摘 要：本文介紹了連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的基本工作原理以及光學(xué)設(shè)計(jì)方法的全過(guò)程。其中包括變焦和補(bǔ)償方案的選擇、高斯光學(xué)各組元焦距分配、外形尺寸計(jì)算、初級(jí)像差平衡、PW求解、初始結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、系統(tǒng)實(shí)際像差自動(dòng)平衡，直到凸輪曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)等。文章以圖形和公式說(shuō)理，用OCAD光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件為工具，全面介紹三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及過(guò)程。 關(guān)鍵詞 變焦系統(tǒng) 機(jī)械補(bǔ)償 像差平衡 凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì) OCAD光學(xué)設(shè)計(jì)程序
一、 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的基本工作原理 在日常生活或軍事觀察中有時(shí)會(huì)想在一定圖象畫面內(nèi)了解較大范圍的目標(biāo)全貌，有時(shí)又需要在一個(gè)較小范圍內(nèi)觀察目標(biāo)圖象的具體細(xì)節(jié)。從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度說(shuō)，就是要求一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在像高大小不變時(shí)，可以改變物面尺寸大小。由光學(xué)系統(tǒng)能量守衡定律，拉氏不變量
可以看出，對(duì)同一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，無(wú)論在物方還是像方甚至中間任意一個(gè)光學(xué)表面都要遵循這個(gè)拉氏變量J不變的原則。對(duì)于照相（望遠(yuǎn)）物鏡而言，上式可以寫成
的形式。又由于光學(xué)系統(tǒng)的焦距計(jì)算公式為
這樣又有關(guān)系式
這就意味著要改變物方視場(chǎng)就必須通過(guò)改變系統(tǒng)焦距來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就是可變焦距光學(xué)系統(tǒng)的由來(lái)。一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)影響其焦距變化的因素也很簡(jiǎn)單，因?yàn)橄到y(tǒng)焦距只是組成該系統(tǒng)的各表面的表面半徑（曲率）、間隔以及其光學(xué)材料的折射率的函數(shù)，即
為此，要改變光學(xué)系統(tǒng)焦距必須通過(guò)改變組成系統(tǒng)的表面半徑（曲率）、間隔以及其光學(xué)材料的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)變焦，最古老的也是最有效的方法就是提高改換光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部分光學(xué)零件來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如對(duì)一個(gè)顯微系統(tǒng)，可以更換不同焦距的顯微物鏡或不同焦距的目鏡實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@樣有限數(shù)量的整組物鏡或目鏡的更換，對(duì)一個(gè)顯微鏡而言，其放大倍率的改變自然也是有限的和不連續(xù)的。還有一種是不改變光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)零件，也就是不改變光學(xué)系統(tǒng)的各表面半徑和材料折射率，而僅是通過(guò)改變各光學(xué)零件之間的空氣間隔，即改變參數(shù)d改變系統(tǒng)焦距，這樣就可以連續(xù)無(wú)間斷地獲得一個(gè)變焦光學(xué)系統(tǒng)。為此變焦光學(xué)系統(tǒng)就分為兩大類。前者被稱作斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，后者叫做連續(xù)變焦系統(tǒng)。 斷續(xù)變焦系統(tǒng)還可以分成幾種不同類型，比如通過(guò)打入（出）一組或多組光學(xué)零（部）件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兩個(gè)不同焦距變化的變焦的光學(xué)系統(tǒng)被稱做打入型斷續(xù)變焦系統(tǒng)；
可以分多組以不同順序多次打入（出）不同光學(xué)光學(xué)零（部）件，每打入（出）一組光學(xué)零（部）件就可以獲得一次不同系統(tǒng)焦距變化的變焦系統(tǒng)，被稱做多組打入型斷續(xù)變焦系統(tǒng)。
還有一種是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部分光學(xué)零（部）件沿光軸方向移動(dòng)，改變光學(xué)間隔以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)焦距變化，但在移動(dòng)過(guò)程中只能在幾個(gè)特定位置上保持系統(tǒng)像面大小和位置不變切成像質(zhì)量滿足要求的變焦系統(tǒng)被稱做改變間隔型斷續(xù)變焦系統(tǒng)，無(wú)論那種斷續(xù)變焦系統(tǒng)，在其變焦過(guò)程中都要求系統(tǒng)像面大小幾像面位置不變，而且還要求在變焦過(guò)程中系統(tǒng)成像質(zhì)量滿足使用要求。 連續(xù)變焦系統(tǒng)同樣也可以分成幾種不同類型的變焦系統(tǒng)。比如把光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)一部分光學(xué)零（部）件保持位置不變，另一部分相對(duì)固連在一起和位置不動(dòng)的部分分別相間沿光軸方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)焦距連續(xù)可變的系統(tǒng)被稱為光學(xué)補(bǔ)償式連續(xù)變焦系統(tǒng)。
如果把一個(gè)變焦系統(tǒng)的可沿光軸方向移動(dòng)的組分分成兩組，各自按不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律移動(dòng)的變焦系統(tǒng)被叫做機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦系統(tǒng)，
如果變焦組或補(bǔ)償組本身不是一個(gè)獨(dú)立組分，期間還和系統(tǒng)固定部分相間排列的變焦系統(tǒng)，有叫做雙組聯(lián)動(dòng)型連續(xù)變焦系統(tǒng)。
二、 打入型斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法
三、 光學(xué)補(bǔ)償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
四、 機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的基本工作原理
