ERNOSTAR鏡頭課程設(shè)計(jì)

1、 目 錄1.課程設(shè)計(jì)的背景及意義22.設(shè)計(jì)的基本原理.33.課程設(shè)計(jì)的基本過程.54.設(shè)計(jì)的結(jié)果.85.鏡頭的優(yōu)化.116.總結(jié)和結(jié)論.147.參考文獻(xiàn).151課程設(shè)計(jì)的背景及意義隨著光學(xué)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，各類光學(xué)器件都在不同程度的改變和影響著我們的生活，基于ZEMAX的攝影鏡頭設(shè)計(jì)便是十分重要的一部分，任何一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)不管應(yīng)用于和處，其作用都是把目標(biāo)發(fā)出的光透過我們所設(shè)計(jì)的鏡頭，最后成像，光學(xué)鏡頭的好壞直接影響著成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，基于柯克三合系統(tǒng)的鏡頭結(jié)構(gòu)，能夠?qū)鈱W(xué)鏡頭所有六種像差進(jìn)行校正的結(jié)構(gòu)最簡單攝影鏡頭，故而為世界各光學(xué)公司仿制，加之三片三組式柯克結(jié)構(gòu)鏡頭成本低廉故而產(chǎn)量巨大，廣泛應(yīng)

2、用于各中低檔相機(jī)鏡頭之中。通過對光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)也是我們對與鏡頭設(shè)計(jì)有關(guān)的各類參數(shù)有更深的了解。我負(fù)責(zé)查找ERNOSTAR鏡頭的基本結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用參數(shù)，ERNOSTAR在攝影史上是具有劃時(shí)代意義的攝影頭，它的最大光圈在標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)上可以達(dá)到2.0，要知道在1927年Tessar的光圈也就只有設(shè)計(jì)到2.7。ERNOSTAR是當(dāng)時(shí)第一支可以在光線條件較差的情況下使用的鏡頭，也是第一個(gè)可以在很差的光線下不使用三腳架的鏡頭。因此了解它的工作原理以及特性對于我今后的學(xué)習(xí)有著十分重大的意義。圖1 生產(chǎn)研發(fā)ERNOSTAR鏡頭的ERNEMANN公司2.設(shè)計(jì)的基本原理 基于柯克三合系統(tǒng)的鏡頭結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)出5種鏡頭，

3、包括典型cooketriple結(jié)構(gòu)鏡頭、ERNOSTAR結(jié)構(gòu)鏡頭、Tessar結(jié)構(gòu)鏡頭Heliar結(jié)構(gòu)鏡片、sonnar結(jié)構(gòu)鏡頭。2.1 照相物鏡的光學(xué)特性 (1)焦距f 決定了所成像的大小，當(dāng)物體處于有限距離像高y=（1-）ftan w, 是垂軸放大率。物距L都比較大，所以f=L。(2)相對孔徑 照相物鏡的相對孔徑?jīng)Q定其受衍射限制的最高分辨率和相面光 照度。這里N=D/ f/，(3)視場角照相物鏡的視場角決定其在接收器上成清晰像的空間范圍，按視場角的大 小，照相物鏡分為：小視場物鏡，中視場物鏡，廣角物鏡，超廣角物鏡。他們是物鏡的重要的特性參數(shù)。另外在模擬仿真的過程中，還要注意所選取的鏡頭的曲

4、率半徑，厚度，玻璃等。 (4)光圈 光圈是一個(gè)用來控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用f值。F=鏡頭的焦距/鏡頭的有效口徑的直徑。光圈F數(shù)值越小光圈越大，進(jìn)光量越多，畫面比較亮；光圈F數(shù)值越大光圈越小，畫面比較暗。 (5)孔徑角 由相對孔徑來確定 2u=Df，為光圈倒數(shù)的一半。 2.2 照相物鏡的基本類型 （1）柯克物鏡（三片式物鏡） 柯克物鏡是薄透鏡系統(tǒng)中能夠校正全部七種初級(jí)相差的簡單結(jié)構(gòu)，它能適應(yīng)的孔徑是D/f=4.5,視場是2w=50度。設(shè)計(jì)基柯克物鏡由三篇透鏡組成，考慮到校正垂軸像差，即慧差、畸變和倍率色差的需要，應(yīng)該把鏡頭做成對稱是的

5、。 （2）天賽物鏡和海利亞物鏡 天賽物鏡和海利亞物鏡都是有柯克物鏡改進(jìn)而成的。若把柯克物鏡最后一片正透鏡改為雙膠合透鏡組，軸外光線中以上光線的膠合面上有最大的入射角，可造成高級(jí)像散和軸外球差的減小，這就構(gòu)成了天賽物鏡，光學(xué)性能指標(biāo)為D/f=1/3.5到1/2.8,2w=55度。 如果把柯克物鏡中的正透鏡全部改成膠合透鏡組，就得到了海利亞物鏡。 （3）松納物鏡松納物鏡也可以認(rèn)為是在柯克物鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是大孔徑和小視場的物鏡，可以減輕負(fù)透鏡的負(fù)擔(dān)，高級(jí)像差較小了，相對孔徑增大了，但是使得垂軸像差的校正發(fā)生了困難。 （4）ERNOSTAR物鏡 ERNOSTAR結(jié)構(gòu)是當(dāng)時(shí)德累斯頓Ernema

