斷續變焦光學系統設計的案例
打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。多重轉換式斷續變焦系統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. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入（出）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般采用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前，相當于一個望遠系統，便于設計，但系統結構尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設計時要確保像面位置不變，對系統結構精度要求高。
為了保證系統像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負組分，另一個為正組分構成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統焦距。一般情況下，整個活動組固聯在一起運動，但有時出于結構的需要，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設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。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）
打入式斷續變焦光學系統的設計界面如下圖所示。
展開 OCAD應用：打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。多重轉換式斷續變焦系統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. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入（出）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般采用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前，相當于一個望遠系統，便于設計，但系統結構尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設計時要確保像面位置不變，對系統結構精度要求高。
為了保證系統像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負組分，另一個為正組分構成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統焦距。一般情況下，整個活動組固聯在一起運動，但有時出于結構的需要，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設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。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）
打入式斷續變焦光學系統的設計界面如下圖所示。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內打入打出的一個活動部分。打入后系統像面位置及像面大小應該保持不變用以擴大物方視場范圍。
展開 OCAD應用：打入式斷續變焦光學系統初始結構設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。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設計
為了保證系統像面位置不變，活動組都由兩個組分組成，其中一個是負組分，另一個為正組分構成。在變焦過程中，整個活動組一起打入（出）以改變系統焦距。一般情況下，整個活動組固聯在一起運動，但有時出于結構的需要，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）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般采用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前，相當于一個望遠系統，便于設計，但系統結構尺寸長。另一種是活動組在后，位于會聚光路中，設計時要確保像面位置不變，對系統結構精度要求高。
1. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。
展開 OCAD應用：多重轉換式斷續變焦系統設計
多組轉換型變焦系統可以實現多檔斷續變焦。設計時同時設計多重可打入活動組，在打入時隨意轉換。多組轉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1.多組轉換型變焦系統結構示意圖
圖2.多組轉換型變焦系統結構展開示意圖
