光学系统总体布局设计方法

一、前言

光学系统，特别对一个比较复杂的光学系统，在系统设计初期就必须根据光学仪器总体要求利用光学系统基本结构元件，合理安排系统光路走向，完成光学系统总体布局设计，然后才是光学系统具体结构设计，像差平衡以致适当公差分配，最终获得一个结果与性能俱佳的优质光学系统。一个较复杂的光学系统，往往不只是几片简单光学零件的组合，有时还可能是各种不同变焦系统结构，甚至还会有各种不同要求的多光谱，共轴或非共轴的多个子系统结合的多光路系统的融合，才能满足光学仪器总体的多功能需求。OCAD光学系统自动设计程序提供了一个具有特色的光学系统总体布局平台，可以利用光学系统的各种结构元件合理布局构建光学系统草图，直接显示并方便协调光线走向，实现光学原理，使得在光学系统设计的初期完成光学系统总体布局初始设计，接着还可以利用OCAD程序的其他初始结构设计功能完成光学系统初始结构参数设计，为下一步光学系统成像质量优化及其他后期设计打下基础。

图1-1 一般光学系统总体布局设计平台界面

图1-2 连续变焦光学系统总体布局（显示凸轮曲线）界面

图1-3 多光路光学系统总体组合布局界面

二、光学系统的设计输入

在进行光学系统设计之前，首先需要明确总体对光学系统的技术要求，也称为设计输入参数，这些属于整个光学系统设计的依据。其中包括：光学系统的类型、系统目标特性、系统像方特性、光学系统总体布局要求以及对光学系统通光量的要求等。

有了以上设计要求方能着手光学系统的方案设计。以往的这段工作都是由设计人员在纸面上构思，反复进行光学系统总体勾画，选择最佳方案。目前有了OCAD光学系统自动设计程序，有效地提供了初始方案草图设计的平台。使用时只需在该程序的工具条里选择“光学系统总体布局设计”的功能就可顺利完成光学系统总体方案设计工作。

图 2-1 光学系统总体布局设计初始建模的选择

点开之后出现窗口如图2-2。

图2-2 光学系统总体布局设计窗体

窗体分为两部分，左半部是数据部分，如图2-3。右半部为绘制方案草图的绘图平台。在数据部分的上部填写相应光学系统的设计要求。其中包括系统视场范围、入瞳大小、系统渐晕系数，还有便于绘图用的比如光轴倾角、绘图比例以及图幅选择以及图形横排或竖排的选择等。

图2-3 窗体性能参数填写部分

图2-4 物方参数的选择

图2-5 通光孔径形式的选择

对于其他要求，可以利用主窗体的主菜单的“编辑”内的“系统基本数据”窗体内选择“系统波长”及“系统环境”等内容。

三、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3-2。

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