ERNOSTAR镜头课程设计.docx

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ERNOSTAR镜头课程设计

ERNOSTAR镜头课程设计

1.课程设计的背景及意义……………………………2

2.设计的基本原理………………………………………..3

3.课程设计的基本过程…………………………………..5

4.设计的结果……………………………………………..8

5.镜头的优化……………………………………………..11

6.总结和结论……………………………………………..14

7.参考文献………………………………………………..15

1．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的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论应用于和处，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。

经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镜头的基本结构以及应用参数，ERNOSTAR在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能够达到2.0，要知道在1927年Tessar的光圈也就只有设计到2.7。

ERNOSTAR是当时第一支能够在光线条件较差的情况下使用的镜头，也是第一个能够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ERNOSTAR镜头的ERNEMANN公司

2.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结构镜头、Tessar结构镜头Heliar结构镜片、sonnar结构镜头。

2.1照相物镜的光学特性

（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-β）f＇tanw,β是垂轴放大率。

物距L都比较大，因此f＇=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＇/λ，

（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。

她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，它一般是在镜头内。

表示光圈大小我们是用f值。

F=镜头的焦距/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

松纳物镜也能够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，能够减轻负透镜的负担，高级像差较小了，相对孔径增大了，可是使得垂轴像差的校正发生了困难。

（4）ERNOSTAR物镜

ERNOSTAR结构是当时德累斯顿Ernemann公司（ZeissIkon前身之一）年仅23岁的天才光学设计师LudwigBertele，根据LudwigBertele的设计，她将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能够达到2.0，要知道在1927年Tessar的光圈也就只有设计到2.7。

ERNOSTAR是当时第一支能够在光线条件较差的情况下使用的镜头，也是第一个能够在很差的光线下不使用三脚架的镜头。

3.课程设计基本过程

3.1ERNOSTAR最初原理图

图2ERNOSTAR最初原理图

（1）前三个镜片用于获得一个较长的焦距，之后经过与前三片透镜距离较远的

第三片透镜能够将这一焦距重新缩短。

这一结构在光线经过一个适中的孔径时能够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，可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。

3.2ERNOSTAR参数

表1ERNOSTAR参数

曲率半径r

厚度d

折射率

r1=83.561

d1=5

1.63812

r2=-126.94

d2=0.1

r3=24.604

d3=11

1.63842

r4=59.796

d4=3

r5=-118.5

d5=5

1.7398

r6=14.956

d6=10.73

r7=51.382

d7=7

1.63842

r8=-24.504

图3经过查找资料，在镜头数据编辑页面输入物镜的初始参数

图4输入光圈

图5输入三种视场0deg，5deg，10deg

图6输入三种波长的光蓝，绿，红

3.3ERNOSTAR镜头设计基本过程

（1）由使用要求提出对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

4.设计的结果

图8输出效果图

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。

图12调制传递函数图

图13场曲图

由图可见，虽然有色差但不太明显。

像差为50。

5.镜头的优化

经过改变厚度，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。

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。

图15改变参数后的效果图

图16改变参数后的像差图

由图能够看出，曲线变的平缓，各条曲线变得更加紧密。

图17改变参数后的光程差图

由图能够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。

虽然当前所研究的镜头多为已研究成型的镜头，可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。

经过此次对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能够有效的减小高级像差。

若要减小高级像差能够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。

经过查找资料发现，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。

19在美国芝加哥的CharlesM.Minor尝试着将Cooke-Triplet结构的光圈设计的更大，她的做法是在Cooke-Triplet结构的第一片凸透镜和第二片凹透镜之间插入一片凸透镜，三篇镜片相连。

根据她的设计当时生产出了光圈为1.9的Ultrastigmat电影镜头，焦距分别为40,50,75mm，这几个电影镜头能够表现出一种很狭长的视角。

此次实验使我受益匪浅，在获得知识的同时感到自己的诸多不足。

我会继续努力学习奋斗，不断完善自己。

7.参考文献

《光学设计教程》黄一帆，李林编著北京理工大学出版社

《光学设计》刘钧，高明编著西安电子科技大学出版社