變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的案例
OCAD應(yīng)用：連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計（二）
一、初始結(jié)構(gòu)的繪制
1、目標(biāo)在無限遠(yuǎn)的連續(xù)變焦系統(tǒng)
目標(biāo)在無限遠(yuǎn)的連續(xù)變焦系統(tǒng)，也叫連續(xù)變倍系統(tǒng)。是指通過系統(tǒng)的各個活動組分的移動改變系統(tǒng)焦距，以實現(xiàn)系統(tǒng)放大倍率的系統(tǒng)。連續(xù)變倍的光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)可移動的變焦組好補償組的數(shù)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(xù)變焦系統(tǒng)為例介紹其指定設(shè)計方法。
三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)在進(jìn)行連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計之前，首先在“一般光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”的界面上做所需連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(xù)變焦系統(tǒng)布局初步設(shè)計
如果前固定組是一個多組元組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)前固定組，還需在變焦組的“空氣間隔”右側(cè)的特性欄內(nèi)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(shè)置在后固定組位置，以便使用固定光欄，確保系統(tǒng)相對孔徑（F數(shù)）值穩(wěn)定。
圖2.指定前固定組位置
在利用一般光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)布局界面布局完畢，即可利用界面內(nèi)“系統(tǒng)類型”，點擊默認(rèn)為“一般光學(xué)系統(tǒng)”的下拉式菜單，其中顯示多種不同光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，選擇“連續(xù)變焦系統(tǒng)” 同時在右側(cè)顯示下拉菜單以便選擇變焦系統(tǒng)類型，其中包括三組元變焦、四組元變焦、雙組聯(lián)動變焦、線性雙組聯(lián)動變焦、五組元變焦以及二組元變焦等各種形式。此時現(xiàn)在需要的結(jié)構(gòu)形式，比如三組元變焦。界面如下圖3所示。
圖3.連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)布局設(shè)計（1）
此外，界面上還會顯示連續(xù)變焦系統(tǒng)的可選方框。在此框內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計要求填寫變焦系統(tǒng)的變焦比、系統(tǒng)最小間距以及各組分間最小間隔距離等。
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一、 初始結(jié)構(gòu)的繪制
1、目標(biāo)在無限遠(yuǎn)的連續(xù)變焦系統(tǒng)
目標(biāo)在無限遠(yuǎn)的連續(xù)變焦系統(tǒng)，也叫連續(xù)變倍系統(tǒng)。是指通過系統(tǒng)的各個活動組分的移動改變系統(tǒng)焦距，以實現(xiàn)系統(tǒng)放大倍率的系統(tǒng)。連續(xù)變倍的光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)可移動的變焦組好補償組的數(shù)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(xù)變焦系統(tǒng)為例介紹其指定設(shè)計方法。
三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)在進(jìn)行連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計之前，首先在“一般光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”的界面上做所需連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(xù)變焦系統(tǒng)布局初步設(shè)計
如果前固定組是一個多組元組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)前固定組，還需在變焦組的“空氣間隔”右側(cè)的特性欄內(nèi)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(shè)置在后固定組位置，以便使用固定光欄，確保系統(tǒng)相對孔徑（F數(shù)）值穩(wěn)定。
圖2.指定前固定組位置
在利用一般光學(xué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)布局界面布局完畢，即可利用界面內(nèi)“系統(tǒng)類型”，點擊默認(rèn)為“一般光學(xué)系統(tǒng)”的下拉式菜單，其中顯示多種不同光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，選擇“連續(xù)變焦系統(tǒng)” 同時在右側(cè)顯示下拉菜單以便選擇變焦系統(tǒng)類型，其中包括三組元變焦、四組元變焦、雙組聯(lián)動變焦、線性雙組聯(lián)動變焦、五組元變焦以及二組元變焦等各種形式。此時現(xiàn)在需要的結(jié)構(gòu)形式，比如三組元變焦。界面如下圖3所示。
