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1、- 目 录1.课程设计的背景及意义22.设计的根本原理.33.课程设计的根本过程.54.设计的结果.85.镜头的优化.116.总结和结论.147.参考文献.151课程设计的背景及意义随着光学产业的迅速开展，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ZEMA*的摄影镜头设计便是十分重要的一局部，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构造，能够对光学镜头所有六种像差进展校正的构造最简单摄影镜头，故而为世界各光学公司仿制，加之三片三组式柯克构造镜头本钱低廉故而产量巨大，广泛
2、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镜头的根本构造以及应用参数，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可以到达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ERNOSTAR镜头的ERNEMANN公司2.设计的根本原理 基于柯克三合系统的镜头构造，需要设计出5种镜头
3、，包括典型cooketriple构造镜头、ERNOSTAR构造镜头、Tessar构造镜头Heliar构造镜片、sonnar构造镜头。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-ftan w,是垂轴放大率。物距L都比较大，所以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/，(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*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
4、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=Df，为光圈倒数的一半。 2.2 照相物镜的根本类型 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构造，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
5、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。假设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可以认为是在柯克物镜的根底上开展起来的，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。 4ERNOSTAR物镜ERNOSTAR构造是当时德累斯顿Ernemann公司Zeiss Ik
6、on前身之一年仅23岁的天才光学设计师Ludwig Bertele，根据Ludwig Bertele的设计，他将Cooke-Triplet构造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到达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。3.课程设计根本过程 3.1 ERNOSTAR最初原理图图2 ERNOSTAR最初原理图(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。这一构造
7、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，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 透镜使透镜外表半径增大，从而减小光线在外表的入射角。3.2 ERNOSTAR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=-24.504图3
8、 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 3.3 ERNOSTAR镜头设计根本过程 (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) 对光学原理图进展分析，对系统外形尺寸进展计算,可行性分析设计指标修正。 (3) 确定光学系统的初始构造,并求初始解。 (4) 对初始解进展像差校正必要时修改初始构造和像质评价得 到光学系统构造参数。 (5) 进展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
9、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。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可以看出，曲线变的平缓，各
10、条曲线变得更加严密。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严密。6总结和结论 此次实验是基于ZMA*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。假设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构造中透镜。通过查找资料发现，一系列的镜头都源自一个经
11、典的镜头，它就是Cooke-Triple镜头。Cooke-Triple都是有是三片三组的构造，之后光学设计师们就一直在设法改进这个构造，著名的有Tessar，Heliar，ernostar等等。1916年在美国芝加哥的Charles M. Minor尝试着将Cooke-Triplet构造的光圈设计的更大，他的做法是在Cooke-Triplet构造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。根据他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，这几个电影镜头可以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缺乏。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 理工大学?光学设计?*钧，高明编著 *电子科技大学. z.
