ERNOSTAR鏡頭課程設(shè)計

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document .課程設(shè)計的背景及意義 2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document .設(shè)計的基本原理 .3.課程設(shè)計的基本過程 .5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document .設(shè)計的結(jié)果.8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document .鏡頭的優(yōu)化 .11 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document .總結(jié)和結(jié)論 .14.15.參考文獻

2、.課程設(shè)計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勺攝影鏡頭設(shè)計便是十分重要的一部分， 任何一個光學(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)用于各中低檔相機鏡頭之中。通過對光學(xué)鏡頭的設(shè)計也是我們對與鏡頭設(shè)計有關(guān) 的各類參數(shù)有更深的了解。我負責(zé)查找ERNOSTAR頭的基本結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用參數(shù)

3、，ERNOSTAR攝影史上 是具有劃時代意義的攝影頭，它的最大光圈在標(biāo)準相機上可以達到2.0,要知道在1927年Tessar的光圈也就只有設(shè)計到2.7。ERNOSTAR當(dāng)時第一支可以在光 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)ERNOST破頭的ERNEMANN司.設(shè)計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)計出 5種鏡頭，包括典型cooke- triple 結(jié)構(gòu)鏡頭、ERNOSTAR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。照相物鏡的光學(xué)

4、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-B) * tan w,B是垂軸放大率。物距L都比較大，所以f，二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 / /入，(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 率半徑，厚度，玻璃等。(4)光圈光圈是一個用來控制光線透過鏡頭， 進入機身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通 常是在鏡頭內(nèi)。表達光圈大小我

5、們是用 f值。F比頭的焦距/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=D/f,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。（ 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

6、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，可以減輕負透鏡的負擔(dān)，高級像差較小了，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鏡ERNOSTAR吉構(gòu)是當(dāng)時德累斯頓 Erneman宓司（Zeiss Ikon前身之一）年僅 23 歲的天才光學(xué)設(shè)計師Ludwig Bertele ，根據(jù) Ludwi

7、g Bertele 的設(shè)計，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)準相機上可以達到 2.0 ， 要知道在 1927年 Tessar 的光圈也就只有設(shè)計到2.7。ERNOSTAR當(dāng)時第一支可以在光線條件較差的情況下使用的鏡頭，也是第一個可以在很差的光線下不使用三腳架的鏡頭。ERNOSTARt初原理圖圖2 ERNOSTARt初原理圖(1)前三個鏡片用于獲得一個較長的焦距，之后通過與前三片透鏡距離較遠的第三片透鏡可以將這一焦距重新縮短。 這一結(jié)構(gòu)在光線通過一個適中的孔 徑時可以很好的控制眩光與散射。(2)前三個透鏡用于校正場曲和軸向色差

8、，但是不能校正全部初級像差。(3)前兩個透鏡用于減小系統(tǒng)的高級像差。增大了物鏡的相對孔徑，同時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。ERNOSTA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=71.63842r8=-24.504Lena H匕01.口_ -LZ： 1Gnrrr a： -Z1_L5工止亡=3ELe.三 3SCZLL - DME

9、!t=Z：E=iC占二工!二口LxXu=HtLzJLr“1m知1口d.H daa.ciicoaIE, S Taa.&dlEM-m.MMOQO.OOOOM*iXAE-airaii jbotanll.COQSOOi17.1I141Bqjgcix4IXnSHslil.BI-CQiaLwcng11n JI”a.ocaoK*一，. -nt.soMoa-g. T% 2 J ,It 473營日呼0 0044MRTT-nr-r r14 #電事（QQ；3.0032e ivaTtg DQ-gggi=T：京eGH工Utm；胃9.g3g umxa9二IE務(wù)二=97工：1StiBDdBiV3-z-an-rEl n9：-

10、DQ-24.5O4ZC二:i工占j7 ODD3DO1 . 411f 5.mIL.DO 1251L.591S5-189.14ZS3Q 口 口口，g 0.000000 C-DEZDJ-DEdit 金七 yeHdis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“AnaTcJPcaL Obk)cl HoigktWght Porwcl Irnwc Hcah* Roal Im明白 Heidnr汕NUwXFiWvctcOr 5 口5-5VRLoad_1圖5 輸入三種視場 0deg, 5deg, 10deg圖6輸入三種波長的光藍，綠，紅ERNOSTA福頭設(shè)計基本過程(1)由使用要求提出對