對(duì)成像系統(tǒng)，采用連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)是解決大視場(chǎng)搜索觀察小視場(chǎng)分辨的最佳途徑。由交替固定和相對(duì)活動(dòng)的透鏡或透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)就是連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)的最前一個(gè)透鏡或透鏡組和最后一個(gè)透鏡或透鏡組都可以是固定的或是活動(dòng)的。變焦系統(tǒng)的最后一個(gè)活動(dòng)組前面的所有固定組和活動(dòng)組的總數(shù)被稱為變焦系統(tǒng)的組分?jǐn)?shù)或組元數(shù)。變焦系統(tǒng)中所有活動(dòng)組分固連在一起沿光軸方向做直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)稱作光學(xué)補(bǔ)償式變焦系統(tǒng)。由一部分活動(dòng)組的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償因另一部分活動(dòng)組的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的系統(tǒng)像面位移的變焦系統(tǒng)稱作機(jī)械補(bǔ)償式變焦系統(tǒng)。其中為完成系統(tǒng)焦距變化的活動(dòng)組份叫變焦組，用來(lái)補(bǔ)償因變焦組的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的像面位移的活動(dòng)組分叫補(bǔ)償組。在利用物象交換原則進(jìn)行變焦，用往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償方式的變焦系統(tǒng)，有著明顯的變焦組和補(bǔ)償組的分工，但利用物象交換原則進(jìn)行變焦，用換根原則單調(diào)方向運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償方式的變焦系統(tǒng)已沒(méi)有嚴(yán)格的變焦組和補(bǔ)償組之分了，因?yàn)榇祟愖兘瓜到y(tǒng)的兩個(gè)活動(dòng)組分的變焦貢獻(xiàn)相差不大，只是習(xí)慣上稱呼前面的活動(dòng)組為變焦組，后面的活動(dòng)組為補(bǔ)償組。系統(tǒng)的最后一個(gè)活動(dòng)組前面的所有組分也被叫做系統(tǒng)的變焦部分，主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的焦距連續(xù)變化，并保持系統(tǒng)像差的穩(wěn)定不變。后固定組也叫固定部分，他對(duì)系統(tǒng)變焦沒(méi)有貢獻(xiàn)，主要負(fù)責(zé)把整個(gè)系統(tǒng)成像質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)，當(dāng)然后固定組還可以調(diào)整系統(tǒng)的后工作距離和光學(xué)筒長(zhǎng)的作用。 機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)就是由一個(gè)前固定組、一個(gè)變焦組和一個(gè)補(bǔ)償組組成的光學(xué)系統(tǒng)。機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)還可以有一個(gè)后固定組，如圖1。該系統(tǒng)中透鏡組1為前固定組，透鏡組2為變焦組，透鏡組3為補(bǔ)償組，透鏡組4為后固定組。前固定組的焦距值直接影響著系統(tǒng)的總體焦距大小，變焦組和補(bǔ)償組的相對(duì)位置的變化決定系統(tǒng)的焦距變化倍率，即變焦比。補(bǔ)償組的焦距為正值的變焦系統(tǒng)叫做正組補(bǔ)償系統(tǒng)，補(bǔ)償組的焦距為負(fù)值的變焦系統(tǒng)為負(fù)組補(bǔ)償系統(tǒng)。由于該類變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)，其應(yīng)用面也最廣。本文著重論述機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)從理想光學(xué)的高斯計(jì)算、初級(jí)像差平衡、系統(tǒng)像差優(yōu)化方法直到凸輪曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
1.1 對(duì)機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)及基本要求
對(duì)機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，必須滿足以下要求
1) 均勻改變焦距 系統(tǒng)變焦必須在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)變化。系統(tǒng)焦距變化范圍可以用系統(tǒng)的最小焦距值和最大焦距值，或者用給定最小焦距值和變焦比規(guī)定。
2) 系統(tǒng)的相對(duì)孔徑基本保持不變 由于系統(tǒng)的相對(duì)孔徑表征著像面的照度，為保證在變焦過(guò)程中像面照度不變，必須保持系統(tǒng)相對(duì)孔徑穩(wěn)定不變。變焦系統(tǒng)的孔徑光欄一般設(shè)在后固定組的位置，因?yàn)榭讖焦鈾谠诠潭ńM上可以保證系統(tǒng)像面總照度維持不變。如果系統(tǒng)孔徑光欄不在固定組上，必須要求該孔徑光欄隨系統(tǒng)變焦而隨時(shí)調(diào)整光欄位置和大小，確保系統(tǒng)像面總照度維持不變。
3) 變焦過(guò)程像面保持穩(wěn)定 在變焦過(guò)程中像面保持穩(wěn)定有兩個(gè)含義，一是保持像面位置穩(wěn)定，二是要求隨著系統(tǒng)焦距的變化系統(tǒng)像面尺寸保持穩(wěn)定。
4) 成像質(zhì)量符合要求 連續(xù)變焦系統(tǒng)和定焦距系統(tǒng)對(duì)成像質(zhì)量的要求不同，不僅要求某個(gè)變焦位置的成像質(zhì)量最佳，還要求所有各變焦位置的成像質(zhì)量穩(wěn)定一致。
1.2 變焦組在變焦過(guò)程中的像面位移分析
機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)中，變焦組在變焦過(guò)程中由于其物象共軛距離的變化不斷產(chǎn)生像面位移。變焦組在變焦過(guò)程中沿光軸方向可以是勻速直線運(yùn)動(dòng)，也可以任意曲線方程規(guī)律作非勻速運(yùn)動(dòng)。圖2給出了正組變焦組在變焦過(guò)程中勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生像面位移的光學(xué)系統(tǒng)示意圖，圖中用虛線
表示了變焦組勻速直線運(yùn)動(dòng)軌跡和系統(tǒng)像面位移曲線。根據(jù)高斯公式(1)，不難得出物象共軛距離Δ的表達(dá)式（2）以及變焦組移動(dòng)距離x所產(chǎn)生像面位移δ的表達(dá)式（3），并由此兩公式繪出正組變焦在變焦過(guò)程中像面位移曲線如圖3。圖中列出了正組變焦組在變焦過(guò)程中物距由
移動(dòng)到
處像面位移的曲線圖。
此外，根據(jù)以上公式還可以得出變焦組的物象放大率m和變焦比Γ的表達(dá)式如（4）和（5），同時(shí)繪出正組變焦在變焦過(guò)程中物象放大率曲線關(guān)系如圖4。由圖4可以看出，在極值點(diǎn)
處變焦組放大率
。變焦組放大率m和變焦比Γ隨物距的變化成二次曲線關(guān)系。
負(fù)組變焦組在變焦過(guò)程中勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生像面位移的情況如圖5、圖6和圖7。
由以上計(jì)算公式及圖表分析對(duì)變焦組在機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)中的作用可以歸納如下。
1） 變焦組在變焦過(guò)程中，保持物面不動(dòng)，變焦組緗對(duì)物面沿光軸方向移動(dòng)改變系統(tǒng)總焦距。
2） 變焦組在變焦過(guò)程中，因其物距變化引起像面位移，像面位移量在物距l(xiāng)=-2f處有極值，像面位移曲線從極值點(diǎn)向兩邊延伸，并在l=-f和l=-∝處像面位移趨向無(wú)窮大。像面位移曲線在極值點(diǎn)前后變化速率不同。在極值點(diǎn)前（l=-f～-2f）速率較快，在極值點(diǎn)后（l=-2f～-∝）速率變化逐步緩慢。
3） 像面位移量的大小，在變焦組的焦距值不變的前提下僅和物面位置（物距）有關(guān)。
4） 像面位移曲線是個(gè)二次曲線，對(duì)應(yīng)一個(gè)像面位移量有兩個(gè)不同的物距值，由于這兩個(gè)不同的物距有相同的像面位移量，或者說(shuō)是有一個(gè)相同的共軛距離，通常把這一對(duì)物像點(diǎn)叫做物像交換點(diǎn)。
5） 在像面位移的極值點(diǎn)，物象放大率等于-1（m=-1），物面在極值點(diǎn)和變焦組之間，物像放大率絕對(duì)值大于1（abs(m)>1）,在l=-f處m=∝；物面位置在無(wú)窮遠(yuǎn)和像面位移極值點(diǎn)之間物像放大率絕對(duì)值小于1（abs(m)<1）。在l=∝處m=0。