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利用OCAD光學(xué)自動設(shè)計程序設(shè)計機械補償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)自動設(shè)計，在程序內(nèi)有兩個途徑，一個是在其“光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”的菜單內(nèi)，另一個可在“機械補償光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”菜單內(nèi)完成。二者各有不同方式和功能進(jìn)行處理。在“機械補償光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”菜單內(nèi)進(jìn)行設(shè)計比較簡潔方便，使用“光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”菜單進(jìn)行設(shè)計，是從系統(tǒng)總體布局角度，可以把系統(tǒng)設(shè)計得比較完善，可以在變焦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加其他光學(xué)元件，比如轉(zhuǎn)像棱鏡，或者添加目鏡系統(tǒng)完成整個望遠(yuǎn)系統(tǒng)的全局設(shè)計。
圖1.光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計之連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計
機械補償式連續(xù)變焦系統(tǒng)又可分為目標(biāo)在無限遠(yuǎn)處或有限距離的兩種形式，對于目標(biāo)在無限遠(yuǎn)處的系統(tǒng)主要是對系統(tǒng)焦距的變化，適應(yīng)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)或照相系統(tǒng)的變焦設(shè)計；目標(biāo)在有限距離的變焦系統(tǒng)主要是針對顯微系統(tǒng)，是對系統(tǒng)放大率的變化設(shè)計。系統(tǒng)放大率還可分為角放大率和線放大率兩種形式，設(shè)計時可以自由選擇。
圖2.機械補償變焦系統(tǒng)設(shè)計之連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計
以下按照兩種不同設(shè)計菜單介紹具體操作方法。
一、連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計
“光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”的菜單是一個多功能光學(xué)系統(tǒng)總體布局的設(shè)計菜單，具有對各種光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行總體布局設(shè)計的功能菜單。可以設(shè)計布局簡單或復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，比如一般共軸光學(xué)系統(tǒng)，可利用各種棱鏡實現(xiàn)光軸折轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)等，還可以進(jìn)行各種連續(xù)或斷續(xù)變焦系統(tǒng)進(jìn)行總體布局設(shè)計；可以進(jìn)行各種掃描光學(xué)系統(tǒng)做總體布局設(shè)計；可以進(jìn)行多光軸復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)并行共存總體布局設(shè)計。最后實現(xiàn)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)建模設(shè)計，為后期光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)化提供初始平臺。以下重點介紹連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的總體布局方法。機械補償式連續(xù)變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)系統(tǒng)總體性能要求，連續(xù)變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都必須包括前固定組、變焦組、補償組以及后固定組幾個部分組成。
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利用OCAD光學(xué)自動設(shè)計程序設(shè)計機械補償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)自動設(shè)計，在程序內(nèi)有兩個途徑，一個是在其“光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”的菜單內(nèi)，另一個可在“機械補償光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”菜單內(nèi)完成。二者各有不同方式和功能進(jìn)行處理。在“機械補償光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計”菜單內(nèi)進(jìn)行設(shè)計比較簡潔方便，使用“光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”菜單進(jìn)行設(shè)計，是從系統(tǒng)總體布局角度，可以把系統(tǒng)設(shè)計得比較完善，可以在變焦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加其他光學(xué)元件，比如轉(zhuǎn)像棱鏡，或者添加目鏡系統(tǒng)完成整個望遠(yuǎn)系統(tǒng)的全局設(shè)計。
