ERNOSTAR鏡頭課程設(shè)計(jì)

1、ERNOSTAR鏡頭課程設(shè)計(jì)L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H6 .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

2、而產(chǎn)量巨大，廣泛應(yīng)用于各中低檔相機(jī)鏡頭之中。通過對(duì)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)也是我們對(duì)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(duì)于我今后的學(xué)習(xí)有著十分重大的意義。t挪m加出喈“6DR6SD6n日?qǐng)D1生產(chǎn)研發(fā)ERNOSTAR鏡頭的ERNEMANN公司2 .設(shè)計(jì)的基本原理

3、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，包括典型cooke-triple結(jié)構(gòu)鏡頭、ERN0STAR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)焦距伊決定了所成像的大小，當(dāng)物體處于有限距離像高yz=(1-3)ftanw,B是垂軸放大率。物距L都比較大，所以f'=L'。(2)相對(duì)孔徑照相物鏡的相對(duì)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/X,(3)視場(chǎng)角照相物鏡的視場(chǎng)角決定其在接收器上成清晰像的空間范圍，按視場(chǎng)角的大小，照相物鏡分為：小視場(chǎng)物鏡，中視場(chǎng)物鏡，廣角物鏡，超廣角物鏡。他們是物鏡的重

4、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(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(duì)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(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(chǎng)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

5、差、畸變和倍率色差的需要，應(yīng)該把鏡頭做成對(duì)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(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=l/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(chǎng)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(duì)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ERNO

6、STAR結(jié)構(gòu)是當(dāng)時(shí)德累斯頓Ernemann公司(ZeissIkon前身之一)年僅23歲的天才光學(xué)設(shè)計(jì)師LudwigBertele,根據(jù)LudwigBertele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2.7oERNOSTAR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. 1ERNOSTAR最初原理圖圖2ERNOSTAR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

7、鏡距離較遠(yuǎn)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(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(chǎng)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(duì)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。3.2ERNOSTAR參數(shù)表1ERNOSTAR參數(shù)曲率半徑r厚度d折射率rl=83.561dl=51.63812r2=-126.94d2=0.1r3=24.604d3=ll1.63842r4=59.796d4=3r5=-U8.5d5=51.7398r6=14.956d6=10.73r7=51.382d7=7

8、1.63842r8=-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)GeneralWW圖4輸入光圈FieldData1HBC0biectHeigHUe©XFieldY-FiddCPoroxolImogcHeightCRealImaaeHGichtWeightVDXVDYVCXUCYYAN122b3r4廠6L7001.000000000000000DoooocoQ00000000030051.00001.00000.00000000000.000000.000000.000000.00000oooooo0.000000.00000oooocooooocoooooco

9、Q00000oooooo0.000000000300100.00030O.OOOJO0000O.COOO0.0000Dooooco0.000000.0003000o.cooo0.0000Dooooco0.000000.00030u00.00000.00000.00000000000oooooo0.00000oooocooooocoaooooo0.00000000030000030r000r9rior11r12000.00000.00000.000000.000000.000000.000000.0000Doooocoooooco0.00000Q00000O.OOOJO0.000JO00000.

10、00000.00000ooooco0.000000.00030000.00000.000000.00000oooocoQ000000.00030Q<Cancel9alH.SeiyigChVioLood圖5輸入二種現(xiàn)場(chǎng)Odeg,5deg,lOdegWavelengthDataLJseWavelength(microns)WeightPrimary10.350000001c?F20.550000001rP30.656000001|rr40.550000001Vr0.550000001rrg0.550000001cr70.550000001C.r.80.550000001rr90.550000

11、001crw0.550000001crnr120.55000000|0.5500000011rrSelect>Rd.CRisible)zJOKCancelSortHelpSaveLoad1圖6輸入三種波長的光藍(lán)，綠，紅3.3ERNOSTAR鏡頭設(shè)計(jì)基本過程(1)由使用要求提出對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的合理要求，確定設(shè)計(jì)指標(biāo)。(2)對(duì)光學(xué)原理圖進(jìn)行分析,對(duì)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(duì)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

