機械補償式連續變焦光學系統，通(tōng)過系統的活動組分相對固定組分沿軸向運動改變各組分之間(jiān)間(jiān)隔尺寸，在保證系統像面穩定不變的前提下，連續改變系統焦距。系統中，最後一個(gè)固定組前的總組分數(shù)稱為(wèi)該連續變焦光學系統的組分數(shù)，比如含有(yǒu)一個(gè)前固定組、一個(gè)變焦組、一個(gè)補償組以及一個(gè)固定組的變焦系統被稱為(wèi)三組分變焦系統。為(wèi)保證各活動組分在變焦過程中按設計(jì)要求移動活動組分，保證其表面間(jiān)隔尺寸，一般都使用凸輪結構驅動各組分的運動，因此，凸輪曲線的設計(jì)也必然是光學設計(jì)的重要任務。
在進行(xíng)凸輪曲線設計(jì)時(shí)，不僅要考慮凸輪轉動時(shí)确保各活動組分之間(jiān)準确的間(jiān)隔尺寸，保證在變焦過程中光學系統像面的穩定，還(hái)要考慮到運動曲線的平滑性以及曲線的陡度，避免運動中的卡滞現象，當然還(hái)要考慮到凸輪加工的工藝性。
圖1.變焦系統凸輪優化設計(jì)窗體(tǐ)
初始數(shù)據填寫以及各選擇項的選擇
本程序可(kě)以對機械補償式變焦系統進行(xíng)凸輪優化設計(jì)，因此隻有(yǒu)在輸入機械補償式變焦光學系統的數(shù)據之後才能進行(xíng)。此時(shí)可(kě)從工具條的“設計(jì)”中選擇“變焦系統凸輪優化設計(jì)” 菜單，此時(shí)界面上(shàng)出現小(xiǎo)窗體(tǐ)如圖1。
① 初始數(shù)據的填寫
連續變焦系統的凸輪一般都是采用圓筒式結構，依靠凸輪的轉動驅動活動組沿光軸方向按要求規律移動。為(wèi)此在設計(jì)凸輪曲線之前先要給出凸輪圓筒的直徑值以及凸輪轉動角度值，然後要給出凸輪曲線的坐(zuò)标點數(shù)，便于加工需要。同時(shí)為(wèi)了滿足加工和(hé)使用的要求，還(hái)必須在曲線的兩端各增加一定數(shù)量點數(shù)的前後延伸曲線坐(zuò)标參數(shù)。所以，在圖1的界面上(shàng)要求填寫相應的選取坐(zuò)标點數(shù)、前沿點數(shù)、後沿點數(shù)、凸輪直徑以及凸輪轉動角度等參數(shù)。填寫完以上(shàng)數(shù)據，點擊“确定”鍵即可(kě)自動繪制(zhì)凸輪運動曲線圖。在此同時(shí)界面上(shàng)還(hái)會(huì)顯示一個(gè)書(shū)簽式選項，分别提供繪制(zhì)凸輪運動曲線、凸輪運動速率、焦距變化曲線、凸輪參數(shù)數(shù)據以及返回上(shàng)一步等。
圖2.凸輪運動曲線系列
② 選擇項的選擇
從圖2的界面上(shàng)可(kě)以看出，通(tōng)過對機械補償式變焦系統進行(xíng)凸輪優化設計(jì)，可(kě)以控制(zhì)變焦組分的運動曲線的方程軌迹，也可(kě)以根據需要使得(de)系統焦距值按需要的曲線關系設計(jì)凸輪曲線。一般情況下，為(wèi)了活動組的運動靈活方便，主要考慮變焦組和(hé)活動組的運動連續平滑，運動曲線不要過陡，避免運動卡死現象。但(dàn)有(yǒu)些(xiē)系統為(wèi)精确控制(zhì)在變焦過程中達到精确變焦焦距值，也可(kě)以選擇控制(zhì)系統焦距變化曲線，使得(de)凸輪轉角是系統焦距變化的函數(shù)。
在進行(xíng)變焦系統凸輪曲線設計(jì)與優化時(shí)，可(kě)做(zuò)如下一些(xiē)選擇。
Ⅰ- 控制(zhì)項目的選擇
在進行(xíng)變焦系統凸輪曲線時(shí)可(kě)以通(tōng)過凸輪曲線設計(jì)與控制(zhì)變焦組的運動規律，也可(kě)以設計(jì)與控制(zhì)系統在變焦過程中系統焦距變化的規律，以便随時(shí)掌控系統焦距與凸輪運轉的關系，此時(shí)可(kě)以通(tōng)過下圖中對控制(zhì)項目的選擇實現。
圖3.控制(zhì)項目的選擇
圖4.控制(zhì)焦距變化曲線系列
Ⅱ- 繪制(zhì)網絡線的選擇
圖5.繪制(zhì)網絡線的選擇
圖6.繪制(zhì)網絡線的選擇
Ⅲ- 凸輪曲線運動軌迹或變焦焦距變化規律的選擇