圖1.光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計之連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計
機械補償式連續(xù)變焦系統(tǒng)又可分為目標(biāo)在無限遠(yuǎn)處或有限距離的兩種形式，對于目標(biāo)在無限遠(yuǎn)處的系統(tǒng)主要是對系統(tǒng)焦距的變化，適應(yīng)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)或照相系統(tǒng)的變焦設(shè)計；目標(biāo)在有限距離的變焦系統(tǒng)主要是針對顯微系統(tǒng)，是對系統(tǒng)放大率的變化設(shè)計。系統(tǒng)放大率還可分為角放大率和線放大率兩種形式，設(shè)計時可以自由選擇。
圖2.機械補償變焦系統(tǒng)設(shè)計之連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計
以下按照兩種不同設(shè)計菜單介紹具體操作方法。
一、 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計
“光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計”的菜單是一個多功能光學(xué)系統(tǒng)總體布局的設(shè)計菜單，具有對各種光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行總體布局設(shè)計的功能菜單。可以設(shè)計布局簡單或復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，比如一般共軸光學(xué)系統(tǒng)，可利用各種棱鏡實現(xiàn)光軸折轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)等，還可以進(jìn)行各種連續(xù)或斷續(xù)變焦系統(tǒng)進(jìn)行總體布局設(shè)計；可以進(jìn)行各種掃描光學(xué)系統(tǒng)做總體布局設(shè)計；可以進(jìn)行多光軸復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)并行共存總體布局設(shè)計。最后實現(xiàn)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)建模設(shè)計，為后期光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)化提供初始平臺。以下重點介紹連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的總體布局方法。
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打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計
打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)還分為一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)和多重轉(zhuǎn)換式斷續(xù)變焦系統(tǒng)兩種。一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)只有打入或打出兩個變焦倍率。多重轉(zhuǎn)換式斷續(xù)變焦系統(tǒng)可以通過多組可打入組分輪番打入（打出）獲得多個變焦倍率。
1. 一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計
打入（出）型斷續(xù)變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，在不需要連續(xù)變焦時一般采用這種結(jié)構(gòu)形式。在活動組打出時使用固定組，系統(tǒng)焦點位置穩(wěn)定，瞄準(zhǔn)精度高。打入（出）型變焦系統(tǒng)的活動組可以在前，相當(dāng)于一個望遠(yuǎn)系統(tǒng)，便于設(shè)計，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設(shè)計時要確保像面位置不變，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精度要求高。
為了保證系統(tǒng)像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負(fù)組分，另一個為正組分構(gòu)成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統(tǒng)焦距。一般情況下，整個活動組固聯(lián)在一起運動，但有時出于結(jié)構(gòu)的需要，比如中間插入有反射棱鏡，活動組的兩部分分別在反射棱鏡的一前一后排列也可以。
A) 會聚光路中打入型變焦系統(tǒng)設(shè)計