1.3 補(bǔ)償組在變焦過(guò)程中的像面位移分析
機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)中的補(bǔ)償組，在變焦過(guò)程中的作用就是以自身的物面位移量吻合變焦組的像面位移量，時(shí)刻保持系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定。也就是在保持補(bǔ)償組的像面位置不變的前提下，軸向移動(dòng)補(bǔ)償組必然要求相應(yīng)的物面位移，當(dāng)補(bǔ)償組的物面位移和變焦組的像面位移完全吻合時(shí)，變焦系統(tǒng)的像面保持穩(wěn)定不變。機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)補(bǔ)償組在補(bǔ)償過(guò)程中，為補(bǔ)償變焦組產(chǎn)生的像面位移，均以非均勻變化的非勻速運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)系統(tǒng)像面運(yùn)動(dòng)。圖8所示為機(jī)械補(bǔ)償式三組元正組補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償組相對(duì)系統(tǒng)像面在作勻速直線運(yùn)動(dòng)示意圖。在圖8中，補(bǔ)償組相對(duì)系統(tǒng)像面變化，即隨像距'l的變化為自變量。為此，有公式（6）、（7）、（8）和（9），并由此公式組繪出圖形如圖9和圖10。
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圖10 正組補(bǔ)償在變焦過(guò)程中物象放大率曲線
負(fù)組補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)示意圖及其相應(yīng)曲線如圖（11）、（12）和（13）。
由以上計(jì)算公式及圖表分析對(duì)補(bǔ)償組在機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)中的作用可以歸納如下。
1） 補(bǔ)償組在補(bǔ)償過(guò)程中，補(bǔ)償組沿光軸方向移動(dòng)產(chǎn)生補(bǔ)償組的像面位置變化以補(bǔ)償變焦組的像面位移量，保持系統(tǒng)像面不動(dòng)。
2） 補(bǔ)償組在補(bǔ)償過(guò)程中，讓補(bǔ)償組相對(duì)像面使像距變化產(chǎn)生物面位移。物面位移量在像距l(xiāng)‘=2f處有極值，物面位移曲線從極值點(diǎn)向兩邊延伸，并在l’=f和l’=∝處物面位移趨向無(wú)窮大。物面位移曲線在極值點(diǎn)前后變化速率不同。在極值點(diǎn)前（l’=f～2f）速率較快，在極值點(diǎn)后（l’=2f～∝）速率變化逐步緩慢。
3） 物面位移量的大小，在補(bǔ)償組的焦距值不變的前提下僅和像距有關(guān)。
4） 物面位移曲線是個(gè)二次曲線，對(duì)應(yīng)一個(gè)物面位移量有兩個(gè)不同的像距值，由于這兩個(gè)不同的像距位置有相同的物面位移量，或者說(shuō)是有一個(gè)相同的共軛距離，通常把這一對(duì)物像點(diǎn)叫做物像交換點(diǎn)。
5） 補(bǔ)償組的放大率m與像距l(xiāng)’之間成線性關(guān)系，當(dāng)像面在l’=2f處補(bǔ)償組放大率等于-1（m=-1），當(dāng)像距在無(wú)窮遠(yuǎn)處，放大率為無(wú)窮遠(yuǎn)（m=∝），當(dāng)像距l(xiāng)’=f時(shí)放大率等于零（m=0）。 1.4 變焦組與補(bǔ)償組的搭配 機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)的變焦部分是由變焦組和補(bǔ)償組兩個(gè)活動(dòng)組分組成的。無(wú)論變焦組和補(bǔ)償組各自都可以是正組分或是負(fù)組分，它們之間也有相互（正負(fù)）搭配問(wèn)題。由以上分析可以看出，正組—正組搭配或負(fù)組—負(fù)組搭配是由于其變焦組的像面位移曲線形狀和補(bǔ)償組的物面位移曲線形狀走勢(shì)相反，難以選擇物像交換及補(bǔ)償曲線換根的原則，使得變焦速度偏慢，而正組—負(fù)組搭配和負(fù)組—正組搭配方式，其變焦組的像面位移和補(bǔ)償組的物面位移曲線走勢(shì)剛好相同，容易選擇物像交換原則及補(bǔ)償組曲線換根。實(shí)際上補(bǔ)償組和變焦組沒(méi)有嚴(yán)格分工，都可以負(fù)擔(dān)系統(tǒng)變焦比，不僅使得系統(tǒng)變焦速度快，而且系統(tǒng)像差容易平衡。本文重點(diǎn)分析正組—負(fù)組搭配和負(fù)組—正組搭配兩種形式。 1) 正組—負(fù)組搭配 采用正組變焦負(fù)組補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式就是通常所稱的負(fù)組補(bǔ)償結(jié)構(gòu)形式，如圖14。該結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)在于其變焦組的物面在前，必須使用負(fù)光焦度的前固定組，這樣系統(tǒng)變焦部分的總焦距也必然是負(fù)值，為了保證總焦距值為正值，在系統(tǒng)后部還必須使用正光焦度的后固定組，而且后固定組的負(fù)擔(dān)也很重。負(fù)組補(bǔ)償系統(tǒng)在變焦過(guò)程總焦距由長(zhǎng)焦向短焦方向發(fā)展。
2) 負(fù)組—正組搭配
采用負(fù)組變焦正組補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式叫正組補(bǔ)償結(jié)構(gòu)形式，如圖15。由于正組補(bǔ)償變焦系統(tǒng)使用正光焦度的前固定組，整個(gè)變焦部分的光焦度為正值，全系統(tǒng)可以不用后固定組。不過(guò)通常還是需要使用后固定組用以調(diào)整系統(tǒng)總焦距和工作距離，平衡系統(tǒng)像差。正組補(bǔ)償系統(tǒng)在變焦過(guò)程總焦距由短焦向長(zhǎng)焦方向發(fā)展。
1.5 變焦組的選擇
變焦組是變焦系統(tǒng)完成變焦功能的主要組成部分，是變焦部分的主動(dòng)方。正由于變焦組在變焦過(guò)程中產(chǎn)生系統(tǒng)像面位移，因此選擇哪一段作為變焦范圍，選擇變焦組在變焦過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度，是選擇變焦組的主要依據(jù)。
當(dāng)變焦組在變焦起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置時(shí)的物距和像距剛好相互交換，該變焦組被稱為物像交換原則的變焦組，此時(shí)變焦組產(chǎn)生的像面位移量最小，而且在兩端的位移量等于零。由于像面位移量最小，當(dāng)然給補(bǔ)償組的負(fù)擔(dān)也最小，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于像差平衡。對(duì)于非物像交換原則的變焦組，雖然不具備最小像面位移優(yōu)點(diǎn)，由圖4可以看出當(dāng)變焦組物距l(xiāng)在abs(l)<2f范圍內(nèi)變焦速度最快，因此在abs(l)=2f附近，偏向abs(l)<2f一方選擇變焦組活動(dòng)范圍有利于提高變焦速度。
1.6 補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線的擬合
