OCAD应用：利用OCAD进行一般光学系统的设计

填写完对光学系统的设计技术要求之后就可以在窗体右侧的绘图框内绘制光学系统方案草图。绘图框的基本尺寸默认为一张横排的A4图纸。如果根据系统总体尺寸的要求需要调整绘图框图纸图幅的尺寸可以利用界面是文字框从 “图幅选择”中选择点击“图幅选择”后会出现一个下拉式菜单从中选择所常用的图幅尺寸代号如果不满足还可以选择“自定义”给定需要的横向尺寸和纵向尺寸如图3-1。如果需要调整图纸横排或竖排的形式只要在窗体左侧的数据框内的“横排”或“竖排”的选择框内点击就可以自动变换如图1。图1.图幅尺寸选择图2.图纸的横竖排列选择通过以上设置即可进行光学系统初步方案草图绘制。所有光学系统其基本元素都不外乎是由透镜、光栏、反射镜以及折射棱镜等组成。光学系统初始结构方案的绘制就是依次在绘图框内安排各种不同光学元素作为棋子一样排兵布阵。在布阵时先在左侧数据框的表格框内“元件名称”列的对应面序号栏内点击立即在对应位置出现“命令集”下拉式菜单从中选取所需光学元素。① 初始方案草图绘制Ⅰ 透镜的绘制透镜是构成光学系统的最基本元素由于透镜具有相应光焦度所以他是光线成像的基本元素。透镜焦距为零时就是保护玻璃或分划镜。一般光学系统的前端第一个零件都用透镜或保护玻璃。因此在绘制光学方案草图时首先在绘图框内先画透镜。绘制透镜时先在 下拉菜单“命令集”中选取“透镜”同时界面要求输入透镜焦距值然后在右侧绘图框内光轴上相应位置点击划动一下等出现一条蓝色线条定位后确定透镜所在位置程序自动绘制出该透镜图形并显示系统光线同时在数据表格内显示有关参数。绘图过程见图3所示。绘图结果如图4。依此类推可以反复绘制许多所需要的透镜元素构成光学系统。图3.透镜的绘制过程图4.透镜的绘制Ⅱ 反射镜的绘制反射镜同样也是构成光学系统的组成元素之一。由于反射镜通过对光线反射成像同时由于反射镜与光轴夹角的改变可以用于折转光轴。在绘制反射镜时与上相同在命令集内选择了“反射镜”绘制反射镜时首先需要输入反射镜的焦距值接着还有输入反射镜与光轴的夹角然后在绘图框内适当位置点击即可自动绘制出所需图形如图5右侧图形。由于反射镜的焦距是由反射镜不同表面半径决定的为简化方便在方案草图中均用平面表示。图5.反射镜的绘制Ⅲ 折射棱镜的绘制折射棱镜在光学系统内不仅可以起到折转光轴的作用还可用来对物象起到倒像或镜像转换作用。在绘制折射棱镜前首先要在命令集内选取“反射棱镜”由于折射棱镜有较长的光轴展开长度相当于一块有相当厚度的平板玻璃具有不同等效空气层因此在绘制反射棱镜时还须给出棱镜材料的玻璃牌号名称然后从在界面上显示反射棱镜名称的下拉式菜单上选择需要的反射棱镜名称由于反射棱镜是非对称元件在选择棱镜名称后还有按提示要求输入棱镜主截面与图面的沿光轴夹角有些棱镜还需要继续输入比如棱镜光轴长度延长尺寸或棱镜潜望高度等参数可按界面提示输入。所需数据填写完毕后在绘图框内棱镜应该位置是点击划动一下等出现一条蓝色线条定位即可自动绘制出该反射棱镜图形如图6。图6.反射棱镜的名称选择图7.输入反射棱镜玻璃材料牌号图8.选择反射棱镜的棱镜名称代号图9.系统内绘制反射棱镜元素Ⅳ 光楔的绘制光楔也就是光学系统中常用的折射棱镜可以用以进行光线折转实现系统扫描或变形处理。在光楔元件中又又单光楔和胶合光楔两种单光楔结构简单胶合光楔可以做消色差处理各有用途。图10.系统内绘制光楔元素Ⅴ 孔径光栏的绘制孔径光栏虽然不是光学零件但可在光学系统内对主光线位置起着决定作用而且会影响整个光学系统外形尺寸的作用。在绘制孔径光栏时按以上方法在命令集内选择“光栏”然后在绘图框的光学系统内光栏位置上点击划动一下等出现一条蓝色线条定位即可自动绘出孔径光栏图形并自动求解出主光线的位置如图11。图11.绘制系统内孔径光栏按照以上方法绘制系统内各不同光学元素后如果需要继续排布其他元素可以按同样方法依次绘制。每次都可随意选择不同光学元素。如图12。图12.绘制出的各种不同光学系统方案草图Ⅵ 望远系统的参数建立作为目视的望远系统目标在无限远处经系统成像后由目镜出射的像方也应该在无限远处便于人眼接收。为了获得出射平行光线要求系统物镜像面与目镜前焦面重合。如果系统有分划镜还要求物镜焦面、分划面以及目镜像面三者彼此都要重合。为了满足这一要求在绘制方案草图时应该使系统物镜与目镜间空气间隔等于物镜后截距与目镜前截距之和。