OCAD应用：打入式断续变焦光学系统初始结构设计

打入式断续变焦系统还分为一次性打入式断续变焦系统和多重转换式断续变焦系统两种。一次性打入式断续变焦系统只有打入或打出两个变焦倍率。多重转换式断续变焦系统可以通过多组可打入组分轮番打入（打出）获得多个变焦倍率。

1. 一次性打入式断续变焦系统设计

打入（出）型断续变焦系统结构比较简单，在不需要连续变焦时一般采用这种结构形式。在活动组打出时使用固定组，系统焦点位置稳定，瞄准精度高。打入（出）型变焦系统的活动组可以在前，相当于一个望远系统，便于设计，但系统结构尺寸长。另一种是活动组在后，位于会聚光路中，设计时要确保像面位置不变，对系统结构精度要求高。

为了保证系统像面位置不变，活动组都由两个组分组成，其中一个是负组分，另一个为正组分构成。在变焦过程中，整个活动组一起打入（出）以改变系统焦距。一般情况下，整个活动组固联在一起运动，但有时出于结构的需要，比如中间插入有反射棱镜，活动组的两部分分别在反射棱镜的一前一后排列也可以。

A) 会聚光路中打入型变焦系统设计

打入式断续变焦光学系统的固定组就是一般定焦系统的物镜，需要独立矫正像差。活动组一般由正负两组透镜组成。在变焦过程中一般遵循系统相对孔径不变原则。在分配活动组两组透镜的焦距时有两种求解方法，一种是根据前活动组位置及后组位置先求出光线M1M2，很容易得到两组份焦距值；

图1.会聚光路中打入式工作原理图（一）

另一方法保持两组之间光线平行光轴，有了前组距离求得光线投射高度M1，M2=M1，这两组的焦距也不难求解，计算方法简单。

图2.会聚光路中打入式工作原理图（二）

打入式断续变焦光学系统的设计界面如下图所示。图中上半部分是物镜的基本部分，也是相对小视场，下半部分是可以在系统内打入打出的一个活动部分。打入后系统像面位置及像面大小应该保持不变用以扩大物方视场范围。

图3.会聚光路中打入式自动设计程序界面

设计时在界面上填写相关设计要求以及各组元之间主面间隔，程序会自动求解打入部分各组元焦距值以及其他外形尺寸数据，绘制结构示意图。图中上半部分是打入前的原物镜结构，下半部分为打入后的系统结构。接着执行“下一步”程序显示系统各组元焦距值、通光孔径以及各组元间主面间隔数据。

图4.会聚光路中打入式自动设计程序界面

继续点击“下一步”，就可以进入系统初始结构自动设计阶段。此时可以利用设计窗口内下部表格内的“选择”栏内选择设计哪一组镜头。选择后界面自动出现“透镜单元结构设计”窗口进行设计。设计完毕在表格内点击“保存”，将会自动完成该组设计。

图5.会聚光路中打入式自动设计程序界面

按以上方法依次操作即可完成所有组元结构设计。完成之后，再按“下一步”，可以完成整个系统的初始结构设计。

图6.会聚光路中打入式自动设计结构示意图

系统的初始结构设计数据如下。

图7.会聚光路中打入式自动设计结构系统数据

B) 平行光路中打入型变焦系统设计

正如上面所说，有些光学系统出于结构需要，可能在物镜后面塞得很满没有空间安排打入式变焦活动组，此时可以在物镜（变焦固定组）前安排活动组。前置的变焦活动组应该是一个望远系统，也分为前后两个单元。根据变焦倍率以及两组分间的空气间隔，两组分的焦距分配关系如下。式中 f1及 f2分别表示前后两组焦距值，m为变焦倍率，d为两组分间间隔。

以上间隔均由程序自动完成。在OCAD设计窗口内有“会聚光路内打入”和“平行光路内打入”的两种选择。在选择“平行光路内打入”后，设计界面如图所示。界面内也有是否单组打入和两组分间隔打入的选择。和以往一样操作方法即可自动设计出所要求的初始结构参数。设计出带反射棱镜的和不带反射棱镜的设计结果光学系统示意图如下图所示。

图8.平行光路中单变焦组打入式自动设计界面

图9.平行光路中单变焦组打入式自动设计结果结构示意图

2. 多重转换式断续变焦系统设计

多组转换型变焦系统可以实现多档断续变焦。设计时同时设计多重可打入活动组，在打入时随意转换。多组转换型的活动组可以放置在会聚光路中也可以在平行光路中。选择在平行光路中，可利用活动组的无焦性来回倒置获得放大缩小两种不同变焦效果。

图10.多组转换型变焦系统结构示意图

图11.多组转换型变焦系统结构展开示意图