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關注創建者:墨光科技 創建時間:2020-04-13

變焦系統的實例教程
一、初始結構的繪制
1、目標在無限遠的連續變焦系統
目標在無限遠的連續變焦系統,也叫連續變倍系統。是指通過系統的各個活動組分的移動改變系統焦距,以實現系統放大倍率的系統。連續變倍的光學系統根據系統可移動的變焦組好補償組的數量不同,可分為三組元、四組元、五組元以及二組元等各種不同形式。先以三組元連續變焦系統為例介紹其指定設計方法。
三組元連續變焦系統在進行連續變焦光學系統設計之前,首先在“一般光學系統總體布局設計”的界面上做所需連續變焦光學系統基本結構的布局。布局時必須給定前固定組的焦距值,前固定組可以是一個單一組元,也可以為一組復合結構形式。對于其中變焦組、補償組以及后固定組的焦距值有待于下面求解,可以暫時賦予其焦距值為零,透鏡間隔可以隨意。如圖1所示。
圖1.連續變焦系統布局初步設計
如果前固定組是一個多組元組成的復合結構前固定組,還需在變焦組的“空氣間隔”右側的特性欄內利用下拉式菜單選擇“變焦變量“Z”,如圖。此外還必須指定光欄位置,一般都設置在后固定組位置,以便使用固定光欄,確保系統相對孔徑(F數)值穩定。
圖2.指定前固定組位置
在利用一般光學系統基本結構布局界面布局完畢,即可利用界面內“系統類型”,點擊默認為“一般光學系統”的下拉式菜單,其中顯示多種不同光學系統結構形式,選擇“連續變焦系統” 同時在右側顯示下拉菜單以便選擇變焦系統類型,其中包括三組元變焦、四組元變焦、雙組聯動變焦、線性雙組聯動變焦、五組元變焦以及二組元變焦等各種形式。此時現在需要的結構形式,比如三組元變焦。界面如下圖3所示。
圖3.連續變焦光學系統布局設計(1)
此外,界面上還會顯示連續變焦系統的可選方框。在此框內可以根據設計要求填寫變焦系統的變焦比、系統最小間距以及各組分間最小間隔距離等。
展開 一、 初始結構的繪制
1、目標在無限遠的連續變焦系統
目標在無限遠的連續變焦系統,也叫連續變倍系統。是指通過系統的各個活動組分的移動改變系統焦距,以實現系統放大倍率的系統。連續變倍的光學系統根據系統可移動的變焦組好補償組的數量不同,可分為三組元、四組元、五組元以及二組元等各種不同形式。先以三組元連續變焦系統為例介紹其指定設計方法。
三組元連續變焦系統在進行連續變焦光學系統設計之前,首先在“一般光學系統總體布局設計”的界面上做所需連續變焦光學系統基本結構的布局。布局時必須給定前固定組的焦距值,前固定組可以是一個單一組元,也可以為一組復合結構形式。對于其中變焦組、補償組以及后固定組的焦距值有待于下面求解,可以暫時賦予其焦距值為零,透鏡間隔可以隨意。如圖1所示。
圖1.連續變焦系統布局初步設計
如果前固定組是一個多組元組成的復合結構前固定組,還需在變焦組的“空氣間隔”右側的特性欄內利用下拉式菜單選擇“變焦變量“Z”,如圖。此外還必須指定光欄位置,一般都設置在后固定組位置,以便使用固定光欄,確保系統相對孔徑(F數)值穩定。
圖2.指定前固定組位置
在利用一般光學系統基本結構布局界面布局完畢,即可利用界面內“系統類型”,點擊默認為“一般光學系統”的下拉式菜單,其中顯示多種不同光學系統結構形式,選擇“連續變焦系統” 同時在右側顯示下拉菜單以便選擇變焦系統類型,其中包括三組元變焦、四組元變焦、雙組聯動變焦、線性雙組聯動變焦、五組元變焦以及二組元變焦等各種形式。此時現在需要的結構形式,比如三組元變焦。界面如下圖3所示。
展開 四組元連續變焦系統是在三組元連續變焦系統的基礎上增加了一個變焦組分擔系統像面位移,由兩個變焦組一個補償組,再加一個前固定組和后固定組組成。兩個變焦組可以接連在一起,第二個變焦組固定不動,也可稱為中固定組,雖然不動,也起著變焦組的功能。后面是補償組。系統前固定組、前變焦組、中固定組、補償組以及后固定組的光焦度正負相間排列。此類變焦系統實際是一種四組元兩組移動的結構形式。由于四組元連續變焦系統有兩個變焦組,可以減輕補償組的負擔,減緩補償組凸輪曲線的陡度趨于平滑,可以進一步提高系統變焦比。
