打開(kāi)“機械補償變焦系統設計(jì)”命令是默認的就是三組元連續變焦系統設計(jì)如圖1。
圖1.變焦系統高(gāo)斯計(jì)算(suàn)窗體(tǐ)
以三組元變焦結構形式為(wèi)例，說明(míng)機械補償式連續變焦系統設計(jì)方法。首先從中選擇“三組元變焦”，窗體(tǐ)上(shàng)顯示三組元連續變焦光學系統的典型示意圖，下方有(yǒu)一些(xiē)提示供填寫對系統設計(jì)要求的參數(shù)指标，其中包括一些(xiē)性能指标和(hé)結構參數(shù)。性能指标包括系統最小(xiǎo)焦距，也就是變焦的短(duǎn)焦焦距、系統變焦比、像面高(gāo)度以及系統相對孔徑（F數(shù)）等。設計(jì)參數(shù)包括前固定組焦距以及各組分之間(jiān)的高(gāo)斯間(jiān)隔。在選擇組分間(jiān)隔時(shí)可(kě)以選擇前固定組與變焦組之間(jiān)間(jiān)隔，還(hái)可(kě)以選擇系統後工作(zuò)距離，在滿足後工作(zuò)距離條件下計(jì)算(suàn)前固定組的位置距離。此外前固定組的焦距值可(kě)以選擇正值或負值。前固定組焦距為(wèi)證時(shí)是負組變焦，反之為(wèi)正組變焦。由于初始結構外形尺寸計(jì)算(suàn)為(wèi)高(gāo)斯計(jì)算(suàn)，即薄透鏡計(jì)算(suàn)，因此在填寫各組分間(jiān)隔時(shí)要為(wèi)實際系統的透鏡厚度留有(yǒu)餘量。
① 外形尺寸自動計(jì)算(suàn)
根據以上(shàng)要求按表中內(nèi)容填寫完畢，三組元機械補償式變焦系統的外形尺寸計(jì)算(suàn)工作(zuò)立即自動完成。此時(shí)如果選擇工具條上(shàng)“圖文”按鈕就會(huì)顯示系統外形尺寸計(jì)算(suàn)結構數(shù)據。如果選擇工具條上(shàng)“動畫(huà)”按鈕還(hái)可(kě)以顯示系統變焦運動的動畫(huà)效果。如圖2和(hé)圖3。
圖2.外形尺寸計(jì)算(suàn)數(shù)據
圖3.變焦系統變焦運動動畫(huà)
選擇“凸輪”即可(kě)看出該設計(jì)結果的凸輪曲線示意圖及曲線數(shù)據如圖4。
圖4.變焦系統凸輪曲線
對于目标在有(yǒu)限距離的光學系統，比如顯微變焦系統，可(kě)以在窗體(tǐ)左上(shàng)角的下拉式菜單上(shàng)選擇“有(yǒu)限距離”，此時(shí)窗體(tǐ)顯示如圖5。
圖5.物體(tǐ)在有(yǒu)限距離變焦系統設計(jì)示意圖
在顯示設計(jì)示意圖時(shí)，為(wèi)了清楚表達物象關系，利用窗體(tǐ)右上(shàng)方選擇按鈕可(kě)以顯示如圖5右側示意圖。其餘設計(jì)與目标在無限遠一樣。
為(wèi)保持系統像面照度一緻，連續變焦光學系統一般都把系統孔徑光欄放在後固定組位置。由于光欄位置過于靠後會(huì)使得(de)系統外形尺寸較大(dà)，有(yǒu)時(shí)也需要把孔徑光闌設置在其他組分位置上(shàng)，由于此時(shí)會(huì)因在變焦過程中影(yǐng)響系統相對孔徑大(dà)小(xiǎo)，必須使用可(kě)變光欄保持相對孔徑不變。但(dàn)也可(kě)以根據需要使用固定光欄或改變光欄可(kě)變系數(shù)求得(de)合理(lǐ)外形尺寸數(shù)據 。為(wèi)合理(lǐ)設置孔徑光闌位置，可(kě)以利用窗體(tǐ)上(shàng)“光欄位置”下拉式文本框選擇具體(tǐ)位置，如圖6。
圖6.調整系統孔徑光闌位置設計(jì)窗體(tǐ)
圖7是光欄分别在後固定組補償組、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
孔徑光闌選擇在後固定組，光欄不需變化即可(kě)保持系統相對孔徑不變，否則還(hái)可(kě)根據需要選擇孔徑光闌是否可(kě)變。在可(kě)變選擇中，有(yǒu)可(kě)變光欄、固定光欄和(hé)可(kě)變系數(shù)三種選擇如圖8。可(kě)變光欄，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(dà)小(xiǎo)保持不變，相對孔徑變化；可(kě)變系數(shù)，是取前二者綜合，給定可(kě)變系數(shù)使得(de)光欄孔徑變化同時(shí)使相對孔徑也有(yǒu)變化。
