隨著2016年的到來，OCAD光學自動設計程序2016年版又為大家增添了新功能。熟悉或試用過OCAD光學自動設計程序的廣大光學設計工作者，都了解國產OCAD程序具有國外同類光學設計程序所沒有的光學系統(tǒng)初始結構設計獨特功能，特別是機械補償式連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的初始結構設計功能更具無與倫比的明顯亮點。使用OCAD程序可以直接根據設計指標要求快速輕松獲得滿意光學系統(tǒng)初始結構數(shù)據，在此基礎上再利用一定優(yōu)化設計功能即可獲得優(yōu)質的光學系統(tǒng)設計成果。
在以往廣大用戶對OCAD光學設計程序使用的基礎上，鑒于用戶的不同需求，也對OCAD的改進和完善起到了一定推動作用。為此目前對OCAD 2016版的完善和改進介紹如下。
1. 擴展了非物象交換原則和非自動換根法的應用
在以往的版本里設計一款連續(xù)變焦（ZOOM）系統(tǒng)多是利用典型的物象交換原則首先讓變焦組在系統(tǒng)變焦兩端（最小焦距和最大焦距）處像面位置重合，再由補償組獲得整個變焦全過程補償像面位移。這種設計起點被稱做“物象交換原則”，此外在補償組補償過程中，讓變焦組最大像面位移量與補償組最大像面位移補償量重合，然后過度到補償二次曲線的另一求解點，補償組無需往返運動的補償模式，通常叫“自動換根法”。采取自動換根法補償不僅避開了凸輪曲線的“拐點”而且高效率的提高了系統(tǒng)變焦效率。
物象交換原則與非物象交換原則的區(qū)別
自動換根與不換根的區(qū)別
然而，任何事情也都是有利有弊。采用物象交換原則在求解時比較方便，變焦組的像面位移量一般較小但不是最小。由于采用物象交換原則時，物距和像距變化都是以像面位移極值點，即物距等于像距等于二倍焦距處為變焦位移對稱點，但此時對于物象放大率而言并非對稱，也即變焦效率不對稱。為此引起變焦組及補償組的位移量加大從而加大光學系統(tǒng)筒長。對于有些要求系統(tǒng)結構較緊湊的系統(tǒng)可能就不是最佳解。此時為壓縮系統(tǒng)筒長就需要采用非物象交換原則的變焦結構以滿足其特殊需要。當然也可以反之，利用非物象交換原則拉大系統(tǒng)筒長，降低變焦效率減輕像差平衡負擔，以求簡化系統(tǒng)結構獲得高質量成像系統(tǒng)。如下所例，對于同樣設計指標，采用物象交換原則時系統(tǒng)總長為270.6mm，而使用不同非物象交換原則的實際結果可以是341.5mm和205.2mm兩種不同筒長數(shù)據。
采用物象交換原則設計結果
采用非物象交換原則設計結果縮短系統(tǒng)筒長
采用非物象交換原則設計結果加長系統(tǒng)筒長
對于補償組在補償過程是否選擇自動換根，也是各有利弊，面對不同要求也會有不同選擇。單就自動換根而言，確實有利于提高變焦效率，因為在自動換根的整個過程補償組始終與變焦組反向運動，對變焦系統(tǒng)焦距變化速率最高。但自動換根的前提必須要求在變焦過程變焦組與補償組的兩個極值點要嚴格重合，而且此時變焦組的像面位移量與補償組的像面補償量嚴格相對，否則會出現(xiàn)該點的補償跳動。為此不僅在光學系統(tǒng)設計階段要有精確計算保證，在加工制造時也要嚴格控制加工誤差，確保系統(tǒng)變焦組和補償組的焦距值以及之間空氣間隔嚴格控制在公差范圍內。為此帶來加工成本。當然不使用自動換根的變焦系統(tǒng)會有補償曲線的往復運動，不僅帶來變焦效率降低，還會使得凸輪曲線產生拐點，影響運動的平滑性�？梢娛欠襁x擇自動換根，還需視不同情況靈活選用。
為滿足不同客戶需求，在2016年版的OCAD光學自動設計程序擴展了使用功能，增加了物象交換原則與非物象交換原則的可選擇使用，增加了自動換根與不換根的選擇，以適應不同客戶的需要。在2016年版本的機械補償變焦系統(tǒng)設計的設計界面增加了以上選擇功能。
新增自動換根及物象交換原則選擇功能界面
自動換根及線性運動選擇功能界面
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任意選擇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，不使用凸輪曲線大大簡化了系統(tǒng)結構，但同時會產生像面位移補償?shù)娜焙�，只有在變焦比較小或對像面補償要求不高的系統(tǒng)采用。
在選擇是否“物象交換原則”的下拉式菜單內可隨意做兩種選擇。當選擇到物象交換原則時，界面上會自動出現(xiàn)調整非物象交換原則非對稱度的拉桿式調節(jié)指針，隨意改變物象交換的非對稱度，以求滿足不同要求。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。
