三组元变焦系统凸轮曲线的计算机辅助设计方法

摘要

本发明涉及一种三组元变焦系统凸轮曲线的计算机辅助设计方法，它是在ZEMAX光学设计软件的基础上，根据三组元光学系统对凸轮曲线轨迹的要求，运用高斯光学原理，借助ZEMAX的宏语言功能，编制3－CAM－ZPL程序，通过该程序的运行，只需输入凸轮曲线的采样点数和第二变焦组移动轨迹的弯曲系数K，即由3－CAM－ZPL程序自动对K值的取值范围及其取值量进行判定和比较分析，通过调整采样点数和K值，即可得到最理想的凸轮曲线设计图形。该方法可以根据凸轮曲线的设计数据，自动生成图形并予以显示，使得设计效果直观，修改方便，并大大提高凸轮曲线的设计速度和凸轮产品的性能，缩短产品的开发周期，降低设计成本。

说明书

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，特别是用于光学变焦系统的一种三组元变焦系统凸轮曲线的计算机辅助设计方法。

背景技术

随着变焦光学系统性能要求的不断提高，对变焦系统及与之配合的凸轮曲线的设计和加工也提出了越来越高的要求。而变焦系统凸轮曲线设计是变焦系统后期设计过程中十分重要的一环，曲线设计的好坏直接关系到系统像面的稳定程度。一个像差设计优良的变焦系统必须依靠性能稳定的凸轮曲线设计作保证。由于传统的变焦系统凸轮和凸轮曲线的设计是在几个焦距位置校完像差后，用插值法粗略计算凸轮曲线槽的各点数据，不仅计算烦琐复杂，且仍然存在一定量的像面漂移，同时对凸轮曲线的拐点位置也要作细致的验算，甚至要依靠经验值进行校验和加工，以保证曲线的平滑过渡。另外，系统的像差设计和凸轮设计是分阶段进行，不能很好的融合、方便实时地评估系统性能，也会直接影响到凸轮和凸轮曲线的加工工艺过程。

发明内容

本发明的目的在于针对传统的凸轮曲线设计中存在的设计费时、设计修改成本大，提供一种能够确保像面稳定、像质优良，通过计算机辅助设计，能够自动生成精确的凸轮曲线数据和图形，并能对生成的凸轮曲线进行实时评估，提高变焦系统设计效率和精度的三组元变焦系统凸轮曲线的计算机辅助设计方法。

实现本发明的目的所采取的技术方案是；该方法是按以下步骤进行：

第一步：在辅助设计中使用的计算机上安装ZEMAX光学设计软件；

第二步：在ZEMAX光学设计软件平台上，根据三组元光学系统对凸轮曲线轨迹的要求，运用高斯光学原理，借助ZEMAX的宏语言功能，编制3-CAM-ZPL程序。

第三步：调入三组元光学系统设计文件，运行3-CAM.ZPL程序，由程序自动分析三组元光学系统各个变焦组的分布情况；

第四步：输入采样点数，由3-CAM.ZPL程序，进行光学系统过渡参数的计算；

第五步：按照K＝0、K>0、K<0分别取值输入第二变焦组的弯曲系数K，由3-CAM.ZPL程序计算变焦凸轮曲线数据，并对三组设计数据进行比较，选定其中一个K值；

第六步：由3-CAM.ZPL程序自动判断各个变焦组在移动过程中是否发生交错，并输出提示信息，如果出现交错，说明对第二变焦组给定的K值太大，曲线弯曲过于严重，减小K的绝对值予以调整，重复判断——调整，至无交错现象为止，即得出一组凸轮曲线数据。

第七步：根据凸轮曲线的设计数据，自动生成图形并予以显示，打印凸轮曲线数据和图形，即完成凸轮曲线的设计。

三组元变焦光学系统就是系统中包含三个相互移动的透镜组单元，按顺序通常称之为第一变焦组、第二变焦组和第三变焦组。一般情况下，可以将其中一组设定为线性移动(直线)，另两组作相对应的非线性移动(曲线)。在已知一组移动量的情况下，另两组相对应的移动量必然存在无穷多个解，因此，要得到一组确定的凸轮曲线数据，必须还要再设定另一组的移动量。

