打開(kāi)“機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)”命令是默認(rèn)的就是三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1。
圖1.變焦系統(tǒng)高斯計(jì)算窗體
以三組元變焦結(jié)構(gòu)形式為例，說(shuō)明機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先從中選擇“三組元變焦”，窗體上顯示三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的典型示意圖，下方有一些提示供填寫(xiě)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的參數(shù)指標(biāo)，其中包括一些性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。性能指標(biāo)包括系統(tǒng)最小焦距，也就是變焦的短焦焦距、系統(tǒng)變焦比、像面高度以及系統(tǒng)相對(duì)孔徑（F數(shù)）等。設(shè)計(jì)參數(shù)包括前固定組焦距以及各組分之間的高斯間隔。在選擇組分間隔時(shí)可以選擇前固定組與變焦組之間間隔，還可以選擇系統(tǒng)后工作距離，在滿(mǎn)足后工作距離條件下計(jì)算前固定組的位置距離。此外前固定組的焦距值可以選擇正值或負(fù)值。前固定組焦距為證時(shí)是負(fù)組變焦，反之為正組變焦。由于初始結(jié)構(gòu)外形尺寸計(jì)算為高斯計(jì)算，即薄透鏡計(jì)算，因此在填寫(xiě)各組分間隔時(shí)要為實(shí)際系統(tǒng)的透鏡厚度留有余量。
① 外形尺寸自動(dòng)計(jì)算
根據(jù)以上要求按表中內(nèi)容填寫(xiě)完畢，三組元機(jī)械補(bǔ)償式變焦系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算工作立即自動(dòng)完成。此時(shí)如果選擇工具條上“圖文”按鈕就會(huì)顯示系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。如果選擇工具條上“動(dòng)畫(huà)”按鈕還可以顯示系統(tǒng)變焦運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)效果。如圖2和圖3。
圖2.外形尺寸計(jì)算數(shù)據(jù)
圖3.變焦系統(tǒng)變焦運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)
選擇“凸輪”即可看出該設(shè)計(jì)結(jié)果的凸輪曲線(xiàn)示意圖及曲線(xiàn)數(shù)據(jù)如圖4。
圖4.變焦系統(tǒng)凸輪曲線(xiàn)
對(duì)于目標(biāo)在有限距離的光學(xué)系統(tǒng)，比如顯微變焦系統(tǒng)，可以在窗體左上角的下拉式菜單上選擇“有限距離”，此時(shí)窗體顯示如圖5。
圖5.物體在有限距離變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖
在顯示設(shè)計(jì)示意圖時(shí)，為了清楚表達(dá)物象關(guān)系，利用窗體右上方選擇按鈕可以顯示如圖5右側(cè)示意圖。其余設(shè)計(jì)與目標(biāo)在無(wú)限遠(yuǎn)一樣。
為保持系統(tǒng)像面照度一致，連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)一般都把系統(tǒng)孔徑光欄放在后固定組位置。由于光欄位置過(guò)于靠后會(huì)使得系統(tǒng)外形尺寸較大，有時(shí)也需要把孔徑光闌設(shè)置在其他組分位置上，由于此時(shí)會(huì)因在變焦過(guò)程中影響系統(tǒng)相對(duì)孔徑大小，必須使用可變光欄保持相對(duì)孔徑不變。但也可以根據(jù)需要使用固定光欄或改變光欄可變系數(shù)求得合理外形尺寸數(shù)據(jù) 。為合理設(shè)置孔徑光闌位置，可以利用窗體上“光欄位置”下拉式文本框選擇具體位置，如圖6。
圖6.調(diào)整系統(tǒng)孔徑光闌位置設(shè)計(jì)窗體
圖7是光欄分別在后固定組補(bǔ)償組、變焦組以及在前固定組不同位置的情況。
圖7.孔徑光闌不同位置效果圖
孔徑光闌選擇在后固定組，光欄不需變化即可保持系統(tǒng)相對(duì)孔徑不變，否則還可根據(jù)需要選擇孔徑光闌是否可變。在可變選擇中，有可變光欄、固定光欄和可變系數(shù)三種選擇如圖8。可變光欄，是指在變焦過(guò)程中利用光欄孔徑變化保持相對(duì)孔徑不變，光欄變化系數(shù)由程序自動(dòng)給出；固定光欄，是指在變焦過(guò)程中光欄大小保持不變，相對(duì)孔徑變化；可變系數(shù)，是取前二者綜合，給定可變系數(shù)使得光欄孔徑變化同時(shí)使相對(duì)孔徑也有變化。
圖8.調(diào)整系統(tǒng)孔徑光闌變化設(shè)計(jì)窗體