2. 自動使用單透鏡及膠合透鏡初始結構設計法一次性求解變焦系統(tǒng)初始結構參數(shù)
以往的OCAD版本里，在求解完各組元外形尺寸和PW值分配后，由用戶自行利用程序中“單透鏡及膠合透鏡結構設計”菜單功能分別設計各組分初始結構，然后由人工組合在一起，再利用“機械補償變焦系統(tǒng)設計”菜單功能輸入有關變焦參數(shù)，操作比較麻煩。在新版本里，對較簡單系統(tǒng)可以在計算完各組分PW值分配后直接進入“下一步”操作，自動轉入“單透鏡及膠合透鏡結構設計”，分別利用這一功能，依次完成各組元初始結構設計，自動完成有關變焦光學系統(tǒng)數(shù)據輸入，進入后期光學系統(tǒng)優(yōu)化設計。
在完成系統(tǒng)外形尺寸分配及各組元PW值后，可利用本程序膠合透鏡自動設計功能對系統(tǒng)各組元進行初始結構參數(shù)設計求解。求解時有兩個方法選擇。
a) 簡單系統(tǒng)初始結構設計
對于一般的光學系統(tǒng)，各組元結構比較簡單，或只使用單透鏡、雙膠合透鏡以及單透鏡與膠合透鏡的組合就可滿足要求。這是就在“機械補償變焦系統(tǒng)設計”的界面內，OCAD就可以自動利用程序中“單透鏡及膠合透鏡結構設計”的功能依次自動設計完成。這是需要在當前窗體內繼續(xù)點擊“下一步”，就會出現(xiàn)如下界面。
初始結構設計界面
界面內顯示剛計算出來的系統(tǒng)外形尺寸以及對各組元PW值要求等數(shù)據，這些數(shù)據就是對各組元進行初始結構設計的依據。界面內表格內后兩項顯示“選擇”和“保存”，可以通過“選擇”欄選擇相應組元進行該組元的初始結構設計。經選擇后。界面立即出現(xiàn)“膠合透鏡結構設計”窗口，并自動填入該組元焦距、孔徑等參數(shù)。然后根據具體情況選擇單透鏡和膠合透鏡組合結構，并根據對組元PW要求選擇玻璃材料求出表面半徑等一系列初始結構參數(shù)值。
初始結構設計界面
求出組元結構參數(shù)后同時在主界面的光學系統(tǒng)結構數(shù)據表內顯示對應數(shù)據。由于以上求解是根據薄透鏡原理計算出來的，加上實際厚度之后，透鏡實際焦距可能有所變化，此時還可以利用光學系統(tǒng)結構數(shù)據表內縮放焦距的功能對組元焦距值進行修正，也還可以對具體結構的透鏡厚度進行修改甚至進行規(guī)格化處理。以上完成之后，點擊窗體內表格欄內對應“保存”欄位置，程序會自動保存設計結果。
縮放組元焦距
保存設計結果
依次重復以上操作，可以完成系統(tǒng)所有各組元的初始結構設計。然后點擊窗體右上角“下一步”按鈕，程序又進一步完成各組元設計結果的組合，組成完整的機械補償式連續(xù)變焦系統(tǒng)初始結構設計數(shù)據，包括系統(tǒng)視場、孔徑以及變焦系統(tǒng)特殊數(shù)據的組合。
最后設計結果
光學系統(tǒng)結構示意圖
由于以上設計均為高斯光學求解，為此各組分間間隔均為其主面間隔。當完成初始結構設計后的實際系統(tǒng)的實際間隔會因實際鏡頭厚度而改變，再由于在前面外形尺寸計算時所給主面間隔只是個粗略數(shù)，有時會使透鏡間隔過大或過小，甚至使得實際間隔小于零，發(fā)生鏡頭碰撞。此時必須調整鏡頭結構，或者重回最初外形尺寸計算，調整初始主面間隔，重新設計。
b) 復雜系統(tǒng)初始結構設計
對于較復雜的光學系統(tǒng)，某些組元需要復雜化處理，比如組元的通光孔徑過大，簡單系統(tǒng)滿足不了要求，或者在矯正像差需要，必須時該組元結構復雜化。此時利用以上使用膠合透鏡初始結構設計方法難以完成，例如下圖所示結構，其中后固定組結構就比較復雜。這是可以采用上述設計方法設計后固定組前的幾個組分，并分別將設計結果臨時以指定文件名保存下來，然后對于后固定組采用一般透鏡設計方法設計并臨時命名保存。
復雜光學系統(tǒng)結構示意圖
待所有組分分別設計完成，再利用程序中“編輯”菜單中的“連接兩個系統(tǒng)”功能逐步引入各組元結構參數(shù)，并指定各變焦間隔位置。
連接兩個系統(tǒng)
當系統(tǒng)結構參數(shù)建立完成還需要利用“編輯”菜單中“系統(tǒng)基本參數(shù)”功能填寫系統(tǒng)的視場、孔徑等一系列參數(shù)，同時還需要在“一般數(shù)據”中選擇“機械補償式變焦系統(tǒng)”或直接在“編輯”菜單中選擇“機械補償系統(tǒng)參數(shù)”，都會出現(xiàn)如下圖界面。
機械補償式變焦系統(tǒng)窗體
在這個窗體內可以根據以上外形尺寸計算結果的數(shù)據逐項填寫。填寫完畢點擊左上角“確定”按鈕，全部設計完成。
功能增加后的其他操作與原來版本相同。
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