12、。EB14-95偏頭曲計(jì)與優(yōu)化步n圖7設(shè)計(jì)流程圖4.設(shè)計(jì)的結(jié)果,2U>OJt2Z-70。萌Y:13JW&x賓臨“鄉(xiāng)£rir<MxlosZocf圖8輸出效果圖Update£r<itwindowZ«rtZoceTPANSUERSEROYFANPLOTLENSHASMOTITLE.WEDTUN202012MAXIMUMSCALE：1S00.000MICRONS.0.3500.656C:'lERSWUBIN時(shí)£SnOP'ffNEffR®®S限閃CONFIGURATION1OF1圖9像差圖最大像差為lO

13、OOum隨著視場(chǎng)角不圖10光程差圖最大光程差為400,隨著視場(chǎng)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<2."36的。mX=-20R4195.Y=J|Upd"-itnnaiEnrrt版dowI»xtZoc<nQ0.03CGCCT：S.03rec0.35608-1-田：0.0K)ttlinft：1.720rticeji18.08CGI噸9.S28HMSFOTDIRGRRHFIELD：23RbERROIUS：1HH.560147.993179.82。GEORADIUS：213.S2B235.73D3BS.9D9SCALE0FP：ieeeRE

14、FERENCE:CHIFFRRYLENSHRSMJIDLE.UEOJUN2D2012UNDSRREMICRONS.CN低冷SlIBM'ffR坐粉。腳后聯(lián)低MCONFIGURATION1OF1圖11點(diǎn)列圖由圖可見，色差很大，隨著視場(chǎng)角的增大，彗差出現(xiàn)并越來越明顯。Update Settings Prrt Window Text Zoom09S765H3210 1JuloluHJ. ua Snn3 一SPATIALPR£OUENCYINCYCLESPERMILLIMETERPOLYCHROMATICDIFFRACTIONMTFLENSHASNOTITLE.WEDTUN202012

15、ATAFOR0.3S00TO0.6St>0MICRONS.C：11JEKWBDCttSKTDPOJWOfGTRt?.31XCONFICURRTION1OF1圖12調(diào)制傳遞函數(shù)圖圖13場(chǎng)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。LAYOUTLENSHRSHOTITLE.THUJUN212012TOTALLENGTH：bb.33000NMC：啦眩K&ZW儂IC用II明（做曲3ftCONFI

16、GURATION1OFI蜜8程“圖15改變參數(shù)后的效果圖fl1;lUyFanPupil-O.5i76,Update«6cmWn(*<y*TctZowTRANSVERSE RAY FfiN PLOTLENS HRS NO TITLE. THU JUM 21 2012 MAXIMUM SCALE： 士 20D0,000 MICRONS.0.350C：«8仇 RfMffMEMiKHllSMJNhGrtWM COr4FIGURATION 1 OF t圖16改變參數(shù)后的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。kApdele Setting > P；E Su

17、ndew TeM ZcweOCT 。CC CO7匚f T LLLL 尸LTH ：!尸尸 EXEHCE1府m('<i:go ”cam r;u iWEXiRns 愁“i i 陽 CONFTGURRTIDNLENS HAS NO TITLE THU J UM 21 2BI 2MAXIMUM SCALE: ± 200.000 WAUES.0.3G00.&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。-5P7W1.v=13478?upditeSen”mmWndowTeZoc»oer KGOBI- 5.eo CGO.350

18、DIMA： M.8M5 MMED.BMmcenI0.Woeg“_PFME： I YR2012 UNITS FRE MICRCWS.H9.623FIELDRMS RADIUSGEO PFOIUS SCFLE EARLE稱 H=6 M3 TITLE THU IW 2192.76S20KJ2 15M.I9B 372.t62 PEIHA- 9.$97 m3R0T 口工RGQRN3292.531：CHIEF PRYCONFIGURRTIDN 1 OF I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(duì)ERNOSTAR鏡頭的學(xué)習(xí)，我對(duì)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CookeTriple鏡頭。CookeTriple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Tess