OCAD應用：軸向位移型斷續變焦系統設計
所謂軸向位移型斷續變焦系統，其實就是連續變焦斷續化，類似連續變焦的結構形式利用系統內兩個活動組的軸向位移獲得兩個端點位置不同的系統焦距值。在設計時可以參照連續變焦的設計方法，不需要進行凸輪曲線設計，將連續變焦中的曲線運動簡化為直線運動即可，如右圖1。
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OCAD應用：軸向位移型斷續變焦系統設計
所謂軸向位移型斷續變焦系統，其實就是連續變焦斷續化，類似連續變焦的結構形式利用系統內兩個活動組的軸向位移獲得兩個端點位置不同的系統焦距值。在設計時可以參照連續變焦的設計方法，不需要進行凸輪曲線設計，將連續變焦中的曲線運動簡化為直線運動即可，如右圖1。
圖1.軸向位移型變焦系統設計界面
軸向位移型斷續變焦系統也可以是三組元結構、四組元結構等多種形式。設計時都是借用機械補償式連續變焦系統設計方法設計。只是對連續變焦系統運動形式的簡化。
圖2.軸向位移型變焦系統結構示意圖
展開 OCAD應用：軸向位移型斷續變焦系統設計
所謂軸向位移型斷續變焦系統，其實就是連續變焦斷續化，類似連續變焦的結構形式利用系統內兩個活動組的軸向位移獲得兩個端點位置不同的系統焦距值。在設計時可以參照連續變焦的設計方法，不需要進行凸輪曲線設計，將連續變焦中的曲線運動簡化為直線運動即可，如右圖1。
圖1.軸向位移型變焦系統設計界面
軸向位移型斷續變焦系統也可以是三組元結構、四組元結構等多種形式。設計時都是借用機械補償式連續變焦系統設計方法設計。只是對連續變焦系統運動形式的簡化。
圖2.軸向位移型變焦系統結構示意圖
展開 OCAD應用：多重轉換式斷續變焦系統設計
多組轉換型變焦系統可以實現多檔斷續變焦。設計時同時設計多重可打入活動組，在打入時隨意轉換。多組轉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。
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OCAD:會聚光路中打入型變焦系統設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。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）
打入式斷續變焦光學系統的設計界面如右圖所示。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內打入打出的一個活動部分。打入后系統像面位置及像面大小應該保持不變用以擴大物方視場范圍。
圖3.會聚光路中打入式自動設計程序界面
設計時在界面上填寫相關設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據，繪制結構示意圖。圖中上半部分是打入前的原物鏡結構，下半部分為打入后的系統結構。接著執行“下一步”程序顯示系統各組元焦距值、通光孔徑以及各組元間主面間隔數據。
圖4.會聚光路中打入式自動設計過程界面
繼續點擊“下一步”，就可以進入系統初始結構自動設計階段。此時可以利用設計窗口內下部表格內的“選擇”欄內選擇設計哪一組鏡頭。選擇后界面自動出現“透鏡單元結構設計”窗口進行設計。設計完畢在表格內點擊“保存”，將會自動完成該組設計。
圖5.會聚光路中打入式自動設計過程界面
按以上方法依次操作即可完成所有組元結構設計。完成之后，再按“下一步”，可以完成整個系統的初始結構設計。
圖6.會聚光路中打入式自動設計過程界面
系統的初始結構設計數據如下。
展開 OCAD應用：會聚光路中打入型變焦系統設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。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）
打入式斷續變焦光學系統的設計界面如右圖所示。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內打入打出的一個活動部分。打入后系統像面位置及像面大小應該保持不變用以擴大物方視場范圍。
圖3.會聚光路中打入式自動設計程序界面
設計時在界面上填寫相關設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據，繪制結構示意圖。圖中上半部分是打入前的原物鏡結構，下半部分為打入后的系統結構。接著執行“下一步”程序顯示系統各組元焦距值、通光孔徑以及各組元間主面間隔數據。
圖4.會聚光路中打入式自動設計過程界面
繼續點擊“下一步”，就可以進入系統初始結構自動設計階段。此時可以利用設計窗口內下部表格內的“選擇”欄內選擇設計哪一組鏡頭。選擇后界面自動出現“透鏡單元結構設計”窗口進行設計。設計完畢在表格內點擊“保存”，將會自動完成該組設計。
圖5.會聚光路中打入式自動設計過程界面
按以上方法依次操作即可完成所有組元結構設計。完成之后，再按“下一步”，可以完成整個系統的初始結構設計。
圖6.會聚光路中打入式自動設計過程界面
系統的初始結構設計數據如下。
展開 OCAD應用：連續變焦光學系統總體布局設計（二）
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 
