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OCAD應用：三組元連續變焦系統

時間:2023-03-06 17:14來源:未知作者: infotek點擊:次列印

打開“機械補償變焦系統設計”命令是預設的就是三組元連續變焦系統設計如圖1。

圖1 變焦系統高斯計算表單

以三組元變焦結構形式為例，說明機械補償式連續變焦系統設計方法。首先從中選擇“三組元變焦”，表單上顯示三組元連續變焦光學系統的典型示意圖，下方有一些提示供填寫對系統設計要求的參數指標，其中包括一些性能指標和結構參數。性能指標包括系統最小焦距，也就是變焦的短焦焦距、系統變焦比、像面高度以及系統相對孔徑（F數）等。設計參數包括前固定組焦距以及各組分之間的高斯間隔。在選擇組分間隔時可以選擇前固定組與變焦組之間間隔，還可以選擇系統後工作距離，在滿足後工作距離條件下計算前固定組的位置距離。此外前固定組的焦距值可以選擇正值或負值。前固定組焦距為證時是負組變焦，反之為正組變焦。由於初始結構外形尺寸計算為高斯計算，即薄透鏡計算，因此在填寫各組分間隔時要為實際系統的透鏡厚度留有餘量。

外形尺寸自動計算

根據以上要求按表中內容填寫完畢，三組元機械補償式變焦系統的外形尺寸計算工作立即自動完成。此時如果選擇工具條上“圖文”按鈕就會顯示系統外形尺寸計算結構資料。如果選擇工具條上“動畫”按鈕還可以顯示系統變焦運動的動畫效果。如圖2和圖3。

圖2 外形尺寸計算資料

圖3 變焦系統變焦運動動畫

選擇“凸輪”即可看出該設計結果的凸輪曲線示意圖及曲線資料如圖4。

圖4 變焦系統凸輪曲線

對於目標在有限距離的光學系統，比如顯微變焦系統，可以在表單左上角的下拉式功能表上選擇“有限距離”，此時表單顯示如圖5。

圖5 物體在有限距離變焦系統設計示意圖

在顯示設計示意圖時，為了清楚表達物象關係，利用表單右上方選擇按鈕可以顯示如圖5右側示意圖。其餘設計與目標在無限遠一樣。

為保持系統像面照度一致，連續變焦光學系統一般都把系統孔徑光欄放在後固定組位置。由於光欄位置過於靠後會使得系統外形尺寸較大，有時也需要把孔徑光闌設置在其他組分位置上，由於此時會因在變焦過程中影響系統相對孔徑大小，必須使用可變光欄保持相對孔徑不變。但也可以根據需要使用固定光欄或改變光欄可變係數求得合理外形尺寸資料。為合理設置孔徑光闌位置，可以利用表單上“光欄位置”下拉式文字方塊選擇具體位置，如圖6。

圖6 調整系統孔徑光闌位置設計表單

圖7 是光欄分別在後固定組補償組、變焦組以及在前固定組不同位置的情況。

圖7 孔徑光闌不同位置效果圖

孔徑光闌選擇在後固定組，光欄不需變化即可保持系統相對孔徑不變，否則還可根據需要選擇孔徑光闌是否可變。在可變選擇中，有可變光欄、固定光欄和可變係數三種選擇如圖8。可變光欄，是指在變焦過程中利用光欄孔徑變化保持相對孔徑不變，光欄變化係數由程式自動給出；固定光欄，是指在變焦過程中光欄大小保持不變，相對孔徑變化；可變係數，是取前二者綜合，給定可變係數使得光欄孔徑變化同時使相對孔徑也有變化。

圖8 調整系統孔徑光闌變化設計表單

圖9 是光欄在前固定組位置後一定距離時，分別是光欄可變、光欄不變以及給定光欄可變係數的三種情況。可見孔徑光闌設置位置不同，系統外形尺寸，特別鏡筒直徑明顯不同。

a 相對孔徑不變 b 孔徑光闌不變 c 給定孔徑光闌係數

圖9 孔徑光闌不同可變係數情況對比

以上說明孔徑光闌可變與不可變或者指定變化係數是對系統外形尺寸的影響。對於不同選擇會影響系統在不同倍率條件下系統像面照度的變化。這時的變化對於軸上點和軸外點都是同時變化的。在圖8中還有漸暈係數選擇項，是指利用系統不同位置欄光形成系統漸暈時，給定不同漸暈係數也可改變系統外形尺寸，如圖9。此時只影響軸外點通光照度，不影響軸上點相對孔徑值，確保像面中心點照度不變。如圖10所示。

圖10 孔徑光闌給定漸暈係數表單介面

圖3-147 孔徑光闌有無漸暈的情況對比

通常情況下，系統變焦組多利用典型的物象交換原則實現變焦移動，補償組多採用自動換根方式計算運動曲線方程。在進行外形尺寸計算之前，可以有物象交換原則與非物象交換原則以及自動換根與不換根的不同選擇。

圖11 自動換根及物象交換原則選擇功能介面

在選擇是否“物象交換”的下拉式功能表內可提供兩種選擇。當選擇到物象交換時，介面上會自動出現調整非物象交換非對稱度的拉杆式調節指針，隨意改變物象交換的非對稱度，以滿足不同要求。在改變不同非對稱度的同時，介面會及時顯示系統變化示意圖。

圖12 物象交換原則選擇功能介面

在“自動換根”的功能下拉式功能表裡可提供自動換根、不換根以及線性運動等三種選擇。選擇線性運動後變焦系統的變焦組和補償組同時按直線運動規律運動，不使用凸輪曲線可大大簡化系統結構，但同時會產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採用。

圖13 自動換根及線性運動選擇功能介面

初級像差係數自動平衡

完成外形尺寸計算後就可以接著進行系統初級像差的平衡優化設計。此時按“下一步”命令鈕，表單立即出現下一個畫面如圖14。其中列出兩個表格，一個是要求輸入各初級像差係數的目標值，另一個要求輸入系統各組元的PW參數的初始參考值及其權係數。參加優化設計的初級像差項目可選，選擇時使用工具條上插入和刪除按鈕進行操作。以上資料登錄完畢，按動工具條上確定按鈕，計算立即完成，幷顯示在下面文字方塊內。如圖15。

圖14 填寫初級像差係數

圖15 PW自動優化結果

系統實際像差平衡，最終完成機械補償式變焦系統的光學設計。此時在設計表單內給出了全部設計結果，其中包括系統各組分的焦距分配、通光孔徑、組分間隔、對各組分的PW值要求以及變焦組的總移動範圍等。根據這些資料不難利用本程式薄透鏡設計方法求出三組元連續變焦系統初始結構參數。

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