圖8 是光欄在前固定組位置后一定距離時(shí)，分別是光欄可變、光欄不變以及給定光欄可變系數(shù)的三種情況�？梢�(jiàn)孔徑光闌設(shè)置位置不同，系統(tǒng)外形尺寸，特別鏡筒直徑明顯不同。
圖9.孔徑光闌不同可變系數(shù)情況對(duì)比
以上說(shuō)明孔徑光闌可變與不可變或者指定變化系數(shù)是對(duì)系統(tǒng)外形尺寸的影響。對(duì)于不同選擇會(huì)影響系統(tǒng)在不同倍率條件下系統(tǒng)像面照度的變化。這時(shí)的變化對(duì)于軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)都是同時(shí)變化的。在圖8中還有漸暈系數(shù)選擇項(xiàng)，是指利用系統(tǒng)不同位置欄光形成系統(tǒng)漸暈時(shí)，給定不同漸暈系數(shù)也可改變系統(tǒng)外形尺寸，如圖9。此時(shí)只影響軸外點(diǎn)通光照度，不影響軸上點(diǎn)相對(duì)孔徑值，確保像面中心點(diǎn)照度不變。如圖10所示。
圖10.孔徑光闌給定漸暈系數(shù)窗體界面
圖3-147 孔徑光闌有無(wú)漸暈的情況對(duì)比
通常情況下，系統(tǒng)變焦組多利用典型的物象交換原則實(shí)現(xiàn)變焦移動(dòng)，補(bǔ)償組多采用自動(dòng)換根方式計(jì)算運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)方程。在進(jìn)行外形尺寸計(jì)算之前，可以有物象交換原則與非物象交換原則以及自動(dòng)換根與不換根的不同選擇。
圖11.自動(dòng)換根及物象交換原則選擇功能界面
在選擇是否“物象交換”的下拉式菜單內(nèi)可提供兩種選擇。當(dāng)選擇到物象交換時(shí)，界面上會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)調(diào)整非物象交換非對(duì)稱(chēng)度的拉桿式調(diào)節(jié)指針，隨意改變物象交換的非對(duì)稱(chēng)度，以滿(mǎn)足不同要求。在改變不同非對(duì)稱(chēng)度的同時(shí)，界面會(huì)及時(shí)顯示系統(tǒng)變化示意圖。
圖12.物象交換原則選擇功能界面
在“自動(dòng)換根”的功能下拉式菜單里可提供自動(dòng)換根、不換根以及線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)等三種選擇。選擇線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)后變焦系統(tǒng)的變焦組和補(bǔ)償組同時(shí)按直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，不使用凸輪曲線(xiàn)可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生像面位移補(bǔ)償?shù)娜焙叮挥性谧兘贡容^小或?qū)ο衩嫜a(bǔ)償要求不高的系統(tǒng)采用。
圖13.自動(dòng)換根及線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)選擇功能界面
② 初級(jí)像差系數(shù)自動(dòng)平衡
完成外形尺寸計(jì)算后就可以接著進(jìn)行系統(tǒng)初級(jí)像差的平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)。此時(shí)按“下一步”命令鈕，窗體立即出現(xiàn)下一個(gè)畫(huà)面如圖14。其中列出兩個(gè)表格，一個(gè)是要求輸入各初級(jí)像差系數(shù)的目標(biāo)值，另一個(gè)要求輸入系統(tǒng)各組元的PW參數(shù)的初始參考值及其權(quán)系數(shù)。參加優(yōu)化設(shè)計(jì)的初級(jí)像差項(xiàng)目可選，選擇時(shí)使用工具條上插入和刪除按鈕進(jìn)行操作。以上數(shù)據(jù)輸入完畢，按動(dòng)工具條上確定按鈕，計(jì)算立即完成，幷顯示在下面文本框內(nèi)。如圖15。
圖14.填寫(xiě)初級(jí)像差系數(shù)
圖15.PW自動(dòng)優(yōu)化結(jié)果
系統(tǒng)實(shí)際像差平衡，最終完成機(jī)械補(bǔ)償式變焦系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。此時(shí)在設(shè)計(jì)窗體內(nèi)給出了全部設(shè)計(jì)結(jié)果，其中包括系統(tǒng)各組分的焦距分配、通光孔徑、組分間隔、對(duì)各組分的PW值要求以及變焦組的總移動(dòng)范圍等。根據(jù)這些數(shù)據(jù)不難利用本程序薄透鏡設(shè)計(jì)方法求出三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。
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