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OCAD光學自動設(shè)計程序是一個在Windows環(huán)境下，采用全中文菜單，操作實用性很強的國產(chǎn)光學CAD軟件包。利用軟件包各級接口的下拉式菜單或工具條操作快捷方便。OCAD光學自動設(shè)計程序主界面如圖1所示。
圖1.OCAD光學自動設(shè)計程序主界面
當前國內(nèi)外優(yōu)秀的光學設(shè)計軟件很多，但大多數(shù)都集中在光學系統(tǒng)的優(yōu)化和像質(zhì)評價方面，但如何確定光學系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化過程中如何隨時貫徹我國有關(guān)光學設(shè)計標準，特別是貫徹光學零件的表面半徑標準、邊沿厚度標準以及中心厚度標準等都需要在優(yōu)化過程中及時體現(xiàn)，否則在優(yōu)化之后再考慮這些勢必會影響優(yōu)化結(jié)果。此外，在系統(tǒng)優(yōu)化合格之后如何貫徹我國相應(yīng)光學標準繪制光學圖紙也是光學設(shè)計者的繁重工作。為此OCAD光學自動設(shè)計程序就是出于這些目的編制的適用性光學設(shè)計軟件。為了與國內(nèi)外一些優(yōu)秀光學軟件取長補短，該程序設(shè)計了與其它有關(guān)軟件鏈接互動功能，可以實現(xiàn)和其它光學軟件數(shù)據(jù)共享，互相轉(zhuǎn)換，以求在整個光學設(shè)計過程中利用不同光學軟件的優(yōu)勢完成光學設(shè)計工作。OCAD還可以與Word文字處理軟件關(guān)聯(lián)自動把設(shè)計過程中的資料及時轉(zhuǎn)換成Word文文件格式并顯示在接口上便于處理。OCAD光學自動設(shè)計程序的主要功能簡介如下。
一、 系統(tǒng)適應(yīng)范圍
本程序不僅能計算常用的具有軸對稱旋轉(zhuǎn)表面的光學系統(tǒng)，還可以計算具有偏心和傾斜光學表面的非對稱光學系統(tǒng)；不僅能計算各種定焦距光學系統(tǒng)，還可以計算各種連續(xù)變焦光學系統(tǒng)、光學掃描系統(tǒng)以及變形光學系統(tǒng)等；
1. 能計算各種復雜的有焦光學系統(tǒng)，以及各種無焦光學系統(tǒng)。對于無焦光學系統(tǒng)可以直接使用角像差進行評價；
圖1-2. 各類望遠或無焦光學系統(tǒng)
2. 能計算視場角小于90°的普通廣角鏡頭，F(xiàn)-θ鏡頭，還可以計算視場角大于90°的超廣角的魚眼鏡頭；
圖1-3. 特廣角（魚眼）鏡頭
3. 能計算由一系列球面或非球面或平面折（反）射光學表面組成的復雜光學系統(tǒng)，還能直接把各種折射棱鏡置于系統(tǒng)中進行計算；
圖1-4. 帶棱鏡反射式光學系統(tǒng)
4. 可以計算各類連續(xù)變焦和斷續(xù)變焦光學系統(tǒng)；
圖1-5. 各類連續(xù)或斷續(xù)變焦光學系統(tǒng)
5. 可以計算各類光學掃描系統(tǒng)；
圖1-6. 各類掃描光學系統(tǒng)
6. 計算各類反射鏡和特殊表面光學系統(tǒng)
圖1-7. 各類反射鏡和特殊表面光學系統(tǒng)
7. 可以計算各類非成像系統(tǒng)和變形系統(tǒng)；
圖1-8. 變形光學系統(tǒng)
圖1-9. 非成像（或照明）光學系統(tǒng)
8. 可以計算系統(tǒng)各類成像像差及像差曲線。
圖1-10. 各類幾何像差曲線
圖1-11. 各類點列圖像差曲線
圖1-12. 各類非成像光學系統(tǒng)像差曲線
二、 典型系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計功能
