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OCAD光学设计软件包是一个在Windows环境下，采用全中文菜单，操作实用性很强的国产光学CAD软件包。利用软件包各级界面的下拉式菜单或工具条操作快捷方便。当前国内外优秀的光学设计软件很多，但大多数都集中在光学系统的优化和像质评价方面，但如何确定光学系统的初始结构，早优化过程中如何随时贯彻我国有关光学设计标准，特别是贯彻光学零件的表面半径标准、边沿厚度标准以及中心厚度标准等都需要在优化过程中及时体现，否则在优化之后再考虑这些势必会影响优化结果。此外，在系统优化合格之后如何贯彻我国相应光学标准绘制光学图纸也是光学设计者的繁重工作。为此OCAD光学设计软件包就是出于这些目的编制的适用性光学设计软件。为了与国内外一些优秀光学软件取长补短，软件包设计了与其他有关软件连锁互动功能，可以实现和其他光学软件数据共享，互相转换，以求在整个光学设计过程中利用不同光学软件的优势完成光学设计工作。OCAD还可以与Word文字处理软件关联自动把设计过程中的数据及时转换成Word文档格式并显示在界面上便于处理。OCAD光学设计软件包的主要功能简介如下。
一、系统适应范围
本软件包不仅能计算常用的具有轴对称旋转表面的光学系统，还可以计算具有偏心和倾斜光学表面的非对称光学系统。不仅能计算各种定焦距光学系统，还可以计算各种连续变焦光学系统；不仅能计算各种有明确焦平面的有焦光学系统，还能计算系统像平面在无穷远的无焦光学系统；不仅能计算视场角小于90°的普通广角镜头，F-θ镜头，还可以计算视场角大于90°的超广角的鱼眼镜头；不仅能计算由一系列球面或非球面或平面折（反）射光学表面组成的光学系统，还能直接把各种折射棱镜置于系统中进行计算。
本软件包不仅可以通过计算光学系统的各种几何像差，高斯光学初级像差系数计算，还可以计算光学系统的点列图能量分布、像差灵敏度等对光学系统进行评价和分析，还可以对系统的成像质量进行优化，还可以计算和优化系统参数的允许公差值。
图2 可计算各类光学系统
二、 变焦系统初始结构设计功能
本软件包可以计算各类连续或断续变焦距光学系统。其中包括光学补偿式连续变焦﹑机械补偿式连续变焦﹑打入打出式断续变焦以及反射镜扫瞄式连续变焦等光学系统。
对变焦距系统，可以在整个变焦过程中全程自动优化设计；光学结构示意图以及各种像差曲线均以动画式显示，可以形象直观地看到在整个变焦过程中系统结构和像差曲线的变化情况；对机械补偿式连续变焦光学系统，对各变焦活动组运动的曲线套筒（凸轮）可以自动计算出可直接用以加工的凸轮坐标曲线，根据需要还可对凸轮曲线进行优化设计。在计算三组元机械补偿式连续变焦光学系统时，只要变焦组运动范围以及需计算各变焦距的位置数即可自动完成变焦过程的全部计算，不必输入各变焦位置的可变间隔数据。
本软件包提供了三组元机械补偿式连续变焦光学系统的初始结构设计的功能。自动分配各变焦组元及固定组的光焦度以及其光学间隔的自动计算；可根据高斯光学理论自动计算各组元的P、W值，从而获得光学系统初始结构参数。在自动优化过程中，可以把各变焦位置的可控像差的算术平均值及其均方差以及各组元光焦度同时作为优化目标值进行控制，以保证光学系统的高斯解及系统像质的一致性；软件包可以根据变焦曲线套筒的直径及要求的最大转角计算曲线套筒的曲线坐标值，直接提供加工数据。还可以根据曲线升角要求调整曲线升角大小等如图3所示。
本软件包可以计算各类连续或断续变焦距光学系统。其中包括光学补偿式连续变焦﹑机械补偿式连续变焦﹑打入打出式断续变焦以及反射镜扫瞄式连续变焦等光学系统。
对变焦距系统，可以在整个变焦过程中全程自动优化设计；光学结构示意图以及各种像差曲线均以动画式显示，可以形象直观地看到在整个变焦过程中系统结构和像差曲线的变化情况；对机械补偿式连续变焦光学系统，对各变焦活动组运动的曲线套筒（凸轮）可以自动计算出可直接用以加工的凸轮坐标曲线，根据需要还可对凸轮曲线进行优化设计。在计算三组元机械补偿式连续变焦光学系统时，只要变焦组运动范围以及需计算各变焦距的位置数即可自动完成变焦过程的全部计算，不必输入各变焦位置的可变间隔数据。
