OCAD应用：三组元连续变焦系统
打开“机械补偿变焦系统设计”命令是默认的就是三组元连续变焦系统设计如图1。图1.变焦系统高斯计算窗体
以三组元变焦结构形式为例，说明机械补偿式连续变焦系统设计方法。首先从中选择“三组元变焦”，窗体上显示三组元连续变焦光学系统的典型示意图，下方有一些提示供填写对系统设计要求的参数指标，其中包括一些性能指标和结构参数。性能指标包括系统最小焦距，也就是变焦的短焦焦距、系统变焦比、像面高度以及系统相对孔径（F数）等。设计参数包括前固定组焦距以及各组分之间的高斯间隔。在选择组分间隔时可以选择前固定组与变焦组之间间隔，还可以选择系统后工作距离，在满足后工作距离条件下计算前固定组的位置距离。此外前固定组的焦距值可以选择正值或负值。前固定组焦距为证时是负组变焦，反之为正组变焦。由于初始结构外形尺寸计算为高斯计算，即薄透镜计算，因此在填写各组分间隔时要为实际系统的透镜厚度留有余量。
① 外形尺寸自动计算
根据以上要求按表中内容填写完毕，三组元机械补偿式变焦系统的外形尺寸计算工作立即自动完成。此时如果选择工具条上“图文”按钮就会显示系统外形尺寸计算结构数据。如果选择工具条上“动画”按钮还可以显示系统变焦运动的动画效果。如图2和图3。
图2.外形尺寸计算数据
图3.变焦系统变焦运动动画
选择“凸轮”即可看出该设计结果的凸轮曲线示意图及曲线数据如图4。
图4.变焦系统凸轮曲线
对于目标在有限距离的光学系统，比如显微变焦系统，可以在窗体左上角的下拉式菜单上选择“有限距离”，此时窗体显示如图5。
图5.物体在有限距离变焦系统设计示意图
在显示设计示意图时，为了清楚表达物象关系，利用窗体右上方选择按钮可以显示如图5右侧示意图。其余设计与目标在无限远一样。
为保持系统像面照度一致，连续变焦光学系统一般都把系统孔径光栏放在后固定组位置。由于光栏位置过于靠后会使得系统外形尺寸较大，有时也需要把孔径光阑设置在其他组分位置上，由于此时会因在变焦过程中影响系统相对孔径大小，必须使用可变光栏保持相对孔径不变。但也可以根据需要使用固定光栏或改变光栏可变系数求得合理外形尺寸数据 。为合理设置孔径光阑位置，可以利用窗体上“光栏位置”下拉式文本框选择具体位置，如图6。
图6.调整系统孔径光阑位置设计窗体
图7是光栏分别在后固定组补偿组、变焦组以及在前固定组不同位置的情况。
图7.孔径光阑不同位置效果图
孔径光阑选择在后固定组，光栏不需变化即可保持系统相对孔径不变，否则还可根据需要选择孔径光阑是否可变。在可变选择中，有可变光栏、固定光栏和可变系数三种选择如图8。可变光栏，是指在变焦过程中利用光栏孔径变化保持相对孔径不变，光栏变化系数由程序自动给出；固定光栏，是指在变焦过程中光栏大小保持不变，相对孔径变化；可变系数，是取前二者综合，给定可变系数使得光栏孔径变化同时使相对孔径也有变化。
图8.调整系统孔径光阑变化设计窗体
图8 是光栏在前固定组位置后一定距离时，分别是光栏可变、光栏不变以及给定光栏可变系数的三种情况。可见孔径光阑设置位置不同，系统外形尺寸，特别镜筒直径明显不同。
图9.孔径光阑不同可变系数情况对比
以上说明孔径光阑可变与不可变或者指定变化系数是对系统外形尺寸的影响。对于不同选择会影响系统在不同倍率条件下系统像面照度的变化。这时的变化对于轴上点和轴外点都是同时变化的。在图8中还有渐晕系数选择项，是指利用系统不同位置栏光形成系统渐晕时，给定不同渐晕系数也可改变系统外形尺寸，如图9。此时只影响轴外点通光照度，不影响轴上点相对孔径值，确保像面中心点照度不变。如图10所示。
图10.孔径光阑给定渐晕系数窗体界面
图3-147 孔径光阑有无渐晕的情况对比
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