補(bǔ)償組在機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)中的首要作用就是用自己的軸向移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的物面位移全過(guò)程的補(bǔ)償變焦組在變焦過(guò)程中產(chǎn)生的像面位移量。但由于變焦組和補(bǔ)償組各自的光焦度和各自的移動(dòng)范圍不同，他們各自產(chǎn)生的像（物）面位移的量和曲線規(guī)律都不同，不可能自然補(bǔ)償。要在系統(tǒng)全過(guò)程內(nèi)精確補(bǔ)償，必須人為改變補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（運(yùn)動(dòng)曲線）影響補(bǔ)償組的物面位移曲線形狀彌合變焦組的像面位移曲線。這就是補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線的擬合。關(guān)于補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線的擬合方法的專門論述一直是近數(shù)十年來(lái)不斷的話題。在參考文獻(xiàn)[2]和[3]中都有比較深刻地分析。概括起來(lái)，可以說(shuō)補(bǔ)償組為了補(bǔ)償系統(tǒng)像面位移，唯一的辦法就是把自己的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)變焦組由線性同步運(yùn)動(dòng)改為非線性的非同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)質(zhì)上就是改變自己的物面位移形狀以擬合變焦組的像面位移曲線形狀。通常補(bǔ)償組的曲線擬合方式有以下幾種原則和方式。
1) 在物面位移的極值點(diǎn)位置一側(cè)做單方向運(yùn)動(dòng)
這種方法往往適用于變焦組非物像交換原則的小變焦比的變焦系統(tǒng)。
2) 以物面位移的極值點(diǎn)位置為轉(zhuǎn)折點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式 如圖16補(bǔ)償組往復(fù)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)范圍小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，但從圖4可以看出，補(bǔ)償組在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，一段和變焦組作反向運(yùn)動(dòng)，另一段作同向運(yùn)動(dòng)。在做反向運(yùn)動(dòng)有利于變焦速度，而同向運(yùn)動(dòng)必然減緩變焦速度，使得變焦過(guò)程加長(zhǎng)，降低變焦效果。
當(dāng)變焦組使用物像交換原則補(bǔ)償組采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，設(shè)補(bǔ)償組在補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)前半段放大率為2m，后半段為2'm，系統(tǒng)的變焦比Γ和變焦組的放大率關(guān)系為#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
如果補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)返回到原位置時(shí)
此時(shí)補(bǔ)償組對(duì)系統(tǒng)變焦比沒(méi)有貢獻(xiàn)，系統(tǒng)的總變焦比為
只有變焦組承擔(dān)全部變焦比的任務(wù)。
3) 在物面位移的極值點(diǎn)位置處換根繼續(xù)原方向運(yùn)動(dòng) 補(bǔ)償曲線的換根連續(xù)單方向運(yùn)動(dòng)如圖14和圖15，是推動(dòng)連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重大發(fā)展[3]。也就是要求變焦組和補(bǔ)償組共同在一個(gè)位置具備放大率為1的條件，或者說(shuō)兩條曲線都在極值點(diǎn)會(huì)合，讓補(bǔ)償曲線平穩(wěn)過(guò)渡繼續(xù)單方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)補(bǔ)償組終點(diǎn)位置和起點(diǎn)位置的放大率互為倒數(shù)，即
表達(dá)式（9）變?yōu)?/p>
由此可見，這一方案既能加快變焦速度又能快速補(bǔ)償像面位移。當(dāng)變焦組和補(bǔ)償組均采用物像交換原則，并對(duì)補(bǔ)償組使用換根原則時(shí)，實(shí)際上補(bǔ)償組也起到了變焦比的貢獻(xiàn)，如果補(bǔ)償組的焦距值接近變焦組的焦距值，此時(shí)系統(tǒng)總變焦比Γ為
系統(tǒng)的變焦比由變焦組和補(bǔ)償組共同承擔(dān)，變焦組和補(bǔ)償組也就沒(méi)有了明確的分工。
4) 改變變焦組運(yùn)動(dòng)規(guī)律改善補(bǔ)償組補(bǔ)償環(huán)境 補(bǔ)償組用來(lái)補(bǔ)償變焦組形成的像面位移的能力也是有限的，特別對(duì)于一些大變焦比系統(tǒng)，如果其變焦組與補(bǔ)償組的匹配方案不是很合理的情況下更顯突出。為了緩解補(bǔ)償組的補(bǔ)償壓力，有時(shí)也不得不求助于變焦組的努力。這就是改變變焦組運(yùn)動(dòng)規(guī)律改善補(bǔ)償組補(bǔ)償環(huán)境的方案。比如同一個(gè)變焦系統(tǒng)，在改變成曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律后的變焦組和補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)曲線如圖17，他在改變了運(yùn)動(dòng)規(guī)律后凸輪曲線的陡度如圖18。由此可以清晰看出，改變前凸輪曲線最大陡度可達(dá)70°之多，造成凸輪運(yùn)動(dòng)卡死，簡(jiǎn)直無(wú)法使用，而把變焦組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律略加修改就可把凸輪曲線的最大陡度改善到30°以內(nèi)，明顯提高了變焦系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。
2 高斯光學(xué)外形尺寸計(jì)算及初始結(jié)構(gòu)參數(shù)確定
三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)是可變間隔的機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)最有代表意義的結(jié)構(gòu)形式，其中按物像交換原則正組變焦負(fù)組補(bǔ)償以及負(fù)組變焦正組補(bǔ)償更是其中最具典型的結(jié)構(gòu)形式。在三組元機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中一旦設(shè)計(jì)方案確定之后緊接著就開始進(jìn)行高斯光學(xué)的外形尺寸的計(jì)算。高斯光學(xué)外形尺寸計(jì)算的任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)中各組分光焦度的具體分配和近軸光線幾何尺寸的計(jì)算以便完成初級(jí)像差的設(shè)計(jì)。
2.1 外形尺寸自動(dòng)計(jì)算
在進(jìn)行變焦系統(tǒng)高斯光學(xué)外形尺寸計(jì)算時(shí)會(huì)因變焦方案的不同而有區(qū)別。利用物像交換原則和不用物像交換原則不同，使用補(bǔ)償組曲線求解時(shí)換根和不換根不同，正組補(bǔ)償和負(fù)組補(bǔ)償?shù)木唧w計(jì)算方法也會(huì)不同。此外，就是一個(gè)變焦和補(bǔ)償方案，因?qū)ο到y(tǒng)的具體要求不同其計(jì)算方法也會(huì)有所不同，比如有些系統(tǒng)需要根據(jù)前固定組的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，有的系統(tǒng)要根據(jù)后固定組的數(shù)據(jù)及后工作距離的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。為滿足這些要求，在可以自動(dòng)進(jìn)行變焦系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)的OCAD光學(xué)設(shè)計(jì)程序中，就可滿足對(duì)正組補(bǔ)償和負(fù)組補(bǔ)償變焦系統(tǒng)的選擇要求，可以滿足根據(jù)前固定組求解和根據(jù)后固定組求解的不同選擇的要求。