本软件包提供了三组元机械补偿式连续变焦光学系统的初始结构设计的功能。自动分配各变焦组元及固定组的光焦度以及其光学间隔的自动计算；可根据高斯光学理论自动计算各组元的P、W值，从而获得光学系统初始结构参数。在自动优化过程中，可以把各变焦位置的可控像差的算术平均值及其均方差以及各组元光焦度同时作为优化目标值进行控制，以保证光学系统的高斯解及系统像质的一致性；软件包可以根据变焦曲线套筒的直径及要求的最大转角计算曲线套筒的曲线坐标值，直接提供加工数据。还可以根据曲线升角要求调整曲线升角大小等如图3所示。
图3 可自动设计及优化各类变焦系统
三、连续变焦系统凸轮曲线优化功能
对于机械补偿式连续变焦系统，总有一个变焦组分和一个补偿组分分别以不同规律运动以保证在改变组分间隔达到连续变焦的同时自动补偿像面位移误差。这两个组分的运动规律通常要求变焦组以线性规律移动，而补偿组则以非线性规律运动。两组镜头的运动多是以机械凸轮机构驱动实现的。驱动凸轮曲线的斜率（陡度）直接影响着运动的平滑度，陡度超过一定程度时会使机构运动“卡死”。凸轮曲线的陡度一方面和曲线套筒的直径以及曲线套筒的转动总角度有关，另一方面还和曲线的方程以及移动组总移动量有关。曲线套筒的直径受镜筒外圆直径约束，曲线套筒的总转动角度也有一定限制。因此，曲线的陡度归根结底是和曲线方程以及移动组总移动量有着密切关系，特别对于变焦倍率（变焦比）的系统因曲线陡度过大而使运动卡死是经常面临的困难。OCAD具有对凸轮曲线优化设计的功能，把一个线性运动和一个非线性运动变成两个非线性运动的结构形式，这样可以在不改变变焦组和补偿组相对移动关系的前提下调整补偿组运动曲线降低曲线陡度，改善使用效果。在图4中是一个20倍连续变焦系统的凸轮曲线在高倍阶段斜率达到75°之高已造成运动卡死如图4所示。经OCAD对凸轮曲线进行优化后可以明显改善曲线斜率，斜率最大值不超过30°，如图5所示。明显改善了凸轮曲线性能。经优化的凸轮曲线坐标数据列于图6，便于直接提供数控机床加工，坐标点数可以根据需要选择。显示数据还可以直接转换成word格式文件或excel工作表格式如图7所示。
图4 优化前凸轮曲线斜率对照
图6 凸轮曲线坐标数据
图7 凸轮曲线坐标数据的多种数据格式文件
四、薄透镜初始结构设计功能
薄透镜是光学系统初始结构设计的起点。在光学系统内任何一组光学元件的雏形都可以认为是有最基本的薄透镜开始的。在光学系统外形尺寸计算阶段首先把各组光学元件当成薄透镜利用高斯光学的原理进行设计，然后通过初级像差平衡解算分配各组分P、W值，在此基础上才能计算透镜形状系数，选择玻璃确定表面半径。OCAD软件包的薄透镜初始结构设计就是在分配了各组分光学元件的P、W值的要求基础上，选择玻璃材料，求解透镜表面半径获得系统结构参数的过程。有了系统结构参数才能进一步优化系统平衡像差。
薄透镜初始结构设计可以根据对该组光学元件的P、W值大小确定结构复杂程度选择单透镜或双胶合透镜或单透镜与双胶合透镜的组合。
OCAD光学软件为求解薄透镜初始结构提供窗体如图8。从图中可以看出，根据对薄透
图8 薄透镜初始结构设计的双胶合透镜设计窗口
镜P、W值的要求，选择透镜结构形式有单透镜、双胶合透镜、单透镜—双胶合透镜组合以及双胶合透镜—单透镜组合等四种结构形式。现以双胶合透镜为例，首先把对透镜P、W值的要求填入表中作为设计依据，然后选择使用的玻璃材料的玻璃库名，如中国国标玻璃GB903-87，再选择胶合透镜玻璃材料的王冕玻璃在前或或是玻璃在前，程序自动分别列出王冕玻璃和或是玻璃于两个可选下拉式菜单内。在选择玻璃材料组合时可以人为选择玻璃牌号，也可以利用程序优化选择。比如选择优选玻璃，此时可以利用窗体中间的满足P、W值要求的各种玻璃组合对应曲线，根据曲线数据拉动选择线（图中黑色直线）
图9 双胶合透镜设计选择玻璃窗口
后在窗体右侧又会出现一个更小范围的可选组合，如图9。最后再进一步具体选择选定的玻璃组合。接着窗体内就会自动计算出胶合透镜的结构参数，同时还给出该玻璃组合的形状系数Q值与P、W值的关系曲线，如图10。最后还可以根据右上方指针式控件左右移动弯曲透镜，图面自动显示弯曲后透镜参数的变化以及对应P、W值的变化以修改透镜参数。基本合格后点击程序大窗体的“编辑”菜单中“系统结构参数”命令，透镜所有数据立即进入可执行状态，进而可以进行像差评价，自动优化等各种程序功能。完成透镜单元的全部设计。
图10双胶合透镜设计结构参数确定窗口
