連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-05
連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的視頻教程
連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的實例教程
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。
展開 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。
展開 利用OCAD光學(xué)自動設(shè)計程序設(shè)計機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。
展開 利用OCAD光學(xué)自動設(shè)計程序設(shè)計機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。
展開 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
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連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)仿真反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)工程光學(xué)工程電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計EDA設(shè)計工業(yè)設(shè)計 ocad應(yīng)用：連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計（一）ocad應(yīng)用：連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計（三）ocad應(yīng)用：連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)總體布局設(shè)計（二）打入式斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計變焦光學(xué)系統(tǒng)
連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的最新內(nèi)容
<p><strong>引言</strong></p><p>火炮身管內(nèi)壁的燒蝕、裂紋等疵病直接影響火炮使用安全性，Ф30~Ф85mm小口徑炮膛的檢測對設(shè)備的空間適配性、成像質(zhì)量和三維測量能力提出嚴(yán)苛要求，而傳統(tǒng)內(nèi)窺系統(tǒng)存在成像失真、適配性差、無法三維測量等痛點。Zemax作為全球領(lǐng)先的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺，憑借建模、優(yōu)化、像質(zhì)評價與公差分析的全流程能力，成為攻克炮膛檢測內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計難題的核心工具
填寫完對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)要求之后就可以在窗體右側(cè)的繪圖框內(nèi)繪制光學(xué)系統(tǒng)方案草圖。繪圖框的基本尺寸默認(rèn)為一張橫排的A4圖紙。如果根據(jù)系統(tǒng)總體尺寸的要求需要調(diào)整繪圖框圖紙圖幅的尺寸，可以利用界面是文字框從 “圖幅選擇”中選擇，點擊“圖幅選擇”后會出現(xiàn)一個下拉式菜單，從中選擇所常用的圖幅尺寸代號，如果不滿足還可以選擇“自定義”，給定需要的橫向尺寸和縱向尺寸，如圖3-1。如果需要調(diào)整圖紙橫排或豎排的形式
二組元連續(xù)變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖1，其計算結(jié)果及凸輪曲線分別如圖2及圖3。
二組元連續(xù)變焦系統(tǒng)實質(zhì)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(chǎn)生系統(tǒng)變焦比，由于變焦系統(tǒng)運動產(chǎn)生的相面位移量有前組位移補償。該形式變焦系統(tǒng)的前組不是固定組，為此對此類系統(tǒng)還要在前方設(shè)置一塊保護(hù)玻璃使系統(tǒng)密封。二組元連續(xù)變焦系統(tǒng)多用于變焦比較小的系統(tǒng)。
打開“機(jī)械補償變焦系統(tǒng)設(shè)計”命令是默認(rèn)的就是三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計如圖1。
在選擇“設(shè)計”菜單中的“變焦系統(tǒng)高斯計算”后，會出現(xiàn)一個如圖1的小窗體。窗體中央顯示了四組元二移動連續(xù)變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)式意圖，下面表格給出系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)列表，左上方有下拉式文本框選擇設(shè)計計算以前固定組還是以后固定組為基礎(chǔ)。根據(jù)前固定組求解是已知前固定組焦距值出發(fā)計算系統(tǒng)外形尺寸數(shù)據(jù)，反之是從后固定組焦距值出發(fā)計算系統(tǒng)外形尺寸數(shù)據(jù)。按表中內(nèi)容填寫完畢，四組元連續(xù)變焦系統(tǒng)的外形尺寸計算工作立即自動完成
凸輪曲線是在設(shè)計機(jī)械補償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)時，為保證系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定，用高斯光學(xué)理論計算變焦組和補償組的運動曲線。為此，在本設(shè)計時就自動計算出了系統(tǒng)凸輪曲線坐標(biāo)值并繪出凸輪曲線如圖6，通過工具條上“圖文”菜單隨時可以顯示凸輪曲線的參數(shù)坐標(biāo)值如圖7所示。
五組元連續(xù)變焦系統(tǒng)實際上是在三組元系統(tǒng)是基礎(chǔ)上發(fā)展起來的兩個三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)的疊加。前后兩個三組元參數(shù)分配一樣，兩個變焦組和連個補償組分別固聯(lián)在一起，按統(tǒng)一規(guī)律運動。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較簡單。由于是兩個系統(tǒng)的疊加，因此其變焦范圍可以按平方關(guān)系擴(kuò)大而不影響補償曲線的過度彎曲。但畢竟復(fù)雜了變焦組結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)像差平衡有一定緩和作用。本軟件包根據(jù)這些設(shè)計方法進(jìn)行全面初始結(jié)構(gòu)設(shè)計。從系統(tǒng)外形尺寸自動計算到初級像差系數(shù)的自動平衡
凸輪曲線是在設(shè)計機(jī)械補償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)時，為保證系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定，用高斯光學(xué)理論計算變焦組和補償組的運動曲線。為此，在本設(shè)計時就自動計算出了系統(tǒng)凸輪曲線坐標(biāo)值并繪出凸輪曲線如圖6，通過工具條上“圖文”菜單隨時可以顯示凸輪曲線的參數(shù)坐標(biāo)值如圖7所示。
雙組聯(lián)動補償式連續(xù)變焦系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計方法類似，他是在三組元變焦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對變焦組分割后擴(kuò)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(lián)在一起，所以叫雙組聯(lián)動型這種結(jié)構(gòu)形式系統(tǒng)中共有四個組分，所以被稱作四組元連續(xù)變焦系統(tǒng)。
?雙組聯(lián)動補償式連續(xù)變焦系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計方法類似，他是在三組元變焦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對變焦組分割后擴(kuò)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(lián)在一起，所以叫雙組聯(lián)動型這種結(jié)構(gòu)形式系統(tǒng)中共有四個組分，所以被稱作四組元連續(xù)變焦系統(tǒng)。
圖1.雙組聯(lián)動系統(tǒng)高斯計算窗體
圖2.雙組聯(lián)動系統(tǒng)