在操作时可以点击该间隔数据后一列的间隔特性处界面会出现一个下拉菜单给出多项选择其中包括物镜后截距、目镜前截距以及物镜目镜间隔等三项。如果系统没有分划板可以直接选择”物镜目镜间隔L12”程序会自动计算出物镜后截距和目镜前截距总和并输入给物镜和目镜间的空气间隔值构成望远系统完整数据。图13.望远系统的参数建立如果系统内有分划板还要求物镜像面与分划面重合。此时必须分别要求物镜与分划面之间间隔等于物镜后截距分划面与目镜间隔等于目镜前截距。此时就要在下拉菜单内分别选择“物镜后截距L1”和 “物镜目镜间隔L12”程序自动计算出对应数据输入构成完整望远系统数据参数。图14.带有分划板的望远系统的参数建立Ⅶ 显微物镜放大倍率的物距给定显微镜的放大倍率决定着显微镜的显微放大能力。当显微镜的焦距值一定时决定其放大倍率的取决于系统物面距离。为此在一个显微系统初始方案建模完成后确定系统物距是很重要。本程序就具有自动求解并输入显微物镜物距的功能。在操作时只要在界面的数据表格内物距数据特性栏内点击 然后出现下拉式菜单从中选择“计算物面距离Lo” 再根据提示输入系统角放大率值程序会自动求解并输入显微物镜的物距值。图15.根据放大倍率求解显微物镜物距参数② 方案草图的调整与修改既然是方案草图只是光学系统结构方案的初步设想必然需要结构反复调整修改才能逐渐成熟。Ⅰ 元件参数的修改光学元件的参数包括各光学元素的焦距值、反射镜的表面倾斜角以及各光学元素之间的空气间隔等对于折射棱镜还可以重新选择棱镜名称及其相应参数。总之凡是在绘图过程中输入的数据均可方便地修改。修改方式有两种一是直接在数据表格内修改重新输入所需数据第二种方法是在点击了需要修改是数据时在上方会出现一个可调整数据的拉杆工具条只要拉动工具条对应数据就会连续变化直到满足要求为止。比如需要调整系统在第一块透镜的焦距首先利用鼠标点击表格框在指定光学元素所在序号中元件焦距数据立即可以看到上方出现的拉杆条此时拉到拉杆条指针就可发现图相框内图形在动态变化指定松开鼠标修改结束。其他参数修改于此类似。图16.元件参数的修改Ⅱ 元件布局位置的调整方案草图的调整与修改不仅只是修改某光学元件的本身特性参数各元件之间的相对位置也同样是光学系统的重要参数。为了调整光学元素的空间位置在修改指定参数时还必须保持其他元素的位置不变比如要在系统在改变其中孔径光栏位置或者叫把孔径光阑在前后两个透镜间移动此时可以利用工具条在“位移”功能。首先点击数据框内对应“光栏”元件然后选择工具条在“位移”按钮可以发现有许多子功能选择其中“单件拖移”此时在绘图框内需要元件会变成红色提示再利用鼠标点击该元素沿光轴方向移动直接该元件随之移动其他元件保持不动指定带起鼠标调整完毕。图17.元件的单件拖移如果要求一次同时调整连续几个光学元素位置可以利用子工具条内“局部拖移”功能和以上类似先选择需要移动的前一个元件序号后在选择“局部拖移”功能后界面提示需要输入局部元件的最后一个元件的随着面序号其余相同调整后的效果如图18。图18.部分元件的集体拖移以上光学元素的位移不仅可以使用鼠标拖移方法也可以给定移动数据采用单件数移或局部数移方法实现。Ⅲ 元件的添加与删除在方案草图设计过程难免需要随时添加或删除不同光学元素。需要删除时很简单只要首先指定数据框内数据表格内需要删除对象利用工具条中“删除”按钮即可立即完成。如果需要添加新光学元素需要首先指定添加光学元素的上一行相应序号等出现“命令集”后即可顺利添加所需元素。Ⅳ 图形绘制的比例及位置调整在系统方案修改与调整过程中会产生整个图形在图纸内的尺寸变化甚至超出图纸范围或图形位置不平衡此时可利用工具条内“位移”按钮或“缩放”按钮及时调整。需要调整图纸绘图比例时可选择“缩放”按钮图面上出现斜向箭头图标顺箭头方向左右移动即可调整图形比例。如需整体移动图形可选择“位移”按钮图面出现十字形图标鼠标可以任意拉到图形移动的任意位置直到满意为止如图19。在进行图形位移时还可以选择“缩放”按钮的子按钮中“全局数移”按指定数据移动。图19.图形的缩放与位移功能如果只需要调整绘图比例可利用窗体数据界面内“绘图比例”功能此功能比较简单一方面可以直接修改绘图比例数据同时还可以使用拉杆条拖动连续修改绘图比例动态显示修改效果指定合适为止如图20所示。图20.使用“绘图比例”调整图形绘制比例