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OCAD光学自动设计程序

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OCAD光学自动设计程序
时间:2022-06-09 17:00来源:讯技光电作者: 营销部点击:打印

OCAD光学自动设计程序是一个在Windows环境下,采用全中文菜单,操作实用性很强的国产光学CAD软件包。利用软件包各级接口的下拉式菜单或工具条操作快捷方便。OCAD光学自动设计程序主界面如图1所示。
 
 
图1.OCAD光学自动设计程序主界面
 
当前国内外优秀的光学设计软件很多,但大多数都集中在光学系统的优化和像质评价方面,但如何确定光学系统的初始结构,在优化过程中如何随时贯彻我国有关光学设计标准,特别是贯彻光学零件的表面半径标准、边沿厚度标准以及中心厚度标准等都需要在优化过程中及时体现,否则在优化之后再考虑这些势必会影响优化结果。此外,在系统优化合格之后如何贯彻我国相应光学标准绘制光学图纸也是光学设计者的繁重工作。为此OCAD光学自动设计程序就是出于这些目的编制的适用性光学设计软件。为了与国内外一些优秀光学软件取长补短,该程序设计了与其它有关软件链接互动功能,可以实现和其它光学软件数据共享,互相转换,以求在整个光学设计过程中利用不同光学软件的优势完成光学设计工作。OCAD还可以与Word文字处理软件关联自动把设计过程中的资料及时转换成Word文文件格式并显示在接口上便于处理。OCAD光学自动设计程序的主要功能简介如下。
 
一、 系统适应范围
 
本程序不仅能计算常用的具有轴对称旋转表面的光学系统,还可以计算具有偏心和倾斜光学表面的非对称光学系统;不仅能计算各种定焦距光学系统,还可以计算各种连续变焦光学系统、光学扫描系统以及变形光学系统等;
 
1. 能计算各种复杂的有焦光学系统,以及各种无焦光学系统。对于无焦光学系统可以直接使用角像差进行评价;
 
图1-2. 各类望远或无焦光学系统
 
2. 能计算视场角小于90°的普通广角镜头,F-θ镜头,还可以计算视场角大于90°的超广角的鱼眼镜头;
图1-3. 特广角(鱼眼)镜头
 
3. 能计算由一系列球面或非球面或平面折(反)射光学表面组成的复杂光学系统,还能直接把各种折射棱镜置于系统中进行计算;
 
图1-4. 带棱镜反射式光学系统
 
4. 可以计算各类连续变焦和断续变焦光学系统;
    
    
图1-5. 各类连续或断续变焦光学系统
 
5. 可以计算各类光学扫描系统;
 
图1-6. 各类扫描光学系统
 
6. 计算各类反射镜和特殊表面光学系统
 
  
图1-7. 各类反射镜和特殊表面光学系统
 
7. 可以计算各类非成像系统和变形系统;
 
图1-8. 变形光学系统
 
图1-9. 非成像(或照明)光学系统
 
8. 可以计算系统各类成像像差及像差曲线。
 
图1-10. 各类几何像差曲线

图1-11. 各类点列图像差曲线

图1-12. 各类非成像光学系统像差曲线
 
二、 典型系统初始结构设计功能
本程序可以自动设计作为光学系统基础的各种组合胶合薄透镜光学元件、各类典型光学系统。其中各类连续变焦系统﹑断续变焦系统、光学扫瞄光学系统以及双高斯照相物镜系统等。只要根据设计要求就能自动设计出基础结构参数供自动优化以至最终完成满足设计要求的合格光学系统。
1、 各类胶合薄透镜及组合初始结构设计
 