如果第二變焦組也可以沿軸向運動,補償組位于兩變焦組之間,是四組元三組移動形式的機械補償式連續變焦系統。該結構形式往往把兩個變焦組固聯在一起,稱為四組分雙組聯動式變焦系統。
(1)外形尺寸自動計算
在選擇“設計”菜單中的“變焦系統高斯計算”后,會出現一個如圖1的小窗體。窗體中央顯示了四組元二移動連續變焦系統的結構式意圖,下面表格給出系統的特征數據列表,左上方有下拉式文本框選擇設計計算以前固定組還是以后固定組為基礎。根據前固定組求解是已知前固定組焦距值出發計算系統外形尺寸數據,反之是從后固定組焦距值出發計算系統外形尺寸數據。按表中內容填寫完畢,四組元連續變焦系統的外形尺寸計算工作立即自動完成。此時如果選擇工具條上“圖文”按鈕就會顯示系統外形尺寸計算結構數據,如圖2。
圖1.變焦系統高斯計算窗體
圖2.外形尺寸計算數據
對于四組元連續變焦系統,由于變焦組的分離,不存在換根以及物象交換原則的選擇。運動曲線只有線性運動與非線性運動的選擇。
如果選擇工具條上“動畫”按鈕還可以顯示系統變焦運動的動畫效果。如圖3。
圖3.變焦系統變焦運動動畫
(2)初級像差系數自動平衡
完成外形尺寸計算后就可以接著進行系統初級像差的平衡優化設計。
展開 四組元連續變焦系統是在三組元連續變焦系統的基礎上增加了一個變焦組分擔系統像面位移,由兩個變焦組一個補償組,再加一個前固定組和后固定組組成。兩個變焦組可以接連在一起,第二個變焦組固定不動,也可稱為中固定組,雖然不動,也起著變焦組的功能。后面是補償組。系統前固定組、前變焦組、中固定組、補償組以及后固定組的光焦度正負相間排列。此類變焦系統實際是一種四組元兩組移動的結構形式。由于四組元連續變焦系統有兩個變焦組,可以減輕補償組的負擔,減緩補償組凸輪曲線的陡度趨于平滑,可以進一步提高系統變焦比。
如果第二變焦組也可以沿軸向運動,補償組位于兩變焦組之間,是四組元三組移動形式的機械補償式連續變焦系統。該結構形式往往把兩個變焦組固聯在一起,稱為四組分雙組聯動式變焦系統。
① 外形尺寸自動計算
在選擇“設計”菜單中的“變焦系統高斯計算”后,會出現一個如圖1的小窗體。窗體中央顯示了四組元二移動連續變焦系統的結構式意圖,下面表格給出系統的特征數據列表,左上方有下拉式文本框選擇設計計算以前固定組還是以后固定組為基礎。根據前固定組求解是已知前固定組焦距值出發計算系統外形尺寸數據,反之是從后固定組焦距值出發計算系統外形尺寸數據。按表中內容填寫完畢,四組元連續變焦系統的外形尺寸計算工作立即自動完成。此時如果選擇工具條上“圖文”按鈕就會顯示系統外形尺寸計算結構數據,如圖2。
圖1.變焦系統高斯計算窗體
圖2.外形尺寸計算數據
對于四組元連續變焦系統,由于變焦組的分離,不存在換根以及物象交換原則的選擇。運動曲線只有線性運動與非線性運動的選擇。
如果選擇工具條上“動畫”按鈕還可以顯示系統變焦運動的動畫效果。如圖3。
圖3.變焦系統變焦運動動畫
② 初級像差系數自動平衡
完成外形尺寸計算后就可以接著進行系統初級像差的平衡優化設計。
展開 四組元連續變焦系統是在三組元連續變焦系統的基礎上增加了一個變焦組分擔系統像面位移,由兩個變焦組一個補償組,再加一個前固定組和后固定組組成。兩個變焦組可以接連在一起,第二個變焦組固定不動,也可稱為中固定組,雖然不動,也起著變焦組的功能。后面是補償組。系統前固定組、前變焦組、中固定組、補償組以及后固定組的光焦度正負相間排列。此類變焦系統實際是一種四組元兩組移動的結構形式。由于四組元連續變焦系統有兩個變焦組,可以減輕補償組的負擔,減緩補償組凸輪曲線的陡度趨于平滑,可以進一步提高系統變焦比。
如果第二變焦組也可以沿軸向運動,補償組位于兩變焦組之間,是四組元三組移動形式的機械補償式連續變焦系統。該結構形式往往把兩個變焦組固聯在一起,稱為四組分雙組聯動式變焦系統。
① 外形尺寸自動計算
在選擇“設計”菜單中的“變焦系統高斯計算”后,會出現一個如圖1的小窗體。窗體中央顯示了四組元二移動連續變焦系統的結構式意圖,下面表格給出系統的特征數據列表,左上方有下拉式文本框選擇設計計算以前固定組還是以后固定組為基礎。根據前固定組求解是已知前固定組焦距值出發計算系統外形尺寸數據,反之是從后固定組焦距值出發計算系統外形尺寸數據。按表中內容填寫完畢,四組元連續變焦系統的外形尺寸計算工作立即自動完成。此時如果選擇工具條上“圖文”按鈕就會顯示系統外形尺寸計算結構數據,如圖2。
