OCAD應用：打入式斷續變焦光學系統初始結構設計

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時間:2023-04-13 14:29來源:未知作者: infotek點擊:次列印

打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。多重轉換式斷續變焦系統可以通過多組可打入組分輪番打入（打出）獲得多個變焦倍率。

1. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入（出）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般採用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前，相當於一個望遠系統，便於設計，但系統結構尺寸長。另一種是活動組在後，位於會聚光路中，設計時要確保像面位置不變，對系統結構精度要求高。

為了保證系統像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負組分，另一個為正組分構成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統焦距。一般情況下，整個活動組固聯在一起運動，但有時出於結構的需要，比如中間插入有反射棱鏡，活動組的兩部分分別在反射棱鏡的一前一後排列也可以。

A) 會聚光路中打入型變焦系統設計

打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據前活動組位置及後組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；

圖1 會聚光路中打入式工作原理圖（一）

另一方法保持兩組之間光線平行光軸，有了前組距離求得光線投射高度M1，M2=M1，這兩組的焦距也不難求解，計算方法簡單。

圖2 會聚光路中打入式工作原理圖（二）

打入式斷續變焦光學系統的設計介面如下圖所示。圖中上半部分是物鏡的基本部分，也是相對小視場，下半部分是可以在系統內打入打出的一個活動部分。打入後系統像面位置及像面大小應該保持不變用以擴大物方視場範圍。

圖3 會聚光路中打入式自動設計程式介面

設計時在介面上填寫相關設計要求以及各組元之間主面間隔，程式會自動求解打入部分各組元焦距值以及其他外形尺寸資料，繪製結構示意圖。圖中上半部分是打入前的原物鏡結構，下半部分為打入後的系統結構。接著執行“下一步”程式顯示系統各組元焦距值、通光孔徑以及各組元間主面間隔資料。

圖4 會聚光路中打入式自動設計程式介面

繼續點擊“下一步”，就可以進入系統初始結構自動設計階段。此時可以利用設計視窗內下部表格內的“選擇”欄內選擇設計哪一組鏡頭。選擇後介面自動出現“透鏡單元結構設計”視窗進行設計。設計完畢在表格內點擊“保存”，將會自動完成該組設計。

圖5 會聚光路中打入式自動設計程式介面

按以上方法依次操作即可完成所有組元結構設計。完成之後，再按“下一步”，可以完成整個系統的初始結構設計。

圖6 會聚光路中打入式自動設計結構示意圖

系統的初始結構設計資料如下。

圖7 會聚光路中打入式自動設計結構系統資料

B) 平行光路中打入型變焦系統設計

正如上面所說，有些光學系統出於結構需要，可能在物鏡後面塞得很滿沒有空間安排打入式變焦活動組，此時可以在物鏡（變焦固定組）前安排活動組。前置的變焦活動組應該是一個望遠系統，也分為前後兩個單元。根據變焦倍率以及兩組分間的空氣間隔，兩組分的焦距分配關係如下。式中 f1及 f2分別表示前後兩組焦距值，m為變焦倍率，d為兩組分間間隔。

以上間隔均由程式自動完成。在OCAD設計視窗內有“會聚光路內打入”和“平行光路內打入”的兩種選擇。在選擇“平行光路內打入”後，設計介面如圖所示。介面內也有是否單組打入和兩組分間隔打入的選擇。和以往一樣操作方法即可自動設計出所要求的初始結構參數。設計出帶反射棱鏡的和不帶反射棱鏡的設計結果光學系統示意圖如下圖所示。

圖8 平行光路中單變焦組打入式自動設計介面

圖9 平行光路中單變焦組打入式自動設計結果結構示意圖

2. 多重轉換式斷續變焦系統設計

多組轉換型變焦系統可以實現多檔斷續變焦。設計時同時設計多重可打入活動組，在打入時隨意轉換。多組轉換型的活動組可以放置在會聚光路中也可以在平行光路中。選擇在平行光路中，可利用活動組的無焦性來回倒置獲得放大縮小兩種不同變焦效果。

圖10 多組轉換型變焦系統結構示意圖

圖11 多組轉換型變焦系統結構展開示意圖

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