打開“機械補償變焦系統(tǒng)設(shè)計”命令是默認的就是三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計如圖1。
圖1.變焦系統(tǒng)高斯計算窗體
以三組元變焦結(jié)構(gòu)形式為例，說明機械補償式連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計方法。首先從中選擇“三組元變焦”，窗體上顯示三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的典型示意圖，下方有一些提示供填寫對系統(tǒng)設(shè)計要求的參數(shù)指標，其中包括一些性能指標和結(jié)構(gòu)參數(shù)。性能指標包括系統(tǒng)最小焦距，也就是變焦的短焦焦距、系統(tǒng)變焦比、像面高度以及系統(tǒng)相對孔徑（F數(shù)）等。設(shè)計參數(shù)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(tǒng)后工作距離，在滿足后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。由于初始結(jié)構(gòu)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(tǒng)的透鏡厚度留有余量。
① 外形尺寸自動計算
根據(jù)以上要求按表中內(nèi)容填寫完畢，三組元機械補償式變焦系統(tǒng)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(tǒng)外形尺寸計算結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。如果選擇工具條上“動畫”按鈕還可以顯示系統(tǒng)變焦運動的動畫效果。如圖2和圖3。
圖2.外形尺寸計算數(shù)據(jù)
圖3.變焦系統(tǒng)變焦運動動畫
選擇“凸輪”即可看出該設(shè)計結(jié)果的凸輪曲線示意圖及曲線數(shù)據(jù)如圖4。
圖4.變焦系統(tǒng)凸輪曲線
對于目標在有限距離的光學(xué)系統(tǒng)，比如顯微變焦系統(tǒng)，可以在窗體左上角的下拉式菜單上選擇“有限距離”，此時窗體顯示如圖5。
圖5.物體在有限距離變焦系統(tǒng)設(shè)計示意圖
在顯示設(shè)計示意圖時，為了清楚表達物象關(guān)系，利用窗體右上方選擇按鈕可以顯示如圖5右側(cè)示意圖。其余設(shè)計與目標在無限遠一樣。
為保持系統(tǒng)像面照度一致，連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)一般都把系統(tǒng)孔徑光欄放在后固定組位置。由于光欄位置過于靠后會使得系統(tǒng)外形尺寸較大，有時也需要把孔徑光闌設(shè)置在其他組分位置上，由于此時會因在變焦過程中影響系統(tǒng)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(jù)需要使用固定光欄或改變光欄可變系數(shù)求得合理外形尺寸數(shù)據(jù) 。為合理設(shè)置孔徑光闌位置，可以利用窗體上“光欄位置”下拉式文本框選擇具體位置，如圖6。
圖6.調(diào)整系統(tǒng)孔徑光闌位置設(shè)計窗體
圖7是光欄分別在后固定組補償組、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
孔徑光闌選擇在后固定組，光欄不需變化即可保持系統(tǒng)相對孔徑不變，否則還可根據(jù)需要選擇孔徑光闌是否可變。在可變選擇中，有可變光欄、固定光欄和可變系數(shù)三種選擇如圖8�？勺児鈾�，是指在變焦過程中利用光欄孔徑變化保持相對孔徑不變，光欄變化系數(shù)由程序自動給出；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；可變系數(shù)，是取前二者綜合，給定可變系數(shù)使得光欄孔徑變化同時使相對孔徑也有變化。
圖8.調(diào)整系統(tǒng)孔徑光闌變化設(shè)計窗體
圖8 是光欄在前固定組位置后一定距離時，分別是光欄可變、光欄不變以及給定光欄可變系數(shù)的三種情況�？梢娍讖焦怅@設(shè)置位置不同，系統(tǒng)外形尺寸，特別鏡筒直徑明顯不同。
圖9.孔徑光闌不同可變系數(shù)情況對比
以上說明孔徑光闌可變與不可變或者指定變化系數(shù)是對系統(tǒng)外形尺寸的影響。對于不同選擇會影響系統(tǒng)在不同倍率條件下系統(tǒng)像面照度的變化。這時的變化對于軸上點和軸外點都是同時變化的。在圖8中還有漸暈系數(shù)選擇項，是指利用系統(tǒng)不同位置欄光形成系統(tǒng)漸暈時，給定不同漸暈系數(shù)也可改變系統(tǒng)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.孔徑光闌給定漸暈系數(shù)窗體界面
圖3-147 孔徑光闌有無漸暈的情況對比
通常情況下，系統(tǒng)變焦組多利用典型的物象交換原則實現(xiàn)變焦移動，補償組多采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界面
在選擇是否“物象交換”的下拉式菜單內(nèi)可提供兩種選擇。當(dāng)選擇到物象交換時，界面上會自動出現(xiàn)調(diào)整非物象交換非對稱度的拉桿式調(diào)節(jié)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，界面會及時顯示系統(tǒng)變化示意圖。
圖12.物象交換原則選擇功能界面
在“自動換根”的功能下拉式菜單里可提供自動換根、不換根以及線性運動等三種選擇。選擇線性運動后變焦系統(tǒng)的變焦組和補償組同時按直線運動規(guī)律運動，不使用凸輪曲線可大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但同時會產(chǎn)生像面位移補償?shù)娜焙�，只有在變焦比較小或?qū)ο衩嫜a償要求不高的系統(tǒng)采用。
圖13.自動換根及線性運動選擇功能界面
② 初級像差系數(shù)自動平衡
完成外形尺寸計算后就可以接著進行系統(tǒng)初級像差的平衡優(yōu)化設(shè)計。此時按“下一步”命令鈕，窗體立即出現(xiàn)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系數(shù)的目標值，另一個要求輸入系統(tǒng)各組元的PW參數(shù)的初始參考值及其權(quán)系數(shù)。參加優(yōu)化設(shè)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。以上數(shù)據(jù)輸入完畢，按動工具條上確定按鈕，計算立即完成，幷顯示在下面文本框內(nèi)。如圖15。
圖14.填寫初級像差系數(shù)
圖15.PW自動優(yōu)化結(jié)果
系統(tǒng)實際像差平衡，最終完成機械補償式變焦系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計。此時在設(shè)計窗體內(nèi)給出了全部設(shè)計結(jié)果，其中包括系統(tǒng)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范圍等。根據(jù)這些數(shù)據(jù)不難利用本程序薄透鏡設(shè)計方法求出三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。
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