在OCAD光學(xué)設(shè)計(jì)程序的菜單中，在選擇“設(shè)計(jì)”菜單中的“變焦系統(tǒng)高斯計(jì)算”后，即可獲得三組元機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦系統(tǒng)高斯光學(xué)外形尺寸計(jì)算的功能界面。在圖19的界面上部有兩個(gè)可供選擇的下拉式文本框如圖20，其一是關(guān)于正組補(bǔ)償或負(fù)組補(bǔ)償?shù)倪x擇框，其二是關(guān)于根據(jù)前固定組求解還是根據(jù)后固定組求解的選擇。如果選擇的是“根據(jù)前固定組求解”，該光學(xué)軟件在求解變焦系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)已知前固定組的焦距值，并以此為起點(diǎn)向后計(jì)算，確定變焦組參數(shù)，繼而計(jì)算系統(tǒng)補(bǔ)償組參數(shù)及至后固定組的參數(shù)。如果 選擇“根據(jù)后固定組求解”的方式，則應(yīng)由已知后固定組的參數(shù)包括后固定組的焦距值以及系統(tǒng)后工作距離的要求，繼而向前求取系統(tǒng)的補(bǔ)償組參數(shù)，變焦組參數(shù)以及前固定組的參數(shù)。兩種計(jì)算方式機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)不同要求。 此外，為完成自動(dòng)計(jì)算變焦系統(tǒng)高斯光學(xué)外形尺寸，還必須給出系統(tǒng)的基本要求，如變焦比、系統(tǒng)最小焦距值（短焦焦距值）、各組分之間的最小間隔尺寸、系統(tǒng)相對(duì)孔徑以及系統(tǒng)視場(chǎng)范圍（物高）等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)按窗體內(nèi)的表格要求填寫即可。以上數(shù)據(jù)填寫完畢，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)高斯光學(xué)外形尺寸數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪出系統(tǒng)示意圖如圖19，同時(shí)還可以使用程序工具條中關(guān)于“顏色” 、“光線” 、“圖文” 、“動(dòng)畫”以及“凸輪”等工具，顯示內(nèi)容如圖21。如果選擇工具條中“圖文”就可以交替顯示外形尺寸的計(jì)算數(shù)據(jù)或系統(tǒng)示意圖，如圖19和圖22。在圖22中列出了各固定組及活動(dòng)組的焦距值以及變焦系統(tǒng)
高斯計(jì)算后的各不同變焦位置的幾何尺寸，如組間隔d，軸上點(diǎn)及軸外點(diǎn)的入射高度h、hp和會(huì)聚角u、up等。圖22中的完整數(shù)據(jù)見表1。 表1 三組元正組補(bǔ)償連續(xù)變焦系統(tǒng)高斯計(jì)算結(jié)果#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
如果選擇“動(dòng)畫”可以以動(dòng)畫形式生動(dòng)地顯示系統(tǒng)變焦過(guò)程如圖23。如果選擇“凸輪”就可以顯示該系統(tǒng)變焦組和補(bǔ)償組的凸輪曲線圖如圖24。在OCAD光學(xué)設(shè)計(jì)程序內(nèi)顯示的圖形都是彩色圖形，有時(shí)為了具體需要可以任意修改圖形顏色的背景色或前景色，只要選擇工具條內(nèi)的“顏色”即可實(shí)現(xiàn)。
2.2 初級(jí)像差系數(shù)自動(dòng)平衡
前面求出了滿足像面補(bǔ)償以及焦距變化范圍等要求的焦距分配，接著便要考慮校正像差的問(wèn)題。由于變焦系統(tǒng)比較復(fù)雜，應(yīng)把校正系統(tǒng)像差的工作分成兩個(gè)階段進(jìn)行，也就是首先考慮系統(tǒng)初級(jí)像差的校正，然后再考慮初級(jí)像差和高級(jí)像差的平衡。當(dāng)然這兩個(gè)階段也不能截然分割開來(lái)，比如在校正初級(jí)像差時(shí)還必須要考慮系統(tǒng)可能產(chǎn)生的高級(jí)像差預(yù)留一部分初級(jí)像差等待和高級(jí)像差平衡。 連續(xù)變焦系統(tǒng)和定焦距系統(tǒng)的關(guān)鍵不同還在于，定焦距系統(tǒng)的所有鏡片和透鏡組的結(jié)構(gòu)參數(shù)在使用中都是固定不變的，而連續(xù)變焦系統(tǒng)的各個(gè)固定組和活動(dòng)組之間間隔會(huì)在變焦過(guò)程中不斷變化，其像差關(guān)系也在不斷變化。因此，對(duì)變焦系統(tǒng)不僅要考慮像差的最佳性同時(shí)還要考慮其像差的穩(wěn)定性。為了滿足變焦系統(tǒng)最佳性和穩(wěn)定性的要求，為簡(jiǎn)化對(duì)系統(tǒng)像差的要求，可以把整個(gè)變焦過(guò)程的所有像差集合起來(lái)求其平均值和其均方差表達(dá)像差的最佳性和穩(wěn)定性指標(biāo)。此外，在考慮系統(tǒng)初級(jí)像差的校正時(shí)要選取兩個(gè)中間參數(shù)P、W值（通常簡(jiǎn)稱PW值）作為求解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的必要參數(shù)。因此求解PW值的過(guò)程就是根據(jù)校正初級(jí)像差求解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的過(guò)程。在校正初級(jí)像差求解PW值的過(guò)程中，可以把在變焦過(guò)程中所有各像差系數(shù)的加權(quán)平均值和均方差值（離散值）集合起來(lái)以它們?yōu)槟繕?biāo)值構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)，使用最小二乘法求解PW值。使用OCAD程序自動(dòng)計(jì)算高斯光學(xué)外形尺寸后，接著使用“下一步”按鈕，就可以根據(jù)對(duì)系統(tǒng)初級(jí)像差系數(shù)的要求再加上對(duì)各組分PW值的權(quán)系數(shù)自動(dòng)計(jì)算出各組分的PW值如圖25。表2列出的數(shù)據(jù)是圖25中數(shù)據(jù)的列表。由計(jì)算窗體上可以看出，在填寫初級(jí)像差系數(shù)時(shí)，要求填寫各像差系數(shù)的平均值和離散值及其公差內(nèi)容。對(duì)各種初級(jí)像差系數(shù)的選擇可以通過(guò)窗體上的工具條取舍，通常各組分的色差都有各組分單獨(dú)消除，一般不需要自動(dòng)平衡色差系數(shù)CⅠ和CⅡ。對(duì)像差系數(shù)平均值的要求可以控制系統(tǒng)的平均值，但不是最佳值，對(duì)其最佳值的控制用其離散值的要求保證。
2.3 系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)求解及雙膠合薄透鏡自動(dòng)設(shè)計(jì)
求解完各組分的PW之后接著就可求解他們的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，但也不是很輕松的事，因?yàn)楦鶕?jù)系統(tǒng)不同復(fù)雜程度，簡(jiǎn)單的光學(xué)結(jié)構(gòu)不可能很容易滿足要求，往往需要進(jìn)一步把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，也就是把一個(gè)組分由一個(gè)簡(jiǎn)單的單透鏡或雙膠合透鏡復(fù)雜化成多組透鏡以分擔(dān)他們的像差貢獻(xiàn)。然后再把這樣一個(gè)復(fù)雜的組分所應(yīng)承擔(dān)的PW值分解成各個(gè)單透鏡或雙膠合透鏡的PW值，才便于具體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。系統(tǒng)的復(fù)雜化過(guò)程往往需要多次反復(fù)的人工過(guò)程。系統(tǒng)過(guò)分復(fù)雜會(huì)影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，過(guò)分簡(jiǎn)單又滿足不了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。各組分之間的復(fù)雜化程度不同也會(huì)影響系統(tǒng)各組分之間高級(jí)像差和初級(jí)像差的平衡，依然保證不了成像質(zhì)量。
