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	OCAD光學設計套裝軟體

	OCAD光學設計套裝軟體是一個在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主介面如圖1所示。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，早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光學設計套裝軟體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，套裝軟體設計了與其他有關軟體連鎖互動功能，可以實現和其他光學軟體資料共用，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文檔格式並顯示在介面上便於處理。OCAD光學設計套裝軟體的主要功能簡介如下。
	圖1 OCAD光學設計套裝軟體主介面
	系統適應範圍
	本套裝軟體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；不僅能計算各種有明確焦平面的有焦光學系統，還能計算系統像平面在無窮遠的無焦光學系統；不僅能計算視場角小於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；不僅能計算由一系列球面或非球面或平面折（反）射光學表面組成的光學系統，還能直接把各種折射棱鏡置於系統中進行計算。本套裝軟體不僅可以通過計算光學系統的各種幾何像差，高斯光學初級像差係數計算，還可以計算光學系統的點列圖能量分佈、像差靈敏度等對光學系統進行評價和分析，還可以對系統的成像品質進行優化，還可以計算和優化系統參數的允許公差值。
	圖2 可計算各類光學系統

	變焦系統初始結構設計功能
	本套裝軟體可以計算各類連續或斷續變焦距光學系統。其中包括光學補償式連續變焦﹑機械補償式連續變焦﹑打入打出式斷續變焦以及反射鏡掃瞄式連續變焦等光學系統。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。在計算三組元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。本套裝軟體提供了三組元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；套裝軟體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3所示。
	圖3 可自動設計及優化各類變焦系統

	連續變焦系統凸輪曲線優化功能
	對於機械補償式連續變焦系統，總有一個變焦組分和一個補償組分分別以不同規律運動以保證在改變組分間隔達到連續變焦的同時自動補償像面位移誤差。這兩個組分的運動規律通常要求變焦組以線性規律移動，而補償組則以非線性規律運動。兩組鏡頭的運動多是以機械凸輪機構驅動實現的。驅動凸輪曲線的斜率（陡度）直接影響著運動的平滑度，陡度超過一定程度時會使機構運動“卡死”。凸輪曲線的陡度一方面和曲線套筒的直徑以及曲線套筒的轉動總角度有關，另一方面還和曲線的方程以及移動組總移動量有關。曲線套筒的直徑受鏡筒外圓直徑約束，曲線套筒的總轉動角度也有一定限制。因此，曲線的陡度歸根結底是和曲線方程以及移動組總移動量有著密切關係，特別對於變焦倍率（變焦比）的系統因曲線陡度過大而使運動卡死是經常面臨的困難。OCAD具有對凸輪曲線優化設計的功能，把一個線性運動和一個非線性運動變成兩個非線性運動的結構形式，這樣可以在不改變變焦組和補償組相對移動關係的前提下調整補償組運動曲線降低曲線陡度，改善使用效果。在圖4中是一個20倍連續變焦系統的凸輪曲線在高倍階段斜率達到75°之高已造成運動卡死如圖4所示。經OCAD對凸輪曲線進行優化後可以明顯改善曲線斜率，斜率最大值不超過30°，如圖5所示。明顯改善了凸輪曲線性能。經優化的凸輪曲線座標資料列於圖6，便於直接提供數控機床加工，座標點數可以根據需要選擇。顯示資料還可以直接轉換成word格式檔或excel工作表格式如圖7所示。
	圖4 優化前凸輪曲線斜率對照圖5 優化後凸輪曲線斜率對照
	圖6 凸輪曲線座標資料圖7 凸輪曲線座標資料的多種資料格式檔

	薄透鏡初始結構設計功能
	薄透鏡是光學系統初始結構設計的起點。在光學系統內任何一組光學元件的雛形都可以認為是有最基本的薄透鏡開始的。在光學系統外形尺寸計算階段首先把各組光學元件當成薄透鏡利用高斯光學的原理進行設計，然後通過初級像差平衡解算分配各組分P、W值，在此基礎上才能計算透鏡形狀係數，選擇玻璃確定表面半徑。OCAD套裝軟體的薄透鏡初始結構設計就是在分配了各組分光學元件的P、W值的要求基礎上，選擇玻璃材料，求解透鏡表面半徑獲得系統結構參數的過程。有了系統結構參數才能進一步優化系統平衡像差。薄透鏡初始結構設計可以根據對該組光學元件的P、W值大小確定結構複雜程度選擇單透鏡或雙膠合透鏡或單透鏡與雙膠合透鏡的組合。
	圖8 薄透鏡初始結構設計的雙膠合透鏡設計視窗圖9 雙膠合透鏡設計選擇玻璃窗口
	OCAD光學軟體為求解薄透鏡初始結構提供表單如圖8。從圖中可以看出，根據對薄透鏡P、W值的要求，選擇透鏡結構形式有單透鏡、雙膠合透鏡、單透鏡—雙膠合透鏡組合以及雙膠合透鏡—單透鏡組合等四種結構形式。現以雙膠合透鏡為例，首先把對透鏡P、W值的要求填入表中作為設計依據，然後選擇使用的玻璃材料的玻璃庫名，如中國國標玻璃GB903-87，再選擇膠合透鏡玻璃材料的王冕玻璃在前或或是玻璃在前，程式自動分別列出王冕玻璃和或是玻璃於兩個可選下拉式菜單內。在選擇玻璃材料組合時可以人為選擇玻璃牌號，也可以利用程式優化選擇。比如選擇優選玻璃，此時可以利用表單中間的滿足P、W值要求的各種玻璃組合對應曲線，根據曲線資料拉動選擇線（圖中黑色直線）後在表單右側又會出現一個更小範圍的可選組合，如圖9。最後再進一步具體選擇選定的玻璃組合。接著表單內就會自動計算出膠合透鏡的結構參數，同時還給出該玻璃組合的形狀係數Q值與P、W值的關係曲線，如圖10。最後還可以根據右上方指標式控制項左右移動彎曲透鏡，圖面自動顯示彎曲後透鏡參數的變化以及對應P、W值的變化以修改透鏡參數。基本合格後點擊程式大表單的“編輯”功能表中“系統結構參數”命令，透鏡所有資料立即進入可執行狀態，進而可以進行像差評價，自動優化等各種程式功能。完成透鏡單元的全部設計。

	圖10雙膠合透鏡設計結構參數確定視窗

	與其他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11 與 CODE Ⅴ 光學軟體相容圖12 與 Zemax 光學軟體相容圖13 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。

	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。
	圖14 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。

	與其他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15 與Word軟體連結使用圖16 與AutoCAD軟體連結使用圖17 與 Excel軟體連結使用

	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19所示。
	圖18 文字處理窗口

	資料庫功能
	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19所示。
	圖19 光學玻璃材料資料庫
	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。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。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20所示。
	圖20 光學資料資料鏡頭庫