在此，可以先人为地按照一定的数学模型给出第二变焦组的移动量，再求出第三变焦组的移动量，从而得到一组实用的凸轮数据，故而如何合理地给出第二变焦组的移动函数是整个凸轮数据设计的关键。在大批量生产过程中，从凸轮加工工艺角度考虑，凸轮曲线尽量采用直线设计，因此，在假定第一变焦组作直线移动的同时，也可假定第二变焦组作直线移动，这样，三组元变焦系统中就有两组作直线移动，剩下一组作曲线移动，如果这样的一组凸轮曲线满足设计要求，会使得工艺简单，性能稳定。但为了进一步提高成像质量，可以在第二变焦组作直线移动的基础上，赋予一定函数关系的弯曲系数，使得第二变焦组由直线移动变成曲线移动，这有两种情况，一种是曲线向物方弯曲，另一种是向像方弯曲，这样就可以在一定程度上进一步提升系统的成像质量。比较这三种凸轮曲线方案对应的结果，选择一种工艺性好、成像质量优良的一组数据作为最后结果。所述3-CAM.ZPL程序就是在第一变焦组作直线移动的基础上，人为给出第二变焦组的移动量，求出第三变焦组的移动量，从而实现三组元变焦系统的凸轮曲线设计。

本发明的优点在于：辅助设计中在ZEMAX光学设计软件的基础上，运用高斯光学原理，借助ZMAX的宏语言功能，结合三组元光学系统编制应用了3-CAM.ZPL程序，实现了三组元光学系统凸轮曲线的计算机辅助设计。由此，设计人员只需输入采样点的多少和第二变焦组移动的弯曲系数K，通过ZEMAX光学设计软件的运算功能，快速计算出凸轮曲线的数据，并对设计的凸轮曲线进行实时评估和优化修正。同时，可以根据凸轮曲线的设计数据，自动生成图形并予以显示，使得设计效果直观，修改方便。该方法的应用，可大大提高凸轮曲线的设计速度和凸轮产品的性能，缩短产品的开发周期，降低设计成本。

附图说明

图1是本发明的程序流程图；

图2是本发明实施例的光学系统示意图；

图3是本发明实施例1的变焦曲线图；

图4是本发明实施例2的变焦曲线图；

图5是本发明实施例3的变焦曲线图。

具体实施方式

参看图1，是本发明的程序流程图，该三组元变焦系统凸轮曲线的计算机辅助设计程序是按以下方法进行：首先在辅助设计中使用的计算机上安装ZEMAX光学设计软件，然后根据三组元光学系统对凸轮曲线轨迹的要求，运用高斯光学原理，借助ZEMAX的宏语言功能，在ZEMAX光学设计软件平台上，编制3-CAM-ZPL程序。运行该程序，调用三组元光学系统设计文件，并分析三组元光学系统各个变焦组的分布情况，设定并输入采样点数，由3-CAM.ZPL程序，进行光学系统过渡参数的计算，并按照K＝0、K>0、K<0分别取值输入第二变焦组的弯曲系数K，由3-CAM.ZPL程序计算变焦凸轮曲线数据，对三组设计数据进行比较，选定其中一个K值。由3-CAM.ZPL程序自动判断各个变焦组在移动过程中是否发生交错，并输出提示信息，如果出现交错，说明对第二变焦组给定的K值太大，曲线弯曲过于严重，减小K的绝对值予以调整，再进行重复判断——调整，至无交错现象为止，即得出一组凸轮曲线数据。最后根据凸轮曲线的设计数据，有程序自动生成图形并予以显示，并将凸轮曲线数据和图形打印出来，即完成凸轮曲线的设计。

参看图2，从图中的光学系统中可见，第一变焦组U1是从透镜面7到透镜面8，第二变焦组U2是从透镜面9、10到透镜面11，第三变焦组U3从透镜面12、13、14、15、16、17到透镜面18。图中的D6，D8，D11，D18在变焦时将产生的间隔变化值，当该变焦系统经过像差设计完成后，D6，D8，D11，D18在长焦和短焦处的值就随之确定，其中，D6是透镜面6与透镜面7的间隔距离，D8是透镜面8与光阑的间隔距离，D11是透镜面10与透镜面11的间隔距离，D18是透镜面18与透镜面19的间隔距离，第一变焦组U1总的移动量为-6.54mm，第二变焦组U2总的移动量为-6.39mm，第三变焦组U3总的移动量为-3.2mm，以取采样点为10个为例(在实际计算中，采样点越多越精确)，下面结合三种实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：

