随着2016年的到來(lái)，OCAD光學自動設計(jì)程序2016年版又為(wèi)大(dà)家(jiā)增添了新功能。熟悉或試用過OCAD光學自動設計(jì)程序的廣大(dà)光學設計(jì)工作(zuò)者，都了解國産OCAD程序具有(yǒu)國外同類光學設計(jì)程序所沒有(yǒu)的光學系統初始結構設計(jì)獨特功能，特别是機械補償式連續變焦光學系統的初始結構設計(jì)功能更具無與倫比的明(míng)顯亮點。使用OCAD程序可(kě)以直接根據設計(jì)指标要求快速輕松獲得(de)滿意光學系統初始結構數(shù)據，在此基礎上(shàng)再利用一定優化設計(jì)功能即可(kě)獲得(de)優質的光學系統設計(jì)成果。
在以往廣大(dà)用戶對OCAD光學設計(jì)程序使用的基礎上(shàng)，鑒于用戶的不同需求，也對OCAD的改進和(hé)完善起到了一定推動作(zuò)用。為(wèi)此目前對OCAD 2016版的完善和(hé)改進介紹如下。
1. 擴展了非物象交換原則和(hé)非自動換根法的應用
在以往的版本裏設計(jì)一款連續變焦（ZOOM）系統多(duō)是利用典型的物象交換原則首先讓變焦組在系統變焦兩端（最小(xiǎo)焦距和(hé)最大(dà)焦距）處像面位置重合，再由補償組獲得(de)整個(gè)變焦全過程補償像面位移。這種設計(jì)起點被稱做(zuò)“物象交換原則”，此外在補償組補償過程中，讓變焦組最大(dà)像面位移量與補償組最大(dà)像面位移補償量重合，然後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(tōng)常叫“自動換根法”。采取自動換根法補償不僅避開(kāi)了凸輪曲線的“拐點”而且高(gāo)效率的提高(gāo)了系統變焦效率。
物象交換原則與非物象交換原則的區(qū)别
自動換根與不換根的區(qū)别
然而，任何事情也都是有(yǒu)利有(yǒu)弊。采用物象交換原則在求解時(shí)比較方便，變焦組的像面位移量一般較小(xiǎo)但(dàn)不是最小(xiǎo)。由于采用物象交換原則時(shí)，物距和(hé)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(wèi)變焦位移對稱點，但(dàn)此時(shí)對于物象放大(dà)率而言并非對稱，也即變焦效率不對稱。為(wèi)此引起變焦組及補償組的位移量加大(dà)從而加大(dà)光學系統筒長。對于有(yǒu)些(xiē)要求系統結構較緊湊的系統可(kě)能就不是最佳解。此時(shí)為(wèi)壓縮系統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(kě)以反之，利用非物象交換原則拉大(dà)系統筒長，降低(dī)變焦效率減輕像差平衡負擔，以求簡化系統結構獲得(de)高(gāo)質量成像系統。如下所例，對于同樣設計(jì)指标，采用物象交換原則時(shí)系統總長為(wèi)270.6mm，而使用不同非物象交換原則的實際結果可(kě)以是341.5mm和(hé)205.2mm兩種不同筒長數(shù)據。
采用物象交換原則設計(jì)結果
采用非物象交換原則設計(jì)結果縮短(duǎn)系統筒長
采用非物象交換原則設計(jì)結果加長系統筒長
對于補償組在補償過程是否選擇自動換根，也是各有(yǒu)利弊，面對不同要求也會(huì)有(yǒu)不同選擇。單就自動換根而言，确實有(yǒu)利于提高(gāo)變焦效率，因為(wèi)在自動換根的整個(gè)過程補償組始終與變焦組反向運動，對變焦系統焦距變化速率最高(gāo)。但(dàn)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(gè)極值點要嚴格重合，而且此時(shí)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(huì)出現該點的補償跳(tiào)動。