圖8.調整系統孔徑光闌變化設計(jì)窗體(tǐ)
圖8 是光欄在前固定組位置後一定距離時(shí)，分别是光欄可(kě)變、光欄不變以及給定光欄可(kě)變系數(shù)的三種情況。可(kě)見孔徑光闌設置位置不同，系統外形尺寸，特别鏡筒直徑明(míng)顯不同。
圖9.孔徑光闌不同可(kě)變系數(shù)情況對比
以上(shàng)說明(míng)孔徑光闌可(kě)變與不可(kě)變或者指定變化系數(shù)是對系統外形尺寸的影(yǐng)響。對于不同選擇會(huì)影(yǐng)響系統在不同倍率條件下系統像面照度的變化。這時(shí)的變化對于軸上(shàng)點和(hé)軸外點都是同時(shí)變化的。在圖8中還(hái)有(yǒu)漸暈系數(shù)選擇項，是指利用系統不同位置欄光形成系統漸暈時(shí)，給定不同漸暈系數(shù)也可(kě)改變系統外形尺寸，如圖9。此時(shí)隻影(yǐng)響軸外點通(tōng)光照度，不影(yǐng)響軸上(shàng)點相對孔徑值，确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(tǐ)界面
圖3-147 孔徑光闌有(yǒu)無漸暈的情況對比
通(tōng)常情況下，系統變焦組多(duō)利用典型的物象交換原則實現變焦移動，補償組多(duō)采用自動換根方式計(jì)算(suàn)運動曲線方程。在進行(xíng)外形尺寸計(jì)算(suàn)之前，可(kě)以有(yǒu)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(kě)提供兩種選擇。當選擇到物象交換時(shí)，界面上(shàng)會(huì)自動出現調整非物象交換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。
圖12.物象交換原則選擇功能界面
在“自動換根”的功能下拉式菜單裏可(kě)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，不使用凸輪曲線可(kě)大(dà)大(dà)簡化系統結構，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。
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(jì)算(suàn)後就可(kě)以接着進行(xíng)系統初級像差的平衡優化設計(jì)。此時(shí)按“下一步”命令鈕，窗體(tǐ)立即出現下一個(gè)畫(huà)面如圖14。其中列出兩個(gè)表格，一個(gè)是要求輸入各初級像差系數(shù)的目标值，另一個(gè)要求輸入系統各組元的PW參數(shù)的初始參考值及其權系數(shù)。參加優化設計(jì)的初級像差項目可(kě)選，選擇時(shí)使用工具條上(shàng)插入和(hé)删除按鈕進行(xíng)操作(zuò)。以上(shàng)數(shù)據輸入完畢，按動工具條上(shàng)确定按鈕，計(jì)算(suàn)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自動優化結果
系統實際像差平衡，最終完成機械補償式變焦系統的光學設計(jì)。此時(shí)在設計(jì)窗體(tǐ)內(nèi)給出了全部設計(jì)結果，其中包括系統各組分的焦距分配、通(tōng)光孔徑、組分間(jiān)隔、對各組分的PW值要求以及變焦組的總移動範圍等。根據這些(xiē)數(shù)據不難利用本程序薄透鏡設計(jì)方法求出三組元連續變焦系統初始結構參數(shù)。
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