图1-3. 自动设计各类胶合薄透镜及组合
 
2、 双高斯照相物镜系统初始结构设计
 
图1-4. 自动设计双高斯照相物镜系统
 
3、 各类变焦系统初始结构设计
对变焦距系统,可以在整个变焦过程中全程自动优化设计;光学结构示意图以及各种像差曲线均以动画式显示,可以形象直观地看到在整个变焦过程中系统结构和像差曲线的变化情况;对机械补偿式连续变焦光学系统,对各变焦活动组运动的曲线套筒(凸轮)可以自动计算出可直接用以加工的凸轮坐标曲线,根据需要还可对凸轮曲线进行优化设计。在计算机械补偿式连续变焦光学系统时,只要变焦组运动范围以及需计算各变焦距的位置数即可自动完成变焦过程的全部计算,不必输入各变焦位置的可变间隔数据。
本程序提供了机械补偿式连续变焦光学系统的初始结构设计的功能。自动分配各变焦组元及固定组的光焦度以及其光学间隔的自动计算;可根据高斯光学理论自动计算各组元的P、W值,从而获得光学系统初始结构参数。在自动优化过程中,可以把各变焦位置的可控像差的算术平均值及其均方差以及各组元光焦度同时作为优化目标值进行控制,以保证光学系统的高斯解及系统像质的一致性;程序可以根据变焦曲线套筒的直径及要求的最大转角计算曲线套筒的曲线坐标值,直接提供加工数据。还可以根据曲线升角要求调整曲线升角大小等如图1-5所示。
 
    
图1-5. 自动设计及优化各类变焦系统
 
4、 各类扫描光学系统初始结构设计
本程序具有自动设计各类扫描光学系统初始结构设计功能,其中包括物方扫描和像方扫描的单反射镜扫描、双反射镜扫描以及双光楔扫描的光学系统。
 
   
图1-13. 单反射镜或棱镜光学扫描系统
图1-14. 双反射镜扫描光学系统
 
图1-15. 双光楔扫描光学系统
 
5、 菲涅尔透镜自动设计
程序可以根据等效焦距及表面基底曲率的要求自动设计菲涅尔透镜,如图1-16。
 
    
图1-16. 自动设计菲涅尔透镜
 
三、 连续变焦系统凸轮曲线优化功能
在显示可变焦距光学系统示意图的同时,还可自动计算并显示连续变焦光学系统凸轮曲线。对三组元连续变焦系统,还可根据需要计算任意点数的凸轮曲线以及曲线的坐标值等。对非三组元连续变焦系统,还可根据系统给出的可变间隔数据计算指定点数的凸轮曲线以及曲线的坐标值。
凸轮曲线的计算和曲线显示方法图5-1。
 
图5-3. 连续变焦光学系统凸轮曲线的计算
 
对三组元连续变焦系统,前活动组被称为变焦组,后活动组被称为补偿组。按照连续变焦系统的光学计算方法,如果其中变焦组的运动位置设定,相应补偿组的位置便可有计算确定。在计算其凸轮曲线时可以先给定变焦组运动轨迹求取补偿组曲线,反之也可以先给定补偿组运动轨迹求取变焦组曲线。在给定变焦组或补偿组运动轨迹时,可以设定为直线也可以设定为一个三次曲线。由于过去对凸轮曲线套筒加工工艺的困难,对变焦组运动轨迹基本都采用直线的形式。但随着凸轮加工工艺的不断提高以及对变焦组和补偿组两条运动曲线的优化组合的需要,两条运动曲线均采用非线性曲线的凸轮会有效改善凸轮升角关系,提高运动平滑性。当选用曲线运动轨迹时,凸轮计算窗口变化如图5-4,可以设计非直线运动的曲线方程系数。曲线方程为 ,其中 ﹑ 和 三个系数可在图5-2中填入。注意在填写这三个系数时应填写系数的规划值,即三个系数的和应为“1”。
 
图5-4.连续变焦光学系统凸轮曲线的计算
 
此外,在计算凸轮曲线时,考虑到活动组运动范围的余量,凸轮曲线两端必须适当延长,即需要增加计算点数。为此在给定计算运动曲线坐标点数时应分别填写“前延点数”﹑“选取坐标点数”和“后延点数”三个数据。另外考虑机械设计时以设计了凸轮曲线套筒的直径及曲线套筒的转动角度范围,在计算凸轮曲线时还可计算出曲线的曲线套筒的转动角度坐标和沿套筒的轴向坐标以及曲线升角角度值以供参考。
经过以上数据准备后,点击“显示凸轮曲线”或“显示凸轮坐标”即可显示凸轮曲线或凸轮坐标数据如图5-5。
 
图5-5. 凸轮曲线的坐标数据
 
图5-5. 凸轮曲线的曲线图
 
四、 自动绘图的功能
在光学设计任务完成之后,按标准化的要求,应该对各光学表面半径进行规格化处理。首先考虑按照 GB3158-82 光学零件球面半径数值系列的要求,然后还可以按有关企业标准或现有样板库的样板系列规化光学表面半径。本软件就具有此功能。
         