11、光學(xué)系統(tǒng)的合理要求，確定設(shè)計指標(biāo)。(2)對光學(xué)原理圖進行分析，對系統(tǒng)外形尺寸進行計算，可行性分析設(shè)計指標(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)對初始解進行像差校正(必要時修改初始結(jié)構(gòu))和像質(zhì)評價得到光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。(5)進行光學(xué)系統(tǒng)公差設(shè)計和分析。(6)繪制光學(xué)系統(tǒng)圖和零部件圖。(7)完成設(shè)計報告。圖7設(shè)計流程圖.設(shè)計的結(jié)果5所的 5 所“，frK ilMfow -工甑叱LHYDUTLENS HRS NO.TITLE.UED TUN 26 212TaTRL LENGTH： 71.63000 MM集撥尋】EHPOEEQD的爾HEETIF現(xiàn)D5H、遭XCONFIGUKRTION

12、1 OF I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。IS IF 01 DECERRL二F121 : SRhTrLiriC TOC LOU. DHTF1XHRECURRTEIT5 e .00 XGt5 5 .0 DEG0,Q07S L. 4 faLC6 2.52SPPlFL iL PRLULNy _ ! CYC_5 PER MlLlMLI0 9 S 7 6 5 4 3 2 1 0LLJL 口 BH

13、ILL口 snjrlcopoLYrHRannTic diffraction mtfLb；ME HAS NO TITLE.WED TUN 20 2012n ATA FOR 0.3500 1口 0.690 hiLCRQ ISL，、土 程仲 IB- UFJ曲二藤iLMD HE.割 XCJNF1DURRTJ2OIJ 1 UF 1圖12調(diào)制傳遞函數(shù)圖0.00PEECZEMTFIELD CURMTURE / DlSIOeriOU匚:址EE1的EG鈍E*T即加部PEIM叫庫.弗:二口HF工匕UE3T工口打】 1LENS HRS NO TITLE .WED JUN 20 2012rH. LfJMi FILLL

14、i t kJ . 0UU LibLktb -.WRUELENGlHSt 8.35S G.S5Q 0圖13場曲圖由圖可見，雖然有色差但不太明顯。像差為50。.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。_ -： - 1七 _二：二一Edit wh CpticrsSicf：ECcmr;Ei； Q 如aNViT :;EtdPw 2 5Kdhx靠砌心urflandardInfkutjZaFLutf4J00rSusiirdI3.QL00：工品郵艮Lw.bj抬捫I.043D0：212R典N.電門加二空 szjdzrd爾記口加二二眥則二也睡皿二

15、4SzESTd53s 即二i.KDOE.如上引招Q.OOD2j-UI.5900H二麗即1J4/機工L1 展Sb%收皿。SwiiirfW.95600WWJIU7湖湖1 MUOOOjTOSzjsdirdInliniCjE.UDDOD, 2L12HC.dGOC：1主注心zCL g霹加二，坡的吐L前哥j1.1H17I，恥M支1z=zd=rc出X二輒二組鵬屹上捌一工憶勝二SZS32ZD3UilinlEji.Qinooz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。.do* Jfg -ir* Wfu* w圖15改變參數(shù)后的效果圖圖16改變參數(shù)后的像差圖由圖可以看出，曲線變的

16、平緩，各條曲線變得更加緊密OFTTCAL PATH 口HE匚EPEN匚ELEMS HRS HD TITLETHU ZTiJN 2 1 20 1 盆MAX I Pl U H SCALE . Nl3 . I30EJ WAUS .口D 6 6 I：皿的/QEXIFinEKaHII 何 KTFtMMtlW.加 EomUigu品目丁后H df T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)后的點列圖圖由圖可見，點列圖比優(yōu)化前排列更為緊密。6總結(jié)和結(jié)論此次實驗是基于 ZMAX 設(shè)計攝影頭。 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，原理，性能參數(shù)都有了一定的了解。 一個鏡頭性能好壞主要是基于是否可以有效的減小高級像差。 若要減小高級像差可以在正透鏡中使用折射率更高的玻璃或用兩個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)計師們就一直在設(shè)法改進這個結(jié)構(gòu)，著名的有Tessar Heliar, ernostar等等。1916年在美國芝加哥的Charles M. Mi