一般說(shuō)來(lái)系統(tǒng)的復(fù)雜化過(guò)程就是把最原始的單透鏡或雙膠合透鏡分成一組或多組的排列，比如可以把他們分配成單透鏡——雙膠合透鏡組合、兩個(gè)雙膠合透鏡組合、兩個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡組合甚至還可能需要分解成更多的鏡片的組合才能滿足要求。具體復(fù)雜化方法在許多文獻(xiàn)[2]上都有很具體的分析，可借鑒參考。無(wú)論把一個(gè)組分復(fù)雜化成什么程度，其最基本的單元都離不開單透鏡或雙膠合透鏡。因此，初始結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最終還是可以歸納為對(duì)單透鏡和雙膠合透鏡的設(shè)計(jì)。把一個(gè)組分的PW值分解成各個(gè)單透鏡或雙膠合透鏡后，很容易使用OCAD光學(xué)設(shè)計(jì)程序求解具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。在OCAD中有專門的自動(dòng)求解雙膠合透鏡的工具菜單。在選擇“薄透鏡初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”菜單后，程序界面上會(huì)出現(xiàn)如圖26窗體。
在圖26中要求填寫透鏡的焦距、孔徑、系統(tǒng)對(duì)該透鏡PW的要求值，再選擇使用玻璃材料的玻璃庫(kù)名以及根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體情況決定玻璃組合形式是王冕在前還是火石在前。然后點(diǎn)擊“下一步”健，程序自動(dòng)按對(duì)P值精度的要求，自動(dòng)求解滿足要求的玻璃配對(duì)，按P值的大小順序排列在表上，如圖27窗體，此時(shí)只要在表中滿足要求的一行上點(diǎn)擊即可選取玻璃配對(duì)。
玻璃配對(duì)完成后，就可根據(jù)系統(tǒng)對(duì)透鏡的要求自動(dòng)計(jì)算出透鏡的PW值以及透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)，并列于表中，同時(shí)還顯示出透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖28。
雙膠合透鏡初始結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算后，還可以根據(jù)透鏡的PW實(shí)際值和目標(biāo)值對(duì)比，利用圖面上的調(diào)節(jié)桿對(duì)透鏡進(jìn)行“彎曲”調(diào)整。如果還不能滿足設(shè)計(jì)要求，還可以使用“上一步”健返回到如圖26界面重新選擇玻璃配對(duì)，以求得到滿意結(jié)果。 根據(jù)表2列出的各組分PW計(jì)算結(jié)果，其中前固定組和兩個(gè)活動(dòng)組可以先使用一個(gè)雙膠合透鏡，往往由于后固定組的像差負(fù)擔(dān)比較重，應(yīng)該進(jìn)一步復(fù)雜化成兩個(gè)雙膠合透鏡分擔(dān)PW的要求值。經(jīng)OCAD自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)中前三個(gè)組分的雙膠合透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖29所示。合起來(lái)全系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖30，其初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表3所示。
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3 系統(tǒng)像差平衡
連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的像差平衡與定焦距系統(tǒng)的像差平衡有著完全不同的思路，其區(qū)別有如下幾方面。
2） 對(duì)定焦距系統(tǒng)為改善成像質(zhì)量，所有表面半徑和間隔都可以作為變量處理，而對(duì)于連續(xù)變焦系統(tǒng)，首先必須保證所有各固定組和活動(dòng)組的光焦度以及各組分間的主面間隔嚴(yán)格滿足變焦系統(tǒng)的高斯光學(xué)關(guān)系不變，確保變焦參數(shù)和像面位置不變。 為滿足變焦系統(tǒng)在像差平衡時(shí)保持其變焦高斯光學(xué)關(guān)系，首先必須把各組分的光焦度值作為目標(biāo)值處理，此外在像差平衡過(guò)程中由于個(gè)作為自變量的表面半徑和間隔的變化，必須隨時(shí)調(diào)整各可變間隔的近軸間隔，滿足變焦高斯光學(xué)的要求。 OCAD光學(xué)軟件包在追跡系統(tǒng)光線時(shí)，不是靠輸入的可變間隔數(shù)據(jù)，而是根據(jù)變焦方程隨時(shí)計(jì)算出各變焦位置的可變間隔數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)各組分的相應(yīng)主面位置求解出相應(yīng)間隔的表面間隔數(shù)據(jù)，確保各可變間隔的高斯關(guān)系不變。所以在使用OCAD建立連續(xù)變焦系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)，只需要填寫變焦系統(tǒng)初始位置的各可變間隔數(shù)據(jù)以及變焦組的總移動(dòng)量，即可隨意計(jì)算任一變焦位置的結(jié)果，不必一一給定，這樣既方便了光學(xué)計(jì)算又確保了各可變間隔的準(zhǔn)確性。可變間隔的填寫如圖31。圖中既有圖例又有表格便于填寫數(shù)據(jù)，只要填各表面間隔的對(duì)應(yīng)序號(hào)及初始位置的表面間隔數(shù)據(jù)以及變焦組的總移動(dòng)量即可。填寫變焦位置數(shù)便于計(jì)算各不同變焦位置的計(jì)算結(jié)果，不必一一填寫各不同變焦位置的表面間隔數(shù)據(jù)，該變焦位置數(shù)在使用中還可以隨時(shí)修改滿足計(jì)算需要。在填寫初始位置的表面間隔有兩種填法，一種是只填寫高斯間隔，實(shí)際表面間隔由程序自動(dòng)換算修改，另一種是填寫實(shí)際表面間隔直接使用。
此外，OCAD光學(xué)軟件包的像差自動(dòng)優(yōu)化是采用雙優(yōu)選阻尼最小二乘法，以像差目標(biāo)值和其公差構(gòu)成評(píng)價(jià)函數(shù)[4][5]，在構(gòu)造變焦系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)自動(dòng)把系統(tǒng)各組分的焦距值作為目標(biāo)值處理，保證各組分的焦距值在優(yōu)化過(guò)程中始終滿足各焦距值的目標(biāo)值在規(guī)定的公差范圍內(nèi)。對(duì)三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)，OCAD在構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)，可自動(dòng)把各組分的焦距值作為可控像差列于其中，如圖32。圖中最后三行就是變焦部分三個(gè)組分的焦距值及其目標(biāo)值和公差要求。
3） 對(duì)定焦距系統(tǒng)而言，只追求系統(tǒng)成像質(zhì)量最終結(jié)果達(dá)到最佳狀態(tài)，而對(duì)連續(xù)變焦系統(tǒng)，不僅要求系統(tǒng)成像質(zhì)量達(dá)到最佳，更要求系統(tǒng)成像質(zhì)量在整個(gè)變焦過(guò)程中保持穩(wěn)定。 對(duì)于定焦距系統(tǒng)其成像質(zhì)量由像差，衍射和反差決定清晰度，而變焦系統(tǒng)則由像差，衍射，反差和偏離的變化決定清晰度[1]。為此，OCAD在對(duì)連續(xù)變焦系統(tǒng)像差優(yōu)化時(shí)采取對(duì)各個(gè)變焦位置的可控像差取平均值及像差離散度的辦法保證其穩(wěn)定性和最佳性。這樣對(duì)計(jì)算連續(xù)變焦系統(tǒng)時(shí)處理各變焦位置如此繁雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，同時(shí)又保證了整個(gè)變焦過(guò)程中各像差數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和最佳性。對(duì)三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)的可控像差的平均值和離散值及其公差要求的數(shù)據(jù)填寫如圖32。像差自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程評(píng)價(jià)函數(shù)由可控像差的目標(biāo)值和其公差容限構(gòu)成[4]。 對(duì)連續(xù)變焦系統(tǒng)的變焦部分，要求其對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的穩(wěn)定性發(fā)揮作用，對(duì)后固定組要求其對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的最佳性起作用，也就是通過(guò)優(yōu)化變焦部分的結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)像差穩(wěn)定，通過(guò)優(yōu)化后固定組結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的像差質(zhì)量最佳。