打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的固定組就是一般定焦系統(tǒng)的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負(fù)兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統(tǒng)相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據(jù)前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
圖1.會聚光路中打入式工作原理圖（一）
另一方法保持兩組之間光線平行光軸，有了前組距離求得光線投射高度M1，M2=M1，這兩組的焦距也不難求解，計算方法簡單。
圖2.會聚光路中打入式工作原理圖（二）
打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計界面如下圖所示。
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設(shè)計出帶反射棱鏡的和不帶反射棱鏡的設(shè)計結(jié)果光學(xué)系統(tǒng)示意圖如下圖所示。
圖8.平行光路中單變焦組打入式自動設(shè)計界面
圖9.平行光路中單變焦組打入式自動設(shè)計結(jié)果結(jié)構(gòu)示意圖
2. 多重轉(zhuǎn)換式斷續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計
多組轉(zhuǎn)換型變焦系統(tǒng)可以實現(xiàn)多檔斷續(xù)變焦。設(shè)計時同時設(shè)計多重可打入活動組，在打入時隨意轉(zhuǎn)換。多組轉(zhuǎn)換型的活動組可以放置在會聚光路中也可以在平行光路中。選擇在平行光路中，可利用活動組的無焦性來回倒置獲得放大縮小兩種不同變焦效果。
圖10.多組轉(zhuǎn)換型變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
圖11.多組轉(zhuǎn)換型變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開示意圖
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打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的固定組就是一般定焦系統(tǒng)的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負(fù)兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統(tǒng)相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據(jù)前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
圖1.會聚光路中打入式工作原理圖（一）
另一方法保持兩組之間光線平行光軸，有了前組距離求得光線投射高度M1，M2=M1，這兩組的焦距也不難求解，計算方法簡單。
圖2.會聚光路中打入式工作原理圖（二）
打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計界面如右圖所示。圖中上半部分是物鏡的基本部分，也是相對小視場，下半部分是可以在系統(tǒng)內(nèi)打入打出的一個活動部分。打入后系統(tǒng)像面位置及像面大小應(yīng)該保持不變用以擴(kuò)大物方視場范圍。
圖3.會聚光路中打入式自動設(shè)計程序界面
設(shè)計時在界面上填寫相關(guān)設(shè)計要求以及各組元之間主面間隔，程序會自動求解打入部分各組元焦距值以及其他外形尺寸數(shù)據(jù)，繪制結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上半部分是打入前的原物鏡結(jié)構(gòu)，下半部分為打入后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。接著執(zhí)行“下一步”程序顯示系統(tǒng)各組元焦距值、通光孔徑以及各組元間主面間隔數(shù)據(jù)。
圖4.會聚光路中打入式自動設(shè)計過程界面
繼續(xù)點擊“下一步”，就可以進(jìn)入系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)自動設(shè)計階段。此時可以利用設(shè)計窗口內(nèi)下部表格內(nèi)的“選擇”欄內(nèi)選擇設(shè)計哪一組鏡頭。選擇后界面自動出現(xiàn)“透鏡單元結(jié)構(gòu)設(shè)計”窗口進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計完畢在表格內(nèi)點擊“保存”，將會自動完成該組設(shè)計。
圖5.會聚光路中打入式自動設(shè)計過程界面
按以上方法依次操作即可完成所有組元結(jié)構(gòu)設(shè)計。完成之后，再按“下一步”，可以完成整個系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計。
圖6.會聚光路中打入式自動設(shè)計過程界面
系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)如下。
展開 OCAD:會聚光路中打入型變焦系統(tǒng)設(shè)計
打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的固定組就是一般定焦系統(tǒng)的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負(fù)兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統(tǒng)相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據(jù)前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