6、nn公司（Zeiss Ikon前身之一）年僅23歲的天才光學(xué)設(shè)計(jì)師Ludwig Bertele，根據(jù)Ludwig Bertele的設(shè)計(jì)，他將Cooke-Triplet結(jié)構(gòu)中的第一片凸透鏡替換成了一組兩片相接合的凸透鏡，最大光圈在標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)上可以達(dá)到2.0，要知道在1927年Tessar的光圈也就只有設(shè)計(jì)到2.7。ERNOSTAR是當(dāng)時(shí)第一支可以在光線條件較差的情況下使用的鏡頭，也是第一個(gè)可以在很差的光線下不使用三腳架的鏡頭。3.課程設(shè)計(jì)基本過程 3.1 ERNOSTAR最初原理圖圖2 ERNOSTAR最初原理圖(1) 前三個(gè)鏡片用于獲得一個(gè)較長的焦距，之后通過與前三片透鏡距離較遠(yuǎn)的 第三片透鏡可

7、以將這一焦距重新縮短。這一結(jié)構(gòu)在光線通過一個(gè)適中的孔徑時(shí)可以很好的控制眩光與散射。 (2) 前三個(gè)透鏡用于校正場曲和軸向色差，但是不能校正全部初級(jí)像差。 (3) 前兩個(gè)透鏡用于減小系統(tǒng)的高級(jí)像差。增大了物鏡的相對孔徑，同時(shí)兩 透鏡使透鏡表面半徑增大，從而減小光線在表面的入射角。3.2 ERNOSTAR參數(shù)表1 ERNOSTAR參數(shù)曲率半徑r厚度d折射率r1=83.561d1=51.63812r2=-126.94d2=0.1r3=24.604d3=111.63842r4=59.796d4=3r5=-118.5d5=51.7398r6=14.956d6=10.73r7=51.382d7=71.63

8、842r8=-24.504圖3 通過查找資料，在鏡頭數(shù)據(jù)編輯頁面輸入物鏡的初始參數(shù)圖4 輸入光圈圖5 輸入三種視場0deg，5deg，10deg圖6 輸入三種波長的光藍(lán)，綠，紅 3.3 ERNOSTAR鏡頭設(shè)計(jì)基本過程 (1) 由使用要求提出對光學(xué)系統(tǒng)的合理要求，確定設(shè)計(jì)指標(biāo)。 (2) 對光學(xué)原理圖進(jìn)行分析，對系統(tǒng)外形尺寸進(jìn)行計(jì)算,可行性分析 設(shè)計(jì)指標(biāo)修正。 (3) 確定光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu),并求初始解。 (4) 對初始解進(jìn)行像差校正（必要時(shí)修改初始結(jié)構(gòu)）和像質(zhì)評(píng)價(jià)得 到光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 (5) 進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)公差設(shè)計(jì)和分析。 (6) 繪制光學(xué)系統(tǒng)圖和零部件圖。 (7) 完成設(shè)計(jì)報(bào)告。圖7 設(shè)計(jì)

9、流程圖4.設(shè)計(jì)的結(jié)果圖8 輸出效果圖圖9 像差圖最大像差為1000um 隨著視場角不斷增大，最大相差增大。圖10 光程差圖最大光程差為400 ，隨著視場角增大最大光程差增大。由于離焦影響，未能出現(xiàn)理想優(yōu)化結(jié)果圖11 點(diǎn)列圖由圖可見，色差很大，隨著視場角的增大，彗差出現(xiàn)并越來越明顯。圖12 調(diào)制傳遞函數(shù)圖圖13 場曲圖由圖可見，雖然有色差但不太明顯。像差為50。5.鏡頭的優(yōu)化通過改變厚度，曲率參數(shù)來觀察像差曲線，點(diǎn)列圖的變化，從而得出結(jié)論。所改的參數(shù)是否有利于鏡頭的優(yōu)化。圖14 改變參數(shù)后的參數(shù)圖由參數(shù)表可知，加寬了第二塊透鏡與第三塊透鏡之間的距離。圖15 改變參數(shù)后的效果圖圖16 改變參數(shù)后的

10、像差圖由圖可以看出，曲線變的平緩，各條曲線變得更加緊密。 圖17 改變參數(shù)后的光程差圖由圖可以看出優(yōu)化后曲線更加平緩，由于離焦效應(yīng)未能出現(xiàn)理想曲線。圖18 改變參數(shù)后的點(diǎn)列圖圖由圖可見，點(diǎn)列圖比優(yōu)化前排列更為緊密。6總結(jié)和結(jié)論 此次實(shí)驗(yàn)是基于ZMAX設(shè)計(jì)攝影頭。雖然目前所研究的鏡頭多為已研究成型的鏡頭，但是它們所含有的經(jīng)典理論以及設(shè)計(jì)思想依然值得我們有所借鑒。通過此次對ERNOSTAR鏡頭的學(xué)習(xí)，我對鏡頭的設(shè)計(jì)，原理，性能參數(shù)都有了一定的了解。一個(gè)鏡頭性能好壞主要是基于是否可以有效的減小高級(jí)像差。若要減小高級(jí)像差可以在正透鏡中使用折射率更高的玻璃或用兩個(gè)甚至更多的透鏡代替原有結(jié)構(gòu)中透鏡。通過查找資料發(fā)現(xiàn)，一系列的鏡頭都源自一個(gè)經(jīng)典的鏡頭，它就是Cooke-Triple鏡頭。Cooke-Triple都是有是三片三組的結(jié)構(gòu)，之后光學(xué)設(shè)計(jì)師們就一直在設(shè)法改進(jìn)這個(gè)結(jié)構(gòu)，著名的有Tessar，Heliar，ernostar等等。1916年在美國芝加哥的Charles M. Minor嘗試著將Cooke-Triplet結(jié)構(gòu)的光圈設(shè)計(jì)的更大，他的做法是在Cooke-Triplet結(jié)構(gòu)的第一片凸透鏡和第二片凹透鏡之間插入一片凸透鏡，三篇鏡片相連。根據(jù)他的設(shè)計(jì)