本程序可以自動設(shè)計作為光學系統(tǒng)基礎(chǔ)的各種組合膠合薄透鏡光學元件、各類典型光學系統(tǒng)。其中各類連續(xù)變焦系統(tǒng)﹑斷續(xù)變焦系統(tǒng)、光學掃瞄光學系統(tǒng)以及雙高斯照相物鏡系統(tǒng)等。只要根據(jù)設(shè)計要求就能自動設(shè)計出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)供自動優(yōu)化以至最終完成滿足設(shè)計要求的合格光學系統(tǒng)。
1、 各類膠合薄透鏡及組合初始結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖1-3. 自動設(shè)計各類膠合薄透鏡及組合
2、 雙高斯照相物鏡系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖1-4. 自動設(shè)計雙高斯照相物鏡系統(tǒng)
3、 各類變焦系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計
對變焦距系統(tǒng)，可以在整個變焦過程中全程自動優(yōu)化設(shè)計；光學結(jié)構(gòu)示意圖以及各種像差曲線均以動畫式顯示，可以形象直觀地看到在整個變焦過程中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和像差曲線的變化情況；對機械補償式連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，對各變焦活動組運動的曲線套筒（凸輪）可以自動計算出可直接用以加工的凸輪坐標曲線，根據(jù)需要還可對凸輪曲線進行優(yōu)化設(shè)計。在計算機械補償式連續(xù)變焦光學系統(tǒng)時，只要變焦組運動范圍以及需計算各變焦距的位置數(shù)即可自動完成變焦過程的全部計算，不必輸入各變焦位置的可變間隔數(shù)據(jù)。
本程序提供了機械補償式連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計的功能。自動分配各變焦組元及固定組的光焦度以及其光學間隔的自動計算；可根據(jù)高斯光學理論自動計算各組元的P、W值，從而獲得光學系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。在自動優(yōu)化過程中，可以把各變焦位置的可控像差的算術(shù)平均值及其均方差以及各組元光焦度同時作為優(yōu)化目標值進行控制，以保證光學系統(tǒng)的高斯解及系統(tǒng)像質(zhì)的一致性；程序可以根據(jù)變焦曲線套筒的直徑及要求的最大轉(zhuǎn)角計算曲線套筒的曲線坐標值，直接提供加工數(shù)據(jù)。還可以根據(jù)曲線升角要求調(diào)整曲線升角大小等如圖1-5所示。
圖1-5. 自動設(shè)計及優(yōu)化各類變焦系統(tǒng)
4、 各類掃描光學系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計
本程序具有自動設(shè)計各類掃描光學系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計功能，其中包括物方掃描和像方掃描的單反射鏡掃描、雙反射鏡掃描以及雙光楔掃描的光學系統(tǒng)。
圖1-13. 單反射鏡或棱鏡光學掃描系統(tǒng)
圖1-14. 雙反射鏡掃描光學系統(tǒng)
圖1-15. 雙光楔掃描光學系統(tǒng)
5、 菲涅爾透鏡自動設(shè)計
程序可以根據(jù)等效焦距及表面基底曲率的要求自動設(shè)計菲涅爾透鏡，如圖1-16。
圖1-16. 自動設(shè)計菲涅爾透鏡
三、 連續(xù)變焦系統(tǒng)凸輪曲線優(yōu)化功能