圖1.會聚光路中打入式工作原理圖（一）
另一方法保持兩組之間光線平行光軸，有了前組距離求得光線投射高度M1，M2=M1，這兩組的焦距也不難求解，計算方法簡單。
圖2.會聚光路中打入式工作原理圖（二）
打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計界面如右圖所示。圖中上半部分是物鏡的基本部分，也是相對小視場，下半部分是可以在系統(tǒng)內(nèi)打入打出的一個活動部分。打入后系統(tǒng)像面位置及像面大小應(yīng)該保持不變用以擴(kuò)大物方視場范圍。
圖3.會聚光路中打入式自動設(shè)計程序界面
設(shè)計時在界面上填寫相關(guān)設(shè)計要求以及各組元之間主面間隔，程序會自動求解打入部分各組元焦距值以及其他外形尺寸數(shù)據(jù)，繪制結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上半部分是打入前的原物鏡結(jié)構(gòu)，下半部分為打入后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。接著執(zhí)行“下一步”程序顯示系統(tǒng)各組元焦距值、通光孔徑以及各組元間主面間隔數(shù)據(jù)。
圖4.會聚光路中打入式自動設(shè)計過程界面
繼續(xù)點擊“下一步”，就可以進(jìn)入系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)自動設(shè)計階段。此時可以利用設(shè)計窗口內(nèi)下部表格內(nèi)的“選擇”欄內(nèi)選擇設(shè)計哪一組鏡頭。選擇后界面自動出現(xiàn)“透鏡單元結(jié)構(gòu)設(shè)計”窗口進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計完畢在表格內(nèi)點擊“保存”，將會自動完成該組設(shè)計。
圖5.會聚光路中打入式自動設(shè)計過程界面
按以上方法依次操作即可完成所有組元結(jié)構(gòu)設(shè)計。完成之后，再按“下一步”，可以完成整個系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計。
圖6.會聚光路中打入式自動設(shè)計過程界面
系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)如下。
展開 OCAD應(yīng)用：連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計（三）
一、目標(biāo)在有限距離的顯微連續(xù)變焦系統(tǒng)
對于系統(tǒng)目標(biāo)在有限遠(yuǎn)的顯微系統(tǒng)，操作方式和前面相同。只是在建立初始數(shù)據(jù)時在參數(shù)表的物面距離上填寫系統(tǒng)物距值。
圖1.顯微系統(tǒng)連續(xù)變倍系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)
然后發(fā)現(xiàn)界面上顯示的不是系統(tǒng)焦距值，而是初始放大率值以及變倍比、物面高度、像面高度、物方數(shù)值孔徑NA0、像方數(shù)值孔徑NA0以及系統(tǒng)最小焦距等內(nèi)容。
圖2.顯微系統(tǒng)連續(xù)變倍系統(tǒng)數(shù)據(jù)填寫
此外，還有事系統(tǒng)物方高度和像方高度的兩種選擇，不過由于只有兩種選擇，只有點擊文字“物方高度”或“像方高度”即可真的轉(zhuǎn)換，如下圖3和圖4所示。
圖3.顯微系統(tǒng)物高的設(shè)計系統(tǒng)
圖4.顯微系統(tǒng)像高的設(shè)計系統(tǒng)
除此還由于系統(tǒng)是有物距的顯微系統(tǒng)，對系統(tǒng)入射光線應(yīng)輸入系統(tǒng)數(shù)值孔徑值，這包括物方數(shù)值孔徑和像方數(shù)值孔徑兩種選擇。此時點擊“物方數(shù)值孔徑NA0”或“像方數(shù)值孔徑NA0”即可自動轉(zhuǎn)換，由于系統(tǒng)選用數(shù)值孔徑角度的數(shù)據(jù)，入瞳都在前表面，因此不許設(shè)置光欄位置。如下圖5和圖6所示。
圖5.顯微系統(tǒng)物方數(shù)值孔徑的設(shè)計系統(tǒng)
圖6.顯微系統(tǒng)像方數(shù)值孔徑的設(shè)計系統(tǒng)
為了顯示變焦系統(tǒng)的其他圖形及數(shù)據(jù)，通過工具條中“變焦”按鈕的子按鈕，如圖7-圖11所示，分別顯示系統(tǒng)運動曲線、變焦定格、凸輪曲線和像面位移曲線等。
圖7.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的各種曲線圖
圖8.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的動畫展示
圖9.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的變焦定格
圖10.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的凸輪曲線
圖11.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的像面位移
展開 OCAD應(yīng)用：連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計（三）
一、目標(biāo)在有限距離的顯微連續(xù)變焦系統(tǒng)
對于系統(tǒng)目標(biāo)在有限遠(yuǎn)的顯微系統(tǒng)，操作方式和前面相同。只是在建立初始數(shù)據(jù)時在參數(shù)表的物面距離上填寫系統(tǒng)物距值。