4） 對(duì)定焦距系統(tǒng)僅由對(duì)系統(tǒng)像差的校正要求決定光欄位置，而對(duì)于連續(xù)變焦系統(tǒng)，不僅由對(duì)系統(tǒng)像差的校正要求決定光欄位置，還要考慮系統(tǒng)相對(duì)孔徑（曝光速度）的穩(wěn)定性決定光欄位置。一般情況下，變焦系統(tǒng)的光欄位置都放置在系統(tǒng)的后固定組內(nèi)，如果確實(shí)需要放在活動(dòng)組內(nèi)，就必須考慮光欄的具體位置和大小要隨變焦的變化而變化，以滿足系統(tǒng)相對(duì)孔徑的穩(wěn)定性。
5） 定焦距系統(tǒng)有著固定不變的物方視場(chǎng)或像面高度，而對(duì)于連續(xù)變焦系統(tǒng)，物方視場(chǎng)應(yīng)隨系統(tǒng)焦距的變化相應(yīng)改變，確保像面尺寸不變。
3 凸輪曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)
為保證各活動(dòng)組分在變焦過(guò)程中按設(shè)計(jì)要求移動(dòng)以保證其表面間隔尺寸，一般都使用凸輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)各組分的運(yùn)動(dòng)。凸輪曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該分成兩個(gè)步驟，首先應(yīng)按照常規(guī)把變焦組的運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)成直線軌跡，根據(jù)補(bǔ)償原理求出補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)曲線。對(duì)于一般小變焦比的系統(tǒng)應(yīng)該就可以滿足使用要求，但對(duì)于大變焦比系統(tǒng)或者選取變焦組像面位移曲線或補(bǔ)償原理不合適的系統(tǒng)，可能出現(xiàn)補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線過(guò)陡現(xiàn)象，使得補(bǔ)償組在運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)動(dòng)困難或卡滯甚至卡死的現(xiàn)象。為了緩解這一矛盾可進(jìn)一步對(duì)補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)曲線的陡度一方面和凸輪鏡筒的直徑和轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有關(guān)，另一方面還和變焦組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)。一般情況下為簡(jiǎn)化工藝，習(xí)慣上都把變焦組曲線設(shè)計(jì)成直線，但如果是把變焦組的運(yùn)動(dòng)曲線修改成不同曲線會(huì)明顯改善補(bǔ)償組的曲線陡度。OCAD具備修改變焦組運(yùn)動(dòng)曲線改善補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)陡度的功能。
3.1 凸輪曲線的一般設(shè)計(jì)計(jì)算
OCAD可以對(duì)三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)進(jìn)行凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，在輸入三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)之后可從工具條的“設(shè)計(jì)”中選擇“變焦系統(tǒng)凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)” 菜單，界面上出現(xiàn)小窗體如圖33。
從圖31的界面上可以看出，OCAD可以分別對(duì)變焦組運(yùn)動(dòng)曲線、補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線以及變焦過(guò)程中系統(tǒng)焦距變化曲線控制成直線、高次曲線以及復(fù)合曲線的形式?？刂谱兘菇M或補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)曲線是為了改善變焦組和補(bǔ)償組在變焦過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)焦距變化曲線是為了滿足不同系統(tǒng)對(duì)變焦過(guò)程中系統(tǒng)焦距變化的使用，比如有的測(cè)量系統(tǒng)需要準(zhǔn)確度處理變焦過(guò)程系統(tǒng)焦距值，必須事先獲得焦距值在變焦過(guò)程的準(zhǔn)確位置，作出刻度準(zhǔn)確讀取?？刂谱兘菇M、補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線以及控制變焦過(guò)程中焦距變化為直線關(guān)系的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖34及圖35所示。一般情況下多數(shù)都是把變焦組運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)成直線方式，無(wú)論把變焦組運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)成直線還是讓補(bǔ)償組成直線主要根據(jù)是看那樣對(duì)整體運(yùn)動(dòng)有利。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
以上選擇確定或數(shù)據(jù)填寫完畢之后，只要按“確定”按鈕，便可自動(dòng)完成凸輪曲線設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖36至圖39。
在圖36中，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)動(dòng)角度，為便于工藝需要以角度（°）為單位。橫坐標(biāo)為變焦組和補(bǔ)償組的沿光軸方向移動(dòng)量。圖37中，橫坐標(biāo)為變焦組和補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)曲線的斜率值。因變焦組為直線，其斜率（陡度）僅與凸輪運(yùn)動(dòng)范圍的總弧長(zhǎng)和變焦組總移動(dòng)量有關(guān)，其斜率值為常數(shù)。因補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線為一曲線，其各點(diǎn)斜率就是在該點(diǎn)處曲線的微分變化量。圖38中，橫坐標(biāo)為系統(tǒng)在變焦過(guò)程中不同變焦位置的實(shí)際焦距值。圖39中，給出了凸輪曲線的全部數(shù)據(jù)，其中包括變焦組和補(bǔ)償組的以變焦起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)值，各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的系統(tǒng)焦距值以及變焦組和補(bǔ)償組的曲線升角（曲線陡度），詳細(xì)數(shù)據(jù)可以通過(guò)文本框的滾動(dòng)條閱讀。為了加工方便往往需要在曲線數(shù)據(jù)兩端多加幾個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)作為加工余量，可以在填寫數(shù)據(jù)時(shí)填寫需要前后延伸的加工點(diǎn)數(shù)（見表4）。在表中可以看到，計(jì)算的100個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)中，在前面插入了5個(gè)前沿坐標(biāo)點(diǎn)（從-5到-1），在100個(gè)點(diǎn)后又增加了5個(gè)后伸點(diǎn)（從100到104）。表4 凸輪曲線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