五、与其他光学设计软件的兼容功能
本软件包具有可读取国内外一些著名光学软件数据文件以及自动生成其数据文件的功能。目前国内外一些著名光学软件，各有所长，各具特色。为了取长补短，本软件包可以直接读取如国外著名的 CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及国内应用面很广的 SOD88 等光学软件的数据文件，同时本软件包也具有可以自动生成这些光学软件的数据文件的功能。这样不仅可以扩展本软件包和他们之间的交流，同时还可以以本软件包为纽带增强这些软件包之间的交流。
 图11 与 CODE Ⅴ 光学软件兼容  图12 与 Zemax 光学软件兼容  图13 与 OSLO 光学软件兼容 由于各光学软件的功能各有所长，其数据文件的内涵也有所不同，因此在各不同软件之间数据转换时也不可能完全转换。本软件包对其他软件数据读取或保存成其他软件的数据文件时也只能读存其公共部分，各自的特殊内容尚需在使用该程序时修改补充。六、自动绘图的功能 在光学设计任务完成之后，按标准化的要求，应该对各光学表面半径进行规格化处理。首先考虑按照 GB3158-82 光学零件球面半径数值系列的要求，然后还可以按有关企业标准或现有样板库的样板系列规化光学表面半径。本软件就具有此功能。  图14 可绘制各类光学图纸 本软件包有很强的自动绘制各种光学图纸的功能。在光学系统出图阶段，可以按照标准化的要求，满足 GB13323-91 光学制图以及其他一系列诸如光学零件公差配合，零件倒边倒角的要求，绘制光学系统图，光学零件图以及光学棱镜图等。本软件包还为用户提供了一个绘图窗口，在其中任意绘制各种光学方案示意图，也可以对自动绘制的各种光学图纸进行补充或添加。 七、与其他应用软件链接使用的功能 本软件包具有可与其他应用软件链接使用的功能。由于光学设计软件不仅只进行光学设计，还要进行设计结果的输出工作，其中包括计算数据的输出和设计图纸的绘制输出工作。输出设计数据往往需要经常使用的 Microsoft Word 软件及Microsoft Excel 软件等，设计图纸的绘制除本软件可以直接绘制各类光学图纸外，有时也许要应用工程通用的 AutoCAD 应用软件以及 Solid Work 软件等。为了便于使用这些有用的应用软件，本软件包可以把这些好软件链接在一起，操作十分方便。图8到图10分别为本软件包直接调用被链接的Microsoft Word 软件、Microsoft Excel 软件以及 AutoCAD 软件的屏幕界面。  图15 与Word软件链接使用  图16 与AutoCAD软件链接使用  图17 与 Excel软件链接使用 八、文字处理功能 本软件包生成的所有计算结果数据，都可以存成 Word 软件使用的 “*.DOC” 格式文件，并具有一定文字处理功能，比如字体及大小的选择；文字增删、复制及粘贴；居中或前后对齐的处理以及字的前景色和背景色的选择处理等功能如图19所示。  图18 文字处理窗口 九、数据库功能1．玻璃材料数据资料 其中玻璃材料数据库几乎涵盖了国内外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO 以及 SOD88 等光学软件具有的所有光学材料玻璃库，其中还包括有色玻璃材料，所有玻璃库用户都有对其补充修改的功能，便于不断扩充如图19所示。  图19 光学玻璃材料资料库 1．厂（所）标玻璃对样板资料为对光学表面半径进行标准化处理及尽量选用本企业或其他企业现有对样板资源，软件包可以提供或自己建立对样板资料库，供充分选择。 2．光学反射棱镜图库资料为便于绘制光学反射棱镜零件图，软件包可自动绘制国标GB 7660.1～7660.3-87 所规定的所有反射棱镜。 3．典型（专利）光学系统镜头库资料软件包在文件菜单里为用户提供了一个典型镜头资料库功能，此镜头库是一个开放式镜头资料库，不仅收入了国内外如CODE Ⅴ、Zemax、OSLO等光学软件中所列各种专利镜头数据及其他专利镜头资料2500多，供设计选取和参考。还可及时记录和存入用户积累的光学数据资料。 为使用方便，这些镜头数据资料按不同类型光学系统记录在资料查询目录中，供随时存取检索使用如图20所示。  图20 光学数据资料镜头库 |
