ERNOSTAR镜头课程设计

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark0 o Current Document .课程设计的背景及意义 2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document .设计的基本原理 .3.课程设计的基本过程 .5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document .设计的结果.8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document .镜头的优化 .11 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document .总结和结论 .14.15.参考文献

2、.课程设计的背景及意义随着光学产业的迅速发展，各类光学器件都在不同程度的改变和影响着我们 的生活，基于ZEMAX勺摄影镜头设计便是十分重要的一部分， 任何一个光学系统 不管应用于和处，其作用都是把目标发出的光透过我们所设计的镜头， 最后成像, 光学镜头的好坏直接影响着成像系统的成像质量，基于柯克三合系统的镜头结 构，能够对光学镜头所有六种像差进行校正的结构最简单摄影镜头，故而为世界各光学公司仿制，加之三片三组式柯克结构镜头成本低廉故而产量巨大，广泛应用于各中低档相机镜头之中。通过对光学镜头的设计也是我们对与镜头设计有关 的各类参数有更深的了解。我负责查找ERNOSTAR头的基本结构以及应用参数

3、，ERNOSTAR摄影史上 是具有划时代意义的摄影头，它的最大光圈在标准相机上可以达到2.0,要知道在1927年Tessar的光圈也就只有设计到2.7。ERNOSTAR当时第一支可以在光 线条件较差的情况下使用的镜头，也是第一个可以在很差的光线下不使用三脚架 的镜头。因此了解它的工作原理以及特性对于我今后的学习有着十分重大的意 义。图1 生产研发ERNOST破头的ERNEMANN司.设计的基本原理基于柯克三合系统的镜头结构，需要设计出 5种镜头，包括典型cooke- triple 结构镜头、ERNOSTAR构镜头、Tessar结构镜头Heliar结构镜片、sonnar 结构镜头。照相物镜的光学

4、特性(1)焦距f/决定了所成像的大小，当物体处于有限距离像高y/ = (1-B) * tan w,B是垂轴放大率。物距L都比较大，所以f，二L，。(2)相对孔径照相物镜的相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和相面光照度。这里N=D/ f / /入，(3)视场角照相物镜的视场角决定其在接收器上成清晰像的空间范围，按视场角的大 小，照相物镜分为：小视场物镜，中视场物镜，广角物镜，超广角物镜。他们是 物镜的重要的特性参数。另外在模拟仿真的过程中，还要注意所选取的镜头的曲 率半径，厚度，玻璃等。(4)光圈光圈是一个用来控制光线透过镜头， 进入机身内感光面的光量的装置，它通 常是在镜头内。表达光圈大小我

5、们是用 f值。F比头的焦距/镜头的有效口径的 直径。光圈F数值越小光圈越大，进光量越多，画面比较亮；光圈 F数值越大光 圈越小，画面比较暗。(5)孔径角由相对孔径来确定2u=D/f,为光圈倒数的一半。2.2 照相物镜的基本类型（ 1）柯克物镜（三片式物镜）柯克物镜是薄透镜系统中能够校正全部七种初级相差的简单结构， 它能适应 的孔径是D/f=4.5,视场是2w=50度。设计基柯克物镜由三篇透镜组成，考虑到 校正垂轴像差，即慧差、畸变和倍率色差的需要，应该把镜头做成对称是的。（ 2）天赛物镜和海利亚物镜天赛物镜和海利亚物镜都是有柯克物镜改进而成的。 若把柯克物镜最后一片正透镜改为双胶合透镜组， 轴

6、外光线中以上光线的胶合面上有最大的入射角， 可 造成高级像散和轴外球差的减小，这就构成了天赛物镜，光学性能指标为D/f=1/3.5 到 1/2.8,2w=55 度。如果把柯克物镜中的正透镜全部改成胶合透镜组，就得到了海利亚物镜。（ 3）松纳物镜松纳物镜也可以认为是在柯克物镜的基础上发展起来的，它是大孔径和小视场的物镜，可以减轻负透镜的负担，高级像差较小了，相对孔径增大了，但是使 得垂轴像差的校正发生了困难。（4） ERNOSTAR镜ERNOSTAR吉构是当时德累斯顿 Erneman宓司（Zeiss Ikon前身之一）年仅 23 岁的天才光学设计师Ludwig Bertele ，根据 Ludwi