對(duì)圖37中給出的數(shù)據(jù)還可以直接在界面上進(jìn)行進(jìn)一步文字編輯、保存和打印。為了更加靈活的保存和打印計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，程序還可以方便地保存成Excel的表格形式。操作時(shí)只要選擇工具條上“另存入”菜單，選擇“Excel files（*.xls）”文件格式并指定文件名即可。Excel表格形式的文件如圖40。
3.2 凸輪曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算
按照以上常規(guī)方法設(shè)計(jì)，如果補(bǔ)償組曲線過(guò)陡則會(huì)影響凸輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此還須對(duì)凸輪曲線作進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。凸輪曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要方法就是改變變焦組凸輪曲線，把變焦組的直線運(yùn)動(dòng)軌跡非線性化，即改成各種不同的曲線形狀，適合補(bǔ)償組要求，改善補(bǔ)償組補(bǔ)償環(huán)境，降低曲線陡度。 讓變焦組運(yùn)動(dòng)曲線非線性化可以采取如下方法。
b） 單純曲線法
所謂單純曲線法，就是用一個(gè)高次曲線代替原來(lái)的直線運(yùn)動(dòng)軌跡。在用高次曲線代替運(yùn)來(lái)直線運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)必須注意兩條，一是凸輪的總轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能變，二是變焦組的總移動(dòng)量不能變。為此變化后的曲線方成應(yīng)為
式中a、b、c分別為曲線方程系數(shù)，S為凸輪的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度，x為變焦組隨凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度y沿光軸方向的移動(dòng)量。為保證變焦曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)數(shù)據(jù)不變，曲線方程的三個(gè)系數(shù)必須滿足公式（17）的要求。
在圖39中填寫的是曲線方程系數(shù)的權(quán)重A1、A2、A3，其中任一個(gè)系數(shù)均可以為0。他們與a、b、c，間的關(guān)系為
以一個(gè)非物象交換原則補(bǔ)償曲線非換根的正組補(bǔ)償，變焦比為10倍的連續(xù)變焦系統(tǒng)，圖42為例。圖43是選擇變焦組曲線為直線的凸輪曲線，圖44是該系統(tǒng)把變焦組運(yùn)動(dòng)軌跡由直線改為二次曲線的凸輪曲線及曲線斜率的曲線圖。兩者相比效果比較明顯。
c） 復(fù)合曲線法
所謂復(fù)合曲線，就是把變焦組運(yùn)動(dòng)軌跡用兩段曲線對(duì)接起來(lái)。由以上分析，變焦組像面位移曲線當(dāng)物距在二倍焦距前后不是對(duì)稱的，往往形成前后曲線斜率不等，僅僅把變焦組運(yùn)動(dòng)軌跡改成高次曲線雖然可以改善曲線的斜率，但又有可能把本來(lái)比較平緩的曲線部分變得較陡。使用復(fù)合曲線可以把原來(lái)比較平緩部分仍保持直線軌跡，只把原來(lái)較陡的部分改成高次曲線局部修正，效果會(huì)更好一些。
在圖45的窗體界面上選擇復(fù)合曲線，首先要填寫結(jié)合點(diǎn)位置，也就是直線段與曲線段的相對(duì)接口位置。比如直線段占整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡的70%，應(yīng)填寫結(jié)合點(diǎn)位置為0.7。然后填寫曲線段的曲線方程三個(gè)系數(shù)，其中任一個(gè)系數(shù)均可以為0。此時(shí)復(fù)合曲線方程在結(jié)合點(diǎn)位置前是直線如公式（18），在結(jié)合點(diǎn)以后為曲線部分，曲線方程如公式（19）。
復(fù)合曲線的曲線方程系數(shù)與其權(quán)系數(shù)之間關(guān)系為
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以上參數(shù)填寫結(jié)束，按動(dòng)“確定”按鈕立即可以顯示變焦組運(yùn)動(dòng)曲線為復(fù)合曲線的凸輪曲線設(shè)計(jì)計(jì)算圖形如圖46。
由圖46可以明顯看出，把變焦組運(yùn)動(dòng)曲線改為復(fù)合曲線后，在短焦部分的曲線斜率又有進(jìn)一步改善。對(duì)于負(fù)組補(bǔ)償系統(tǒng)，變焦組由前向后移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)焦距顯示長(zhǎng)焦，然后逐步向短焦發(fā)展，如果需要改善長(zhǎng)焦部分去銜接，可以讓計(jì)算過(guò)程由后向前計(jì)算，仍是先短焦后長(zhǎng)焦，利用以上辦法改善短焦部分曲線斜率。反之，如果有以改善短焦部分曲線斜率，可以改變計(jì)算順序，利用復(fù)合曲線。改變計(jì)算順序很簡(jiǎn)單，把變焦組的初始位置調(diào)整到長(zhǎng)物距位置，向前運(yùn)動(dòng)，讓變焦組移動(dòng)步長(zhǎng)為負(fù)值即可。 圖47為控制系統(tǒng)焦距變化曲線成直線關(guān)系的設(shè)計(jì)曲線。也可以把系統(tǒng)焦距變化曲線按以上辦法調(diào)整成任意曲線方式如圖48。
4 結(jié)論
連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)是個(gè)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程。本文在全面仔細(xì)的消化分析機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的工作原理，在作了大量程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上用圖形和公式說(shuō)理，闡述了連續(xù)變焦系統(tǒng)特點(diǎn)，各種變焦和補(bǔ)償?shù)牟煌ぷ餍问?，各種典型結(jié)構(gòu)的機(jī)理，變焦方案的選擇以及具體的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)方法涵蓋了設(shè)計(jì)方案的高斯光學(xué)外形尺寸計(jì)算，初級(jí)像差設(shè)計(jì)與平衡，光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定與計(jì)算，實(shí)際像差平衡乃至凸輪曲線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在初級(jí)像差計(jì)算求解PW以及實(shí)際像差平衡中使用了像差的平均值及像差離散的理念有效簡(jiǎn)化了計(jì)算工作量并明顯提高了變焦系統(tǒng)成像穩(wěn)定性與最佳性的統(tǒng)一。本文在介紹變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中介紹了可以自動(dòng)進(jìn)行三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)全面優(yōu)化的OCAD光學(xué)設(shè)計(jì)程序，為變焦系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特而有效的設(shè)計(jì)工具。
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