是对一个用于投影的三组元变焦镜头的凸轮曲线进行设计的实施例，其设计方法是：在辅助设计中使用的计算机上安装ZEMAX光学设计软件，根据三组元光学系统对凸轮曲线轨迹的要求，运用高斯光学原理，借助ZEMAX的宏语言功能，在ZEMAX光学设计软件平台上编制3-CAM-ZPL程序，运行该程序，由程序自动分析三组元系统各个变焦组的分布情况，输入采样点数，进行光学系统过渡参数的计算，输入第二变焦组U2的弯曲系数K，由3-CAM.ZPL程序计算变焦凸轮曲线数据，运行3-CAM.ZPL程序，由程序自动判断各个变焦组在移动过程中是否发生交错，并输出提示信息，如果出现这样的情况，说明对第二变焦组U2给定的K值太大，曲线弯曲过于严重，可以通过减小调整K的绝对值来消除交错现象，直至没有交错现象发生，即可生成和显示理想的凸轮曲线，并可打印数据和图形。

参看图3，本实施例选择第二变焦组U2作直线移动，即K＝0，采样点数设定为10，运行3-CAM.ZPL程序，计算结果如下：

K＝0.00：Ave-MTF＝0.6842 Max-AveMTF＝0.7062 Min-AveMTF＝0.6504

实施例2

参看图4，设计方法步骤与实施例1相同，本实施例选择第二变焦组U2作曲线移动(向物方弯曲)，即K>0，采样点数设定为10，运行3-CAM.ZPL程序，计算结果如下：

K＝0.03 Ave-MTF＝0.6995 Max-AveMTF＝0.7113 Min-AveMTF＝0.6752

从实施例2的计算数据可以看出，当第二变焦组U2的K＝0.03时，即曲线略向物方弯曲时，Ave-MTF的值由直线移动时的0.6842变成0.6995，变焦系统性能有所提高。

实施例3

参看图5，设计方法步骤与实施例1相同，本实施例选择第二变焦组U2作曲线移动(向像面弯曲)，即K<0，采样点数设定为10，运行3-CAM.ZPL程序，计算结果如下：

K＝-0.05：Ave-MTF＝0.6483 Max-AveMTF＝0.7047 Min-AveMTF＝0.6017

从实施例3的计算数据可以看出，当第二变焦组U2的K＝-0.05时，即曲线略向像方弯曲时，Ave-MTF的值由直线移动时的0.6842变成0.6483，变焦系统性能有所降低。

从图3、图4、图5可以看出，当第二变焦组U2的弯曲系数K不一样时，使得第三变焦组U3的曲线弯曲方向和弯曲程度也不一样。K＝0时，表示作线性移动，K>0表示曲线向物面弯曲，K<0表示曲线向像面弯曲。K的绝对值大小表示曲线的弯曲程度。在实际设计三组元凸轮曲线过程中，通过对这三种形式的性能比较，确定曲线的弯曲方向，适当调整K值，即可使系统达到满意的成像质量。设计人员在3-CAM.ZPL程序的基础上还可将第一变焦组U1和第二变焦组U2的移动方案对调，即第二变焦组U2作线性移动，第一变焦组U1作曲线移动，进一步扩充程序功能。

在上述三个实施例的图形显示中，纵坐标表示焦距，横坐标表示移动距离，U1、U2和U3分别表示各个变焦组，其在横坐标上的方框长度表示各个变焦组的长度，曲线一种是向物方弯曲，另一种是向像方弯曲。

应用3-CAM-ZPL程序进行三组元光学系统凸轮曲线设计，只需要设计人员输入采样点的多少和第二变焦组U2移动的弯曲系数K(默认为直线移动，即K＝0)即可，程序将自动判定各个变焦组的在系统中的位置分布，按第一变焦组U1(总是线性移动)和第二变焦组U2的给定移动量计算第三变焦组U3的移动量，并对第二变焦组U2作直线移动和曲线移动两种情况的MTF性能进行比较，可以根据比较结果，对K值进行进一步修正，达到更优的变焦系统性能，从而完成凸轮曲线的设计。为了得到更直观的结果，在打印数据的同时，也给出了相应的曲线图形，可以实时分析凸轮曲线设计的工艺性及机构实现的可能性。程序对采样点数没有限制，采样点越多，曲线图形的精度越高。若需要查看整个变焦过程中光学性能的变化情况，只需打开相应的数据或图形窗口再运行该程序即可，程序将对每一个采样点位置的各种性能图形实时更新。