為(wèi)此不僅在光學系統設計(jì)階段要有(yǒu)精确計(jì)算(suàn)保證，在加工制(zhì)造時(shí)也要嚴格控制(zhì)加工誤差，确保系統變焦組和(hé)補償組的焦距值以及之間(jiān)空(kōng)氣間(jiān)隔嚴格控制(zhì)在公差範圍內(nèi)。為(wèi)此帶來(lái)加工成本。當然不使用自動換根的變焦系統會(huì)有(yǒu)補償曲線的往複運動，不僅帶來(lái)變焦效率降低(dī)，還(hái)會(huì)使得(de)凸輪曲線産生(shēng)拐點，影(yǐng)響運動的平滑性。可(kě)見是否選擇自動換根，還(hái)需視(shì)不同情況靈活選用。
為(wèi)滿足不同客戶需求，在2016年版的OCAD光學自動設計(jì)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(kě)選擇使用，增加了自動換根與不換根的選擇，以适應不同客戶的需要。在2016年版本的機械補償變焦系統設計(jì)的設計(jì)界面增加了以上(shàng)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”的功能下拉式菜單裏可(kě)任意選擇自動換根不換根以及線性運動等三種選擇。選擇線性運動後變焦系統的變焦組和(hé)補償組同時(shí)按直線運動規律運動，不使用凸輪曲線大(dà)大(dà)簡化了系統結構，但(dàn)同時(shí)會(huì)産生(shēng)像面位移補償的缺憾，隻有(yǒu)在變焦比較小(xiǎo)或對像面補償要求不高(gāo)的系統采用。
在選擇是否“物象交換原則”的下拉式菜單內(nèi)可(kě)随意做(zuò)兩種選擇。當選擇到物象交換原則時(shí)，界面上(shàng)會(huì)自動出現調整非物象交換原則非對稱度的拉杆式調節指針，随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(shí)，界面會(huì)及時(shí)顯示系統變化示意圖。
2. 自動使用單透鏡及膠合透鏡初始結構設計(jì)法一次性求解變焦系統初始結構參數(shù)
以往的OCAD版本裏，在求解完各組元外形尺寸和(hé)PW值分配後，由用戶自行(xíng)利用程序中“單透鏡及膠合透鏡結構設計(jì)”菜單功能分别設計(jì)各組分初始結構，然後由人(rén)工組合在一起，再利用“機械補償變焦系統設計(jì)”菜單功能輸入有(yǒu)關變焦參數(shù)，操作(zuò)比較麻煩。在新版本裏，對較簡單系統可(kě)以在計(jì)算(suàn)完各組分PW值分配後直接進入“下一步”操作(zuò)，自動轉入“單透鏡及膠合透鏡結構設計(jì)”，分别利用這一功能，依次完成各組元初始結構設計(jì)，自動完成有(yǒu)關變焦光學系統數(shù)據輸入，進入後期光學系統優化設計(jì)。
在完成系統外形尺寸分配及各組元PW值後，可(kě)利用本程序膠合透鏡自動設計(jì)功能對系統各組元進行(xíng)初始結構參數(shù)設計(jì)求解。求解時(shí)有(yǒu)兩個(gè)方法選擇。
a) 簡單系統初始結構設計(jì)
對于一般的光學系統，各組元結構比較簡單，或隻使用單透鏡、雙膠合透鏡以及單透鏡與膠合透鏡的組合就可(kě)滿足要求。這是就在“機械補償變焦系統設計(jì)”的界面內(nèi)，OCAD就可(kě)以自動利用程序中“單透鏡及膠合透鏡結構設計(jì)”的功能依次自動設計(jì)完成。這是需要在當前窗體(tǐ)內(nèi)繼續點擊“下一步”，就會(huì)出現如下界面。
初始結構設計(jì)界面
界面內(nèi)顯示剛計(jì)算(suàn)出來(lái)的系統外形尺寸以及對各組元PW值要求等數(shù)據，這些(xiē)數(shù)據就是對各組元進行(xíng)初始結構設計(jì)的依據。界面內(nèi)表格內(nèi)後兩項顯示“選擇”和(hé)“保存”，可(kě)以通(tōng)過“選擇”欄選擇相應組元進行(xíng)該組元的初始結構設計(jì)。經選擇後。界面立即出現“膠合透鏡結構設計(jì)”窗口，并自動填入該組元焦距、孔徑等參數(shù)。然後根據具體(tǐ)情況選擇單透鏡和(hé)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(jì)界面