在顯示可變焦距光學系統(tǒng)示意圖的同時，還可自動計算并顯示連續(xù)變焦光學系統(tǒng)凸輪曲線。對三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)，還可根據(jù)需要計算任意點數(shù)的凸輪曲線以及曲線的坐標值等。對非三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)，還可根據(jù)系統(tǒng)給出的可變間隔數(shù)據(jù)計算指定點數(shù)的凸輪曲線以及曲線的坐標值。
凸輪曲線的計算和曲線顯示方法圖5-1。
圖5-3. 連續(xù)變焦光學系統(tǒng)凸輪曲線的計算
對三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)，前活動組被稱為變焦組，后活動組被稱為補償組。按照連續(xù)變焦系統(tǒng)的光學計算方法，如果其中變焦組的運動位置設(shè)定，相應(yīng)補償組的位置便可有計算確定。在計算其凸輪曲線時可以先給定變焦組運動軌跡求取補償組曲線，反之也可以先給定補償組運動軌跡求取變焦組曲線。在給定變焦組或補償組運動軌跡時，可以設(shè)定為直線也可以設(shè)定為一個三次曲線。由于過去對凸輪曲線套筒加工工藝的困難，對變焦組運動軌跡基本都采用直線的形式。但隨著凸輪加工工藝的不斷提高以及對變焦組和補償組兩條運動曲線的優(yōu)化組合的需要，兩條運動曲線均采用非線性曲線的凸輪會有效改善凸輪升角關(guān)系，提高運動平滑性。當選用曲線運動軌跡時，凸輪計算窗口變化如圖5-4，可以設(shè)計非直線運動的曲線方程系數(shù)。曲線方程為 ，其中 ﹑ 和 三個系數(shù)可在圖5-2中填入。注意在填寫這三個系數(shù)時應(yīng)填寫系數(shù)的規(guī)劃值，即三個系數(shù)的和應(yīng)為“1”。
圖5-4.連續(xù)變焦光學系統(tǒng)凸輪曲線的計算
此外，在計算凸輪曲線時，考慮到活動組運動范圍的余量，凸輪曲線兩端必須適當延長，即需要增加計算點數(shù)。為此在給定計算運動曲線坐標點數(shù)時應(yīng)分別填寫“前延點數(shù)”﹑“選取坐標點數(shù)”和“后延點數(shù)”三個數(shù)據(jù)。另外考慮機械設(shè)計時以設(shè)計了凸輪曲線套筒的直徑及曲線套筒的轉(zhuǎn)動角度范圍，在計算凸輪曲線時還可計算出曲線的曲線套筒的轉(zhuǎn)動角度坐標和沿套筒的軸向坐標以及曲線升角角度值以供參考。
經(jīng)過以上數(shù)據(jù)準備后，點擊“顯示凸輪曲線”或“顯示凸輪坐標”即可顯示凸輪曲線或凸輪坐標數(shù)據(jù)如圖5-5。
圖5-5. 凸輪曲線的坐標數(shù)據(jù)
圖5-5. 凸輪曲線的曲線圖
四、 自動繪圖的功能
在光學設(shè)計任務(wù)完成之后，按標準化的要求，應(yīng)該對各光學表面半徑進行規(guī)格化處理。首先考慮按照 GB3158-82 光學零件球面半徑數(shù)值系列的要求，然后還可以按有關(guān)企業(yè)標準或現(xiàn)有樣板庫的樣板系列規(guī)化光學表面半徑。本軟件就具有此功能。
圖3 可繪制各類光學圖紙
本軟件包有很強的自動繪制各種光學圖紙的功能。在光學系統(tǒng)出圖階段，可以按照標準化的要求，滿足 GB13323-91 光學制圖以及其他一系列諸如光學零件公差配合，零件倒邊倒角的要求，繪制光學系統(tǒng)圖，光學零件圖以及光學棱鏡圖等。
本軟件包還為用戶提供了一個繪圖窗口，在其中任意繪制各種光學方案示意圖，也可以對自動繪制的各種光學圖紙進行補充或添加。
五、 與其它光學設(shè)計軟件的兼容功能
本軟件包具有可讀取國內(nèi)外一些著名光學軟件數(shù)據(jù)文件以及自動生成其數(shù)據(jù)文件的功能。目前國內(nèi)外一些著名光學軟件，各有所長，各具特色。為了取長補短，本軟件包可以直接讀取如國外著名的 CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及國內(nèi)應(yīng)用面很廣的 SOD88 等光學軟件的數(shù)據(jù)文件，同時本軟件包也具有可以自動生成這些光學軟件的數(shù)據(jù)文件的功能。這樣不僅可以擴展本軟件包和他們之間的交流，同時還可以以本軟件包為紐帶增強這些軟件包之間的交流。