7、g Bertele 的设计，他将 Cooke-Triplet 结构中的第一片凸透镜替换成了一组两片相接合的凸透镜， 最 大光圈在标准相机上可以达到 2.0 ， 要知道在 1927年 Tessar 的光圈也就只有设计到2.7。ERNOSTAR当时第一支可以在光线条件较差的情况下使用的镜头，也是第一个可以在很差的光线下不使用三脚架的镜头。ERNOSTARt初原理图图2 ERNOSTARt初原理图(1)前三个镜片用于获得一个较长的焦距，之后通过与前三片透镜距离较远的第三片透镜可以将这一焦距重新缩短。 这一结构在光线通过一个适中的孔 径时可以很好的控制眩光与散射。(2)前三个透镜用于校正场曲和轴向色差

8、，但是不能校正全部初级像差。(3)前两个透镜用于减小系统的高级像差。增大了物镜的相对孔径，同时两透镜使透镜表面半径增大，从而减小光线在表面的入射角。ERNOSTA参数表1 ERNOSTAR参数曲率半径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

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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图3通过查找资料，在镜头数据编辑页面输入物镜的初始参数图4输入光圈“AnaTcJPcaL Obk)cl HoigktWght Porwcl Irnwc Hcah* Roal Im明白 Heidnr汕NUwXFiWvctcOr 5 口5-5VRLoad_1图5 输入三种视场 0deg, 5deg, 10deg图6输入三种波长的光蓝，绿，红ERNOSTA福头设计基本过程(1)由使用要求提出对

11、光学系统的合理要求，确定设计指标。(2)对光学原理图进行分析，对系统外形尺寸进行计算，可行性分析设计指标修正。(3)确定光学系统的初始结构，并求初始解。(4)对初始解进行像差校正(必要时修改初始结构)和像质评价得到光学系统结构参数。(5)进行光学系统公差设计和分析。(6)绘制光学系统图和零部件图。(7)完成设计报告。图7设计流程图.设计的结果5所的 5 所“，frK ilMfow -工甑叱LHYDUTLENS HRS NO.TITLE.UED TUN 26 212TaTRL LENGTH： 71.63000 MM集拨寻】EHPOEEQD的尔HEETIF现D5H、遭XCONFIGUKRTION

12、1 OF I图9像差图最大像差为1000um 随着视场角不断增大，最大相差增大。图10光程差图最大光程差为 400 ,随着视场角增大最大光程差增大。由于离焦影响，未能出现理想优化结果图11点列图由图可见，色差很大，随着视场角的增大，彗差出现并越来越明显。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图12调制传递函数图0.00PEECZEMTFIELD CURMTURE / DlSIOeriOU匚:址EE1的EG钝E*T即加部PEIM叫库.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图13场曲图由图可见，虽然有色差但不太明显。像差为50。.镜头的优化通过改变厚度，曲率参数来观察像差曲线，点列图的变化，从而得出结论。所改的参数是否有利于镜头的优化。_ -： - 1七 _二：二一Edit wh CpticrsSicf：ECcmr;Ei； Q 如aNViT :;EtdPw 2 5Kdhx靠砌心urflandardInfkutjZaFLutf4J00rSusiirdI3.QL00：工品邮艮Lw.bj抬扪I.043D0：212R典N.电门加二空 szjdzrd尔记口加二二眦则二也睡皿二

15、4SzESTd53s 即二i.KDOE.如上引招Q.OOD2j-UI.5900H二丽即1J4/机工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，耻M支1z=zd=rc出X二辄二组鹏屹上捌一工忆胜二SZS32ZD3UilinlEji.Qinooz图14改变参数后的参数图由参数表可知，加宽了第二块透镜与第三块透镜之间的距离。.do* Jfg -ir* Wfu* w图15改变参数后的效果图图16改变参数后的像差图由图可以看出，曲线变的

16、平缓，各条曲线变得更加紧密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图17改变参数后的光程差图由图可以看出优化后曲线更加平缓，由于离焦效应未能出现理想曲线。图18 改变参数后的点列图图由图可见，点列图比优化前排列更为紧密。6总结和结论此次实验是基于 ZMAX 设计摄影头。 虽然目前所研究的镜头多为已研究成型的镜头， 但是它们所含有的经典理论以及设计思想依然值得我们有所借鉴。 通过此次对 ERNOSTAR 镜头的学习，我对镜头的设计，原理，性能参数都有了一定的了解。 一个镜头性能好坏主要是基于是否可以有效的减小高级像差。 若要减小高级像差可以在正透镜中使用折射率更高的玻璃或用两个甚至更多的透镜代替原有结构中透镜。通过查找资料发现，一系列的镜头都源自一个经典的镜头，它就是Cooke-Triple 镜头。 Cooke-Triple 都是有是三片三组的结构，之后光学设计师们就一直在设法改进这个结构，著名的有Tessar Heliar, ernostar等等。1916年在美国芝加哥的Charles M. Mi