求出組元結構參數(shù)後同時(shí)在主界面的光學系統結構數(shù)據表內(nèi)顯示對應數(shù)據。由于以上(shàng)求解是根據薄透鏡原理(lǐ)計(jì)算(suàn)出來(lái)的，加上(shàng)實際厚度之後，透鏡實際焦距可(kě)能有(yǒu)所變化，此時(shí)還(hái)可(kě)以利用光學系統結構數(shù)據表內(nèi)縮放焦距的功能對組元焦距值進行(xíng)修正，也還(hái)可(kě)以對具體(tǐ)結構的透鏡厚度進行(xíng)修改甚至進行(xíng)規格化處理(lǐ)。以上(shàng)完成之後，點擊窗體(tǐ)內(nèi)表格欄內(nèi)對應“保存”欄位置，程序會(huì)自動保存設計(jì)結果。
縮放組元焦距
保存設計(jì)結果
依次重複以上(shàng)操作(zuò)，可(kě)以完成系統所有(yǒu)各組元的初始結構設計(jì)。然後點擊窗體(tǐ)右上(shàng)角“下一步”按鈕，程序又進一步完成各組元設計(jì)結果的組合，組成完整的機械補償式連續變焦系統初始結構設計(jì)數(shù)據，包括系統視(shì)場(chǎng)、孔徑以及變焦系統特殊數(shù)據的組合。
最後設計(jì)結果
光學系統結構示意圖
由于以上(shàng)設計(jì)均為(wèi)高(gāo)斯光學求解，為(wèi)此各組分間(jiān)間(jiān)隔均為(wèi)其主面間(jiān)隔。當完成初始結構設計(jì)後的實際系統的實際間(jiān)隔會(huì)因實際鏡頭厚度而改變，再由于在前面外形尺寸計(jì)算(suàn)時(shí)所給主面間(jiān)隔隻是個(gè)粗略數(shù)，有(yǒu)時(shí)會(huì)使透鏡間(jiān)隔過大(dà)或過小(xiǎo)，甚至使得(de)實際間(jiān)隔小(xiǎo)于零，發生(shēng)鏡頭碰撞。此時(shí)必須調整鏡頭結構，或者重回最初外形尺寸計(jì)算(suàn)，調整初始主面間(jiān)隔，重新設計(jì)。
b) 複雜系統初始結構設計(jì)
對于較複雜的光學系統，某些(xiē)組元需要複雜化處理(lǐ)，比如組元的通(tōng)光孔徑過大(dà)，簡單系統滿足不了要求，或者在矯正像差需要，必須時(shí)該組元結構複雜化。此時(shí)利用以上(shàng)使用膠合透鏡初始結構設計(jì)方法難以完成，例如下圖所示結構，其中後固定組結構就比較複雜。這是可(kě)以采用上(shàng)述設計(jì)方法設計(jì)後固定組前的幾個(gè)組分，并分别将設計(jì)結果臨時(shí)以指定文件名保存下來(lái)，然後對于後固定組采用一般透鏡設計(jì)方法設計(jì)并臨時(shí)命名保存。
複雜光學系統結構示意圖
待所有(yǒu)組分分别設計(jì)完成，再利用程序中“編輯”菜單中的“連接兩個(gè)系統”功能逐步引入各組元結構參數(shù)，并指定各變焦間(jiān)隔位置。
連接兩個(gè)系統
當系統結構參數(shù)建立完成還(hái)需要利用“編輯”菜單中“系統基本參數(shù)”功能填寫系統的視(shì)場(chǎng)、孔徑等一系列參數(shù)，同時(shí)還(hái)需要在“一般數(shù)據”中選擇“機械補償式變焦系統”或直接在“編輯”菜單中選擇“機械補償系統參數(shù)”，都會(huì)出現如下圖界面。
機械補償式變焦系統窗體(tǐ)
在這個(gè)窗體(tǐ)內(nèi)可(kě)以根據以上(shàng)外形尺寸計(jì)算(suàn)結果的數(shù)據逐項填寫。填寫完畢點擊左上(shàng)角“确定”按鈕，全部設計(jì)完成。
功能增加後的其他操作(zuò)與原來(lái)版本相同。
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