圖1.顯微系統(tǒng)連續(xù)變倍系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)
然后發(fā)現(xiàn)界面上顯示的不是系統(tǒng)焦距值，而是初始放大率值以及變倍比、物面高度、像面高度、物方數(shù)值孔徑NA0、像方數(shù)值孔徑NA0以及系統(tǒng)最小焦距等內(nèi)容。
圖2.顯微系統(tǒng)連續(xù)變倍系統(tǒng)數(shù)據(jù)填寫
此外，還有事系統(tǒng)物方高度和像方高度的兩種選擇，不過由于只有兩種選擇，只有點擊文字“物方高度”或“像方高度”即可真的轉(zhuǎn)換，如下圖3和圖4所示。
圖3.顯微系統(tǒng)物高的設(shè)計系統(tǒng)
圖4.顯微系統(tǒng)像高的設(shè)計系統(tǒng)
除此還由于系統(tǒng)是有物距的顯微系統(tǒng)，對系統(tǒng)入射光線應(yīng)輸入系統(tǒng)數(shù)值孔徑值，這包括物方數(shù)值孔徑和像方數(shù)值孔徑兩種選擇。此時點擊“物方數(shù)值孔徑NA0”或“像方數(shù)值孔徑NA0”即可自動轉(zhuǎn)換，由于系統(tǒng)選用數(shù)值孔徑角度的數(shù)據(jù)，入瞳都在前表面，因此不許設(shè)置光欄位置。如下圖5和圖6所示。
圖5.顯微系統(tǒng)物方數(shù)值孔徑的設(shè)計系統(tǒng)
圖6.顯微系統(tǒng)像方數(shù)值孔徑的設(shè)計系統(tǒng)
為了顯示變焦系統(tǒng)的其他圖形及數(shù)據(jù)，通過工具條中“變焦”按鈕的子按鈕，如圖7-圖11所示，分別顯示系統(tǒng)運動曲線、變焦定格、凸輪曲線和像面位移曲線等。
圖7.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的各種曲線圖
圖8.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的動畫展示
圖9.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的變焦定格
圖10.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的凸輪曲線
圖11.顯微系統(tǒng)連續(xù)變焦的像面位移
展開 OCAD應(yīng)用：打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計
打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的固定組就是一般定焦系統(tǒng)的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負(fù)兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統(tǒng)相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據(jù)前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
A) 會聚光路中打入型變焦系統(tǒng)設(shè)計
為了保證系統(tǒng)像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負(fù)組分，另一個為正組分構(gòu)成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統(tǒng)焦距。一般情況下，整個活動組固聯(lián)在一起運動，但有時出于結(jié)構(gòu)的需要，比如中間插入有反射棱鏡，活動組的兩部分分別在反射棱鏡的一前一后排列也可以。
打入（出）型斷續(xù)變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，在不需要連續(xù)變焦時一般采用這種結(jié)構(gòu)形式。在活動組打出時使用固定組，系統(tǒng)焦點位置穩(wěn)定，瞄準(zhǔn)精度高。打入（出）型變焦系統(tǒng)的活動組可以在前，相當(dāng)于一個望遠(yuǎn)系統(tǒng)，便于設(shè)計，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設(shè)計時要確保像面位置不變，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精度要求高。
1. 一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計
打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)還分為一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)和多重轉(zhuǎn)換式斷續(xù)變焦系統(tǒng)兩種。一次性打入式斷續(xù)變焦系統(tǒng)只有打入或打出兩個變焦倍率。
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變焦投影鏡頭設(shè)計 | SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計軟件第71課
概論
成像鏡頭包括定焦鏡頭和變焦鏡頭，我們在日常生活中使用的光學(xué)系統(tǒng)大多是可以變焦的，比如手機鏡頭、專業(yè)相機的鏡頭、顯微鏡等。
成像鏡頭在很多實際應(yīng)用中通常也要求具備變焦的能力，如 CCTV 監(jiān)控鏡頭，紅外探測鏡頭，攝影鏡頭，雙筒望遠(yuǎn)鏡等等，鏡頭具備變焦的能力便可以應(yīng)用于多種環(huán)境條件，放大縮小或局部特寫，這是一個定焦鏡頭所無法完成的。
