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OCAD 2016版新功能介绍
时间:2016-10-14 19:21来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
随着2016年的到来,OCAD光学自动设计程序2016年版又为大家增添了新功能。熟悉或试用过OCAD光学自动设计程序的广大光学设计工作者,都了解国产OCAD程序具有国外同类光学设计程序所没有的光学系统初始结构设计独特功能,特别是机械补偿式连续变焦光学系统的初始结构设计功能更具无与伦比的明显亮点。使用OCAD程序可以直接根据设计指标要求快速轻松获得满意光学系统初始结构数据,在此基础上再利用一定优化设计功能即可获得优质的光学系统设计成果。
 
在以往广大用户对OCAD光学设计程序使用的基础上,鉴于用户的不同需求,也对OCAD的改进和完善起到了一定推动作用。为此目前对OCAD 2016版的完善和改进介绍如下。
 
1. 扩展了非物象交换原则和非自动换根法的应用
 
在以往的版本里设计一款连续变焦(ZOOM)系统多是利用典型的物象交换原则首先让变焦组在系统变焦两端(最小焦距和最大焦距)处像面位置重合,再由补偿组获得整个变焦全过程补偿像面位移。这种设计起点被称做“物象交换原则”,此外在补偿组补偿过程中,让变焦组最大像面位移量与补偿组最大像面位移补偿量重合,然后过度到补偿二次曲线的另一求解点,补偿组无需往返运动的补偿模式,通常叫“自动换根法”。采取自动换根法补偿不仅避开了凸轮曲线的“拐点”而且高效率的提高了系统变焦效率。
 
   
物象交换原则与非物象交换原则的区别
     
自动换根与不换根的区别
 
然而,任何事情也都是有利有弊。采用物象交换原则在求解时比较方便,变焦组的像面位移量一般较小但不是最小。由于采用物象交换原则时,物距和像距变化都是以像面位移极值点,即物距等于像距等于二倍焦距处为变焦位移对称点,但此时对于物象放大率而言并非对称,也即变焦效率不对称。为此引起变焦组及补偿组的位移量加大从而加大光学系统筒长。对于有些要求系统结构较紧凑的系统可能就不是最佳解。此时为压缩系统筒长就需要采用非物象交换原则的变焦结构以满足其特殊需要。当然也可以反之,利用非物象交换原则拉大系统筒长,降低变焦效率减轻像差平衡负担,以求简化系统结构获得高质量成像系统。如下所例,对于同样设计指标,采用物象交换原则时系统总长为270.6mm,而使用不同非物象交换原则的实际结果可以是341.5mm和205.2mm两种不同筒长数据。
 
    
采用物象交换原则设计结果
    
采用非物象交换原则设计结果缩短系统筒长
    
采用非物象交换原则设计结果加长系统筒长
 
对于补偿组在补偿过程是否选择自动换根,也是各有利弊,面对不同要求也会有不同选择。单就自动换根而言,确实有利于提高变焦效率,因为在自动换根的整个过程补偿组始终与变焦组反向运动,对变焦系统焦距变化速率最高。但自动换根的前提必须要求在变焦过程变焦组与补偿组的两个极值点要严格重合,而且此时变焦组的像面位移量与补偿组的像面补偿量严格相对,否则会出现该点的补偿跳动。为此不仅在光学系统设计阶段要有精确计算保证,在加工制造时也要严格控制加工误差,确保系统变焦组和补偿组的焦距值以及之间空气间隔严格控制在公差范围内。为此带来加工成本。当然不使用自动换根的变焦系统会有补偿曲线的往复运动,不仅带来变焦效率降低,还会使得凸轮曲线产生拐点,影响运动的平滑性。可见是否选择自动换根,还需视不同情况灵活选用。
 
为满足不同客户需求,在2016年版的OCAD光学自动设计程序扩展了使用功能,增加了物象交换原则与非物象交换原则的可选择使用,增加了自动换根与不换根的选择,以适应不同客户的需要。在2016年版本的机械补偿变焦系统设计的设计界面增加了以上选择功能。
 
新增自动换根及物象交换原则选择功能界面
       
自动换根及线性运动选择功能界面
    
物象交换原则选择功能界面
 
在“自动换根”的功能下拉式菜单里可任意选择自动换根不换根以及线性运动等三种选择。选择线性运动后变焦系统的变焦组和补偿组同时按直线运动规律运动,不使用凸轮曲线大大简化了系统结构,但同时会产生像面位移补偿的缺憾,只有在变焦比较小或对像面补偿要求不高的系统采用。
在选择是否“物象交换原则”的下拉式菜单内可随意做两种选择。当选择到物象交换原则时,界面上会自动出现调整非物象交换原则非对称度的拉杆式调节指针,随意改变物象交换的非对称度,以求满足不同要求。在改变不同非对称度的同时,界面会及时显示系统变化示意图。
2. 自动使用单透镜及胶合透镜初始结构设计法一次性求解变焦系统初始结构参数
 