图3 可绘制各类光学图纸
 
本软件包有很强的自动绘制各种光学图纸的功能。在光学系统出图阶段,可以按照标准化的要求,满足 GB13323-91 光学制图以及其他一系列诸如光学零件公差配合,零件倒边倒角的要求,绘制光学系统图,光学零件图以及光学棱镜图等。
本软件包还为用户提供了一个绘图窗口,在其中任意绘制各种光学方案示意图,也可以对自动绘制的各种光学图纸进行补充或添加。
 
五、 与其它光学设计软件的兼容功能
本软件包具有可读取国内外一些著名光学软件数据文件以及自动生成其数据文件的功能。目前国内外一些著名光学软件,各有所长,各具特色。为了取长补短,本软件包可以直接读取如国外著名的 CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及国内应用面很广的 SOD88 等光学软件的数据文件,同时本软件包也具有可以自动生成这些光学软件的数据文件的功能。这样不仅可以扩展本软件包和他们之间的交流,同时还可以以本软件包为纽带增强这些软件包之间的交流。
 
      
图5. 与 CODE Ⅴ 光学软件兼容       


图6. 与 Zemax 光学软件兼容

图7. 与 OSLO 光学软件兼容
 
由于各光学软件的功能各有所长,其数据文件的内涵也有所不同,因此在各不同软件之间数据转换时也不可能完全转换。本软件包对其他软件数据读取或保存成其他软件的数据文件时也只能读存其公共部分,各自的特殊内容尚需在使用该程序时修改补充。
 
六、 与其它应用软件链接使用的功能
本软件包具有可与其他应用软件链接使用的功能。由于光学设计软件不仅只进行光学设计,还要进行设计结果的输出工作,其中包括计算数据的输出和设计图纸的绘制输出工作。输出设计数据往往需要经常使用的 Microsoft Word 软件及Microsoft Excel 软件等,设计图纸的绘制除本软件可以直接绘制各类光学图纸外,有时也许要应用工程通用的 AutoCAD 应用软件以及 Solid Work 软件等。为了便于使用这些有用的应用软件,本软件包可以把这些好软件链接在一起,操作十分方便。图8到图10分别为本软件包直接调用被链接的Microsoft Word 软件、Microsoft Excel 软件以及 AutoCAD 软件的屏幕界面。
 
 
    
图8. 与Word软件链接使用       

 
图9. 与AutoCAD软件链接使用

图10. 与 Excel软件链接使用
 
七、 文字处理功能
本软件包生成的所有计算结果数据,都可以存成 Word 软件使用的 “*.DOC” 格式文件,并具有一定文字处理功能,比如字体及大小的选择;文字增删、复制及粘贴;居中或前后对齐的处理以及字的前景色和背景色的选择处理等功能如图11所示。
 
图11. 文字处理窗口
 
八、 数据库功能
1、 玻璃材料数据资料
其中玻璃材料数据库几乎涵盖了国内外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及 SOD88 等光学软件具有的所有光学材料玻璃库,其中还包括有色玻璃材料,所有玻璃库用户都有对其补充修改的功能,便于不断扩充如图12所示。
 
    
图12.光学玻璃材料资料库
 
2、 厂(所)标玻璃对样板资料
为对光学表面半径进行标准化处理及尽量选用本企业或其他企业现有对样板资源,软件包可以提供或自己建立对样板资料库,供充分选择。
3、 光学反射棱镜图库资料
为便于绘制光学反射棱镜零件图,软件包可自动绘制 国标GB 7660.1~7660.3-87 所规定的所有反射棱镜。
4、 典型(专利)光学系统镜头库资料
软件包在文件菜单里为用户提供了一个典型镜头资料库功能,此镜头库是一个开放式镜头资料库,不仅收入了国内外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO等光学软件中所列各种专利镜头数据及其他专利镜头资料2500多,供设计选取和参考。还可及时记录和存入用户积累的光学数据资料。
为使用方便,这些镜头数据资料按不同类型光学系统记录在资料查询目录中,供随时存取检索使用如图13所示。
 
图13. 光学数据资料镜头库
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