圖5. 與 CODE Ⅴ 光學軟件兼容
圖6. 與 Zemax 光學軟件兼容
圖7. 與 OSLO 光學軟件兼容
由于各光學軟件的功能各有所長，其數(shù)據(jù)文件的內(nèi)涵也有所不同，因此在各不同軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時也不可能完全轉(zhuǎn)換。本軟件包對其他軟件數(shù)據(jù)讀取或保存成其他軟件的數(shù)據(jù)文件時也只能讀存其公共部分，各自的特殊內(nèi)容尚需在使用該程序時修改補充。
六、 與其它應(yīng)用軟件鏈接使用的功能
本軟件包具有可與其他應(yīng)用軟件鏈接使用的功能。由于光學設(shè)計軟件不僅只進行光學設(shè)計，還要進行設(shè)計結(jié)果的輸出工作，其中包括計算數(shù)據(jù)的輸出和設(shè)計圖紙的繪制輸出工作。輸出設(shè)計數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)常使用的 Microsoft Word 軟件及Microsoft Excel 軟件等，設(shè)計圖紙的繪制除本軟件可以直接繪制各類光學圖紙外，有時也許要應(yīng)用工程通用的 AutoCAD 應(yīng)用軟件以及 Solid Work 軟件等。為了便于使用這些有用的應(yīng)用軟件，本軟件包可以把這些好軟件鏈接在一起，操作十分方便。圖8到圖10分別為本軟件包直接調(diào)用被鏈接的Microsoft Word 軟件、Microsoft Excel 軟件以及 AutoCAD 軟件的屏幕界面。
圖8. 與Word軟件鏈接使用
圖9. 與AutoCAD軟件鏈接使用
圖10. 與 Excel軟件鏈接使用
七、 文字處理功能
本軟件包生成的所有計算結(jié)果數(shù)據(jù)，都可以存成 Word 軟件使用的 “*.DOC” 格式文件，并具有一定文字處理功能，比如字體及大小的選擇；文字增刪、復制及粘貼；居中或前后對齊的處理以及字的前景色和背景色的選擇處理等功能如圖11所示。
圖11. 文字處理窗口
八、 數(shù)據(jù)庫功能
1、 玻璃材料數(shù)據(jù)資料
其中玻璃材料數(shù)據(jù)庫幾乎涵蓋了國內(nèi)外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及 SOD88 等光學軟件具有的所有光學材料玻璃庫，其中還包括有色玻璃材料，所有玻璃庫用戶都有對其補充修改的功能，便于不斷擴充如圖12所示。
圖12.光學玻璃材料資料庫
2、 廠（所）標玻璃對樣板資料
為對光學表面半徑進行標準化處理及盡量選用本企業(yè)或其他企業(yè)現(xiàn)有對樣板資源，軟件包可以提供或自己建立對樣板資料庫，供充分選擇。
3、 光學反射棱鏡圖庫資料
為便于繪制光學反射棱鏡零件圖，軟件包可自動繪制 國標GB 7660.1～7660.3-87 所規(guī)定的所有反射棱鏡。
4、 典型（專利）光學系統(tǒng)鏡頭庫資料
軟件包在文件菜單里為用戶提供了一個典型鏡頭資料庫功能，此鏡頭庫是一個開放式鏡頭資料庫，不僅收入了國內(nèi)外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO等光學軟件中所列各種專利鏡頭數(shù)據(jù)及其他專利鏡頭資料2500多，供設(shè)計選取和參考。還可及時記錄和存入用戶積累的光學數(shù)據(jù)資料。
為使用方便，這些鏡頭數(shù)據(jù)資料按不同類型光學系統(tǒng)記錄在資料查詢目錄中，供隨時存取檢索使用如圖13所示。
圖13. 光學數(shù)據(jù)資料鏡頭庫
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