔等，對於折射稜鏡，還可以重新選擇稜鏡名稱及其相應參數。總之，凡是在繪圖過程中輸入的資料均可方便地修改。修改方式有兩種，一是直接在資料表格內修改重新輸入所需資料，第二種方法是在點擊了需要修改是資料時在上方會出現一個可調整資料的拉杆工具條，只要拉動工具條，對應資料就會連續變化，直到滿足要求為止。比如需要調整系統在第一塊透鏡的焦距，首先利用滑鼠點擊表格框在指定光學元素所在序號中元件焦距資料，立即可以看到上方出現的拉杆條，此時拉到拉杆條指標，就可發現圖相框內圖形在動態變化，指定鬆開滑鼠修改結束。其他參數修改於此類似。

圖16 元件參數的修改

Ⅱ 元件佈局位置的調整

方案草圖的調整與修改不僅只是修改某光學元件的本身特性參數，各元件之間的相對位置也同樣是光學系統的重要參數。

為了調整光學元素的空間位置在修改指定參數時還必須保持其他元素的位置不變，比如要在系統在改變其中孔徑光欄位置，或者叫把孔徑光闌在前後兩個透鏡間移動，此時可以利用工具條在“位移”功能。首先點擊資料框內對應“光欄”元件，然後選擇工具條在“位移”按鈕，可以發現有許多子功能，選擇其中“單件拖移”，此時在繪圖框內需要元件會變成紅色提示，再利用滑鼠點擊該元素，沿光軸方向移動，直接該元件隨之移動，其他元件保持不動，指定帶起滑鼠，調整完畢。

圖17 元件的單件拖移

如果要求一次同時調整連續幾個光學元素位置，可以利用子工具條內“局部拖移”功能，和以上類似，先選擇需要移動的前一個元件序號後在選擇“局部拖移”功能後介面提示需要輸入局部元件的最後一個元件的隨著面序號，其餘相同，調整後的效果如圖18。

圖18 部分元件的集體拖移

以上光學元素的位移不僅可以使用滑鼠拖移方法，也可以給定移動資料，採用單件數移或局部數移方法實現。

Ⅲ 元件的添加與刪除

在方案草圖設計過程難免需要隨時添加或刪除不同光學元素。需要刪除時很簡單，只要首先指定資料框內資料表格內需要刪除物件，利用工具條中“刪除”按鈕，即可立即完成。如果需要添加新光學元素，需要首先指定添加光學元素的上一行相應序號，等出現“命令集”後即可順利添加所需元素。

Ⅳ 圖形繪製的比例及位置調整

在系統方案修改與調整過程中，會產生整個圖形在圖紙內的尺寸變化，甚至超出圖紙範圍或圖形位置不平衡，此時可利用工具條內“位移”按鈕或“縮放”按鈕及時調整。需要調整圖紙繪圖比例時，可選擇“縮放”按鈕，圖面上出現斜向箭頭圖示，順箭頭方向左右移動即可調整圖形比例。如需整體移動圖形，可選擇“位移”按鈕，圖面出現十字形圖示，滑鼠可以任意拉到圖形移動的任意位置，直到滿意為止，如圖19。在進行圖形位移時還可以選擇“縮放”按鈕的子按鈕中“全域數移”按指定資料移動。

圖19 圖形的縮放與位移功能

如果只需要調整繪圖比例，可利用表單資料介面內“繪圖比例”功能，此功能比較簡單，一方面可以直接修改繪圖比例資料，同時還可以使用拉杆條拖動，連續修改繪圖比例，動態顯示修改效果指定合適為止，如圖20所示。

圖20 使用“繪圖比例”調整圖形繪製比例

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