以往的OCAD版本里,在求解完各组元外形尺寸和PW值分配后,由用户自行利用程序中“单透镜及胶合透镜结构设计”菜单功能分别设计各组分初始结构,然后由人工组合在一起,再利用“机械补偿变焦系统设计”菜单功能输入有关变焦参数,操作比较麻烦。在新版本里,对较简单系统可以在计算完各组分PW值分配后直接进入“下一步”操作,自动转入“单透镜及胶合透镜结构设计”,分别利用这一功能,依次完成各组元初始结构设计,自动完成有关变焦光学系统数据输入,进入后期光学系统优化设计。
 
在完成系统外形尺寸分配及各组元PW值后,可利用本程序胶合透镜自动设计功能对系统各组元进行初始结构参数设计求解。求解时有两个方法选择。
 
a) 简单系统初始结构设计
 
对于一般的光学系统,各组元结构比较简单,或只使用单透镜、双胶合透镜以及单透镜与胶合透镜的组合就可满足要求。这是就在“机械补偿变焦系统设计”的界面内,OCAD就可以自动利用程序中“单透镜及胶合透镜结构设计”的功能依次自动设计完成。这是需要在当前窗体内继续点击“下一步”,就会出现如下界面。
 
初始结构设计界面
 
界面内显示刚计算出来的系统外形尺寸以及对各组元PW值要求等数据,这些数据就是对各组元进行初始结构设计的依据。界面内表格内后两项显示“选择”和“保存”,可以通过“选择”栏选择相应组元进行该组元的初始结构设计。经选择后。界面立即出现“胶合透镜结构设计”窗口,并自动填入该组元焦距、孔径等参数。然后根据具体情况选择单透镜和胶合透镜组合结构,并根据对组元PW要求选择玻璃材料求出表面半径等一系列初始结构参数值。
 
初始结构设计界面
 
求出组元结构参数后同时在主界面的光学系统结构数据表内显示对应数据。由于以上求解是根据薄透镜原理计算出来的,加上实际厚度之后,透镜实际焦距可能有所变化,此时还可以利用光学系统结构数据表内缩放焦距的功能对组元焦距值进行修正,也还可以对具体结构的透镜厚度进行修改甚至进行规格化处理。以上完成之后,点击窗体内表格栏内对应“保存”栏位置,程序会自动保存设计结果。
缩放组元焦距
保存设计结果
 
依次重复以上操作,可以完成系统所有各组元的初始结构设计。然后点击窗体右上角“下一步”按钮,程序又进一步完成各组元设计结果的组合,组成完整的机械补偿式连续变焦系统初始结构设计数据,包括系统视场、孔径以及变焦系统特殊数据的组合。
 

最后设计结果
 
光学系统结构示意图
 
由于以上设计均为高斯光学求解,为此各组分间间隔均为其主面间隔。当完成初始结构设计后的实际系统的实际间隔会因实际镜头厚度而改变,再由于在前面外形尺寸计算时所给主面间隔只是个粗略数,有时会使透镜间隔过大或过小,甚至使得实际间隔小于零,发生镜头碰撞。此时必须调整镜头结构,或者重回最初外形尺寸计算,调整初始主面间隔,重新设计。
 
b) 复杂系统初始结构设计
 
对于较复杂的光学系统,某些组元需要复杂化处理,比如组元的通光孔径过大,简单系统满足不了要求,或者在矫正像差需要,必须时该组元结构复杂化。此时利用以上使用胶合透镜初始结构设计方法难以完成,例如下图所示结构,其中后固定组结构就比较复杂。这是可以采用上述设计方法设计后固定组前的几个组分,并分别将设计结果临时以指定文件名保存下来,然后对于后固定组采用一般透镜设计方法设计并临时命名保存。
 
复杂光学系统结构示意图
 
待所有组分分别设计完成,再利用程序中“编辑”菜单中的“连接两个系统”功能逐步引入各组元结构参数,并指定各变焦间隔位置。
 
连接两个系统
 
当系统结构参数建立完成还需要利用“编辑”菜单中“系统基本参数”功能填写系统的视场、孔径等一系列参数,同时还需要在“一般数据”中选择“机械补偿式变焦系统”或直接在“编辑”菜单中选择“机械补偿系统参数”,都会出现如下图界面。
 
机械补偿式变焦系统窗体
 
在这个窗体内可以根据以上外形尺寸计算结果的数据逐项填写。填写完毕点击左上角“确定”按钮,全部设计完成。
 
功能增加后的其他操作与原来版本相同。
 
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