OCAD應用：連續變焦光學系統總體布局設計（二）
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 OCAD應用：連續變焦光學系統總體布局設計（三）
一、目標在有限距離的顯微連續變焦系統
對于系統目標在有限遠的顯微系統，操作方式和前面相同。只是在建立初始數據時在參數表的物面距離上填寫系統物距值。
圖1.顯微系統連續變倍系統初始數據
然后發現界面上顯示的不是系統焦距值，而是初始放大率值以及變倍比、物面高度、像面高度、物方數值孔徑NA0、像方數值孔徑NA0以及系統最小焦距等內容。
圖2.顯微系統連續變倍系統數據填寫
此外，還有事系統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”即可真的轉換，如下圖3和圖4所示。
圖3.顯微系統物高的設計系統
圖4.顯微系統像高的設計系統
除此還由于系統是有物距的顯微系統，對系統入射光線應輸入系統數值孔徑值，這包括物方數值孔徑和像方數值孔徑兩種選擇。此時點擊“物方數值孔徑NA0”或“像方數值孔徑NA0”即可自動轉換，由于系統選用數值孔徑角度的數據，入瞳都在前表面，因此不許設置光欄位置。如下圖5和圖6所示。
圖5.顯微系統物方數值孔徑的設計系統
圖6.顯微系統像方數值孔徑的設計系統
為了顯示變焦系統的其他圖形及數據，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.顯微系統連續變焦的各種曲線圖
圖8.顯微系統連續變焦的動畫展示
圖9.顯微系統連續變焦的變焦定格
圖10.顯微系統連續變焦的凸輪曲線
圖11.顯微系統連續變焦的像面位移
展開 OCAD應用：連續變焦光學系統總體布局設計（三）
一、目標在有限距離的顯微連續變焦系統
對于系統目標在有限遠的顯微系統，操作方式和前面相同。只是在建立初始數據時在參數表的物面距離上填寫系統物距值。
圖1.顯微系統連續變倍系統初始數據
然后發現界面上顯示的不是系統焦距值，而是初始放大率值以及變倍比、物面高度、像面高度、物方數值孔徑NA0、像方數值孔徑NA0以及系統最小焦距等內容。
圖2.顯微系統連續變倍系統數據填寫
此外，還有事系統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”即可真的轉換，如下圖3和圖4所示。
圖3.顯微系統物高的設計系統
圖4.顯微系統像高的設計系統
除此還由于系統是有物距的顯微系統，對系統入射光線應輸入系統數值孔徑值，這包括物方數值孔徑和像方數值孔徑兩種選擇。此時點擊“物方數值孔徑NA0”或“像方數值孔徑NA0”即可自動轉換，由于系統選用數值孔徑角度的數據，入瞳都在前表面，因此不許設置光欄位置。如下圖5和圖6所示。
圖5.顯微系統物方數值孔徑的設計系統
圖6.顯微系統像方數值孔徑的設計系統
為了顯示變焦系統的其他圖形及數據，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.顯微系統連續變焦的各種曲線圖
圖8.顯微系統連續變焦的動畫展示
圖9.顯微系統連續變焦的變焦定格
圖10.顯微系統連續變焦的凸輪曲線
圖11.顯微系統連續變焦的像面位移
展開 OCAD應用：連續變焦光學系統總體布局設計（一）
利用OCAD光學自動設計程序設計機械補償式連續變焦光學系統自動設計，在程序內有兩個途徑，一個是在其“光學系統總體布局設計”的菜單內，另一個可在“機械補償光學系統設計”菜單內完成。二者各有不同方式和功能進行處理。在“機械補償光學系統設計”菜單內進行設計比較簡潔方便，使用“光學系統總體布局設計”菜單進行設計，是從系統總體布局角度，可以把系統設計得比較完善，可以在變焦系統的基礎上添加其他光學元件，比如轉像棱鏡，或者添加目鏡系統完成整個望遠系統的全局設計。
圖1.光學系統總體布局設計之連續變焦系統設計
機械補償式連續變焦系統又可分為目標在無限遠處或有限距離的兩種形式，對于目標在無限遠處的系統主要是對系統焦距的變化，適應于望遠系統或照相系統的變焦設計；目標在有限距離的變焦系統主要是針對顯微系統，是對系統放大率的變化設計。系統放大率還可分為角放大率和線放大率兩種形式，設計時可以自由選擇。
圖2.機械補償變焦系統設計之連續變焦系統設計
以下按照兩種不同設計菜單介紹具體操作方法。
一、連續變焦光學系統總體布局設計
“光學系統總體布局設計”的菜單是一個多功能光學系統總體布局的設計菜單，具有對各種光學系統進行總體布局設計的功能菜單。可以設計布局簡單或復雜的光學系統，比如一般共軸光學系統，可利用各種棱鏡實現光軸折轉的系統，望遠光學系統等，還可以進行各種連續或斷續變焦系統進行總體布局設計；可以進行各種掃描光學系統做總體布局設計；可以進行多光軸復雜光學系統并行共存總體布局設計。最后實現系統初始結構建模設計，為后期光學系統成像質量優化提供初始平臺。以下重點介紹連續變焦光學系統的總體布局方法。機械補償式連續變焦系統的結構形式根據系統總體性能要求，連續變焦系統的結構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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