一種棱鏡光學系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種棱鏡光學系統(tǒng)，具體為一種基于棱鏡元件的成像光學系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 隨著小型化光電成像組件與微圖像源等的發(fā)展與大量運用，用于照相機、視頻記 錄儀、投影儀等的光學系統(tǒng)也被要求具有較小的體積、重量及較低的成本。
[0003] 傳統(tǒng)的同軸對稱式成像光學系統(tǒng)，光學元件依次分布在光軸上，其壓縮空間體積 的能力有限，同時為了消除球差、慧差、像散、畸變、場曲五種單色像差與軸向色差和垂軸色 差兩種復色差，不可避免的要采用若干組透鏡元件或數(shù)個具備特殊面形的透鏡元件來進行 像差校正，這直接導致了裝配的復雜性及成本的增加。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種棱鏡光學系統(tǒng)，用以解決傳統(tǒng)的同軸對稱式成像光學系 統(tǒng)結構復雜的問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種棱鏡光學系統(tǒng)，包括一個棱鏡，該棱鏡包 括三個光學表面，分別為第一表面、第二表面和第三表面，所述第一表面為球面，第二表面 為自由曲面，第三表面為衍射面；物方產(chǎn)生的入射光線先在所述第一表面透射，然后依次在 所述第二表面反射，在所述第一表面反射，最后由第三表面透射出該棱鏡。
[0006]該棱鏡光學系統(tǒng)的光學參數(shù)是：入瞳直徑：8mm，視場角：24 °，工作波段為 480nm~644nm。
[0007] 所述自由曲面滿足下面的表達式：
[0008]
[0009] 其中，z是光學表面矢高；k為圓錐系數(shù)；c為曲率半徑；r為光軸方向的半徑高度， 有r2=X2+y2;A;是zernike多項式系數(shù)；
[0010]
[0011]
[0012] 所述衍射面的衍射面位相分布表達式為：
[0013] Φ(t) = 2π(B1t2+B2t4+B3t6. ..),
[0014] 其中，BpB2、B3……為衍射元件的位相系數(shù)，t為徑向坐標。
[0015] 所述棱鏡光學系統(tǒng)包括設置在所述入射光線的光路上的孔徑光闌，所述入射光線 經(jīng)過所述孔徑光闌后在所述第一表面透射；由所述第三表面透