圖7.凸輪曲線運動軌迹或變焦焦距變化規律的選擇
圖8.選擇單純曲線方式
圖9.選擇複合曲線方式
Ⅳ- 提取變焦過程中任意樣本的選擇
圖10.提取變焦過程中任意樣本的選擇
一般光學設計(jì)程序是把連續變焦系統當做(zuò)多(duō)重結構系統處理(lǐ)，隻能計(jì)算(suàn)和(hé)分析指定幾個(gè)變焦位置。OCAD利用在計(jì)算(suàn)凸輪曲線時(shí)提取變焦過程樣本的方式，可(kě)以提取在變焦過程任意位置的樣本變成定焦系統對系統進行(xíng)分析和(hé)計(jì)算(suàn)。在需要提取樣本時(shí)，選擇“提取樣本”選項便可(kě)在右側下拉菜單中選擇位置号即可(kě)，樣本總數(shù)為(wèi)上(shàng)方填寫的“選取坐(zuò)标點數(shù)”。可(kě)填寫的點數(shù)可(kě)以是三位數(shù)或四位數(shù)。選擇完成之後按“确定”鍵，當前變焦系統數(shù)據直接轉換為(wèi)該樣本位置的定焦系統數(shù)據，自由進行(xíng)分析與計(jì)算(suàn)。
③ 凸輪曲線的非線性化處理(lǐ)
為(wèi)了控制(zhì)變焦組或系統焦距變化曲線，可(kě)以把曲線設計(jì)成直線形狀也可(kě)以按一定規律設計(jì)成二次或三次曲線形狀。直線形狀易于加工；曲線形狀可(kě)以根據需要調節運動曲線陡度（斜率）。當選擇曲線形狀時(shí)，接口要求填寫一個(gè)三次方程的三個(gè)系數(shù)的權因子值如圖11。所謂系數(shù)的權因子是指三個(gè)系數(shù)的相對值。三個(gè)系數(shù)的實際值将由程序自動規化處理(lǐ)。
圖11.選擇曲線運動軌迹的凸輪優化設計(jì)窗體(tǐ)
以上(shàng)選擇确定或數(shù)據填寫完畢之後，隻要按“确定”按鈕，便可(kě)自動完成凸輪曲線設計(jì)工作(zuò)。設計(jì)結果如圖12。從圖13至圖14可(kě)以看出，通(tōng)過書(shū)簽式接口可(kě)以方便地查看設計(jì)結果的凸輪運動曲線、凸輪升角曲線、焦距變化曲線以及凸輪參數(shù)數(shù)據等內(nèi)容。其中凸輪運動曲線直接顯示了系統變焦組和(hé)補償組的運動曲線形狀，還(hái)可(kě)從圖上(shàng)讀出曲線各點的坐(zuò)标值；凸輪升角曲線是根據設計(jì)出的凸輪運動曲線計(jì)算(suàn)出的曲線上(shàng)各點的斜率隻值，從中分析凸輪曲線運動陡度，陡度過大(dà)就容易造成運動的卡滞，影(yǐng)響使用效果；焦距變化曲線顯示了系統焦距随凸輪轉動的變化關系，因為(wèi)有(yǒu)些(xiē)對系統焦距變化要求嚴格控制(zhì)幷需要便于讀取的系統，就必須在凸輪設計(jì)時(shí)控制(zhì)焦距變化曲線。為(wèi)了給出凸輪運動曲線的具體(tǐ)數(shù)據，選擇凸輪參數(shù)資料書(shū)簽，便可(kě)以直接讀出所有(yǒu)設計(jì)資料如圖15。對給出的數(shù)據可(kě)以直接在接口上(shàng)進行(xíng)進一步文字編輯、保存和(hé)打印。
對于以上(shàng)設計(jì)如不滿意，還(hái)可(kě)以使用“返回上(shàng)一步”書(shū)簽回到如圖14接口上(shàng)重新修改參數(shù)進行(xíng)設計(jì)，直到滿意。
④ 計(jì)算(suàn)數(shù)據數(shù)據格式的轉換處理(lǐ)
為(wèi)了更加靈活的保存和(hé)打印計(jì)算(suàn)結果數(shù)據，程序還(hái)可(kě)以方便地保存成Excel的表格形式。操作(zuò)時(shí)隻要選擇工具條上(shàng)“另存入”菜單，選擇“Excel files（*.xls）”或“Word files（*.doc）等格式幷指定文件名即可(kě)。Excel表格形式的文件如圖16，Word 文件格式的文件如圖17。
圖16.Excel 文件格式凸輪參數(shù)數(shù)據
圖17.Word 文件格式凸輪參數(shù)數(shù)據
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