所謂變焦，即鏡頭的焦距在一定范圍可調(diào)節(jié)，通過改變焦距從而改變系統(tǒng)視場大小，達(dá)到不同距離不同范圍景物的成像。我們通常所說的變焦鏡頭一般指攝像鏡頭，即在不改變拍攝距離的情況下通過改變焦距來改變拍攝范圍，因此非常利于畫面構(gòu)圖。
由于一個系統(tǒng)的焦距在某一范圍可變，相當(dāng)于由無數(shù)多個定焦系統(tǒng)組成的，在設(shè)計變焦鏡頭時也是使用類似定焦鏡頭的分析優(yōu)化方法。
設(shè)計要求
設(shè)計好的一組鏡頭如果變化鏡片與鏡片之間的空氣厚度，鏡頭的焦距會隨之變化，通常來說一個系統(tǒng)的接收面尺寸大小是固定不變的(像面：CCD 或COMS 或其它探測面)，在基礎(chǔ)光學(xué)理論中像面大小、視場和焦距三者有如下關(guān)系：
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
I為像高，f為焦距，θ為視場角度。
這個關(guān)系也很容易理解，一個三角形即可。
變焦鏡頭的變焦倍數(shù)為長焦距和短焦距比值，也稱為“倍率”。理論定義下，在變焦過程中鏡頭的相對孔徑保持不變，但對于實際的高變倍比系統(tǒng)，由于外形尺寸不希望過大或二級光譜校正等問題，通常在變焦時采取相對孔徑（即F/#） 也跟隨變化的方案。
展開 SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計軟件課程三十八：從零開始設(shè)計變焦鏡頭
SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計軟件課程三十八：從零開始設(shè)計變焦鏡頭
在某個周五的中午。 你的老板跑了進(jìn)來：“客戶希望在星期一早上8點前收到8倍變焦鏡頭”。 你從未設(shè)計過變焦鏡頭。 你的工作不知如何開始？他給你一份設(shè)計清單，然后就出去了。 現(xiàn)在怎么辦？
如果您有一個設(shè)計變焦鏡頭的任務(wù)， 您可以訪問專利數(shù)據(jù)庫并嘗試找到類似的鏡頭。 這可能需要很長的時間。
但是，如果您選擇SYNOPSYS?光學(xué)設(shè)計軟件。 你有一位很好的助手來幫助你快速的完成這項工作。以下是你需要做的。
1.啟動程序。
2.在命令窗口中輸入HELP ZSEARCH。 打開10.7.3節(jié)。
3.閱讀整章。但如果您已經(jīng)知道如何在SYNOPSYS上執(zhí)行其他任務(wù)，那么您就能很好的完成工作。
4.設(shè)置您對ZSEARCH的輸入。 鏡頭F / 3.5，半視場角為14度，GIHT為5毫米。
以下是你的MACro：（L38M1）
LOG ! to keep track of things later
PROJ ! to see how long this run took
CORE 16 ! on our 8-core hyperthreaded PC, it runs 8 times faster
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3
SYSTEM ID ZSEARCH TEST
OBB 0 14 2.85 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi aperture.
!
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課程三十八：從零開始設(shè)計變焦鏡頭
在某個周五的中午。您的老板跑了進(jìn)來：“客戶希望在星期一早上8點前收到 8 倍變焦鏡頭”。您從未設(shè)計過變焦鏡頭。您的工作不知如何開始？他給您一份設(shè)計清單，然后就出去了。現(xiàn)在怎么辦？
如果您有一個設(shè)計變焦鏡頭的任務(wù)，您可以訪問專利數(shù)據(jù)庫并嘗試找到類似的鏡頭。這可能需要很長的時間。
但是，如果您選擇 SYNOPSYS? 光學(xué)設(shè)計軟件,您將有一位很好的助手來幫助您快速的完成這項工作。以下是您需要做的。
1.啟動程序。
2.在命令窗口中輸入 HELP ZSEARCH。打開 10.7.3 節(jié)。
3.閱讀整章。但如果您已經(jīng)知道如何在 SYNOPSYS 上執(zhí)行其他任務(wù)，那么您就能很好的完成工作。
4.設(shè)置您對 ZSEARCH 的輸入。鏡頭 F / 3.5，半視場角為 14 度，像高（GIHT）為 5 毫米。
以下是您的 MACro：（C42M1.MAC）
LOG ! 以備日后追跡
PROJ ! 來看看這次運行花了多長時間
CORE 16 ! 在我們的8核超線程電腦上，它的運行速度是原來的8倍ZSEARCH 3 QUIET ! 將結(jié)果保存在鏡頭庫位置3
SYSTEM ID ZSEARCH TEST
OBB 0 14 2.85 ! 無限遠(yuǎn)的物體，14度的半場，2.85毫米的半光圈。
展開 從定焦到變焦 | SYNOPSYS光學(xué)設(shè)計軟件課程第91課
一.概述
SYNOPSYS如何在現(xiàn)有的定焦鏡頭上把它改成變焦鏡頭呢？之前在ZSEARCH上面已經(jīng)教過如何從零開始搭建變焦鏡頭，但是在現(xiàn)有的定焦上面如何改成變焦又是一個問題了，這次就讓你學(xué)會如何把定焦改成變焦。
二.設(shè)計要求
現(xiàn)在我們需要一個定焦的鏡頭，可以用DSEARCH在自動搜索一個鏡頭結(jié)構(gòu)，設(shè)置它的參數(shù)為：可見光；F數(shù)為3權(quán)重為5；后焦距為60mm；總長為75mm;半視場角為14度；入孔半徑為16.67mm的一個五片式的鏡頭。把它在DSEARCH中輸入后建立宏文件并運行宏文件，得到我們的初始結(jié)構(gòu)。
變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
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