圖1.變焦系統高斯計算窗體
圖2.外形尺寸計算數據
對于四組元連續變焦系統,由于變焦組的分離,不存在換根以及物象交換原則的選擇。運動曲線只有線性運動與非線性運動的選擇。
如果選擇工具條上“動畫”按鈕還可以顯示系統變焦運動的動畫效果。如圖3。
圖3.變焦系統變焦運動動畫
② 初級像差系數自動平衡
完成外形尺寸計算后就可以接著進行系統初級像差的平衡優化設計。
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OCAD應用:二組元連續變焦系統1個月前
二組元連續變焦系統的結構形式如圖1,其計算結果及凸輪曲線分別如圖2及圖3。
二組元連續變焦系統實質上是對三組元變焦補償形式的簡化。他利用后面的變焦組的軸向移動產生系統變焦比,由于變焦系統運動產生的相面位移量有前組位移補償。該形式變焦系統的前組不是固定組,為此對此類系統還要在前方設置一塊保護玻璃使系統密封。
OCAD應用:三組元連續變焦系統1個月前
打開“機械補償變焦系統設計”命令是默認的就是三組元連續變焦系統設計如圖1。
OCAD應用:四組元連續變焦系統1個月前
該結構形式往往把兩個變焦組固聯在一起,稱為四組分雙組聯動式變焦系統。
四組元連續變焦系統是在三組元連續變焦系統的基礎上增加了一個變焦組分擔系統像面位移,由兩個變焦組一個補償組,再加一個前固定組和后固定組組成。兩個變焦組可以接連在一起,第二個變焦組固定不動,也可稱為中固定組,雖然不動,也起著變焦組的功能。后面是補償組。
OCAD應用:四組元連續變焦系統1個月前
由于四組元連續變焦系統有兩個變焦組,可以減輕補償組的負擔,減緩補償組凸輪曲線的陡度趨于平滑,可以進一步提高系統變焦比。
如果第二變焦組也可以沿軸向運動,補償組位于兩變焦組之間,是四組元三組移動形式的機械補償式連續變焦系統。該結構形式往往把兩個變焦組固聯在一起,稱為四組分雙組聯動式變焦系統。
① 外形尺寸自動計算
在選擇“設計”菜單中的“變焦系統高斯計算”后,會出現一個如圖1的小窗體。
OCAD應用:五組元連續變焦系統1個月前
五組元連續變焦系統實際上是在三組元系統是基礎上發展起來的兩個三組元連續變焦系統的疊加。前后兩個三組元參數分配一樣,兩個變焦組和連個補償組分別固聯在一起,按統一規律運動。系統結構也比較簡單。由于是兩個系統的疊加,因此其變焦范圍可以按平方關系擴大而不影響補償曲線的過度彎曲。但畢竟復雜了變焦組結構,對系統像差平衡有一定緩和作用。本軟件包根據這些設計方法進行全面初始結構設計。
OCAD應用:五組元連續變焦系統1個月前
圖6.變焦光學系統凸輪曲線圖
圖7.變焦光學系統凸輪曲線參數表
④ 五組元連續變焦系統各組分對像面偏移及補償的關系
五組元連續變焦系統各組分對像面偏移及補償的關系如圖8所示。
圖8.各組分對象面偏移的貢獻示意圖
雙組聯動補償式連續變焦系統初始結構設計方法和三組元連續變焦系統設計方法類似,他是在三組元變焦系統的基礎上對變焦組分割后擴展起來的。
?雙組聯動補償式連續變焦系統初始結構設計方法和三組元連續變焦系統設計方法類似,他是在三組元變焦系統的基礎上對變焦組分割后擴展起來的。變焦組的分割有兩種方法,一是把變焦組分割為兩塊分別置于補償組兩則,但在變焦過程運動時還要把兩塊變焦組固聯在一起,所以叫雙組聯動型這種結構形式系統中共有四個組分,所以被稱作四組元連續變焦系統。
線性雙組聯動型變焦結構形式是對一般雙組聯動型變焦結構的簡化。由于雙組聯動型補償曲線比較緩和且前后對稱,因此在低變倍比時曲線接近直線,此時把補償曲線做線性化處理,可是變焦曲線和補償組曲線均為直線,可以完全省去系統凸輪結構,類似于光學補償運動形式。
為此線性雙組聯動變焦結構形式的采用取決于變焦比和系統焦深大小。一般說來波長較長的紅外系統可用變焦比可以大一些。
圖2.線性雙組聯動系統像面位移曲線
一般說來,雙組聯動形式連續變焦系統的前變焦組和后變焦組的焦距分配相同,為了擴大線性雙組聯動變焦結構使用范圍,可以適當調整二者分配比例改變像面位移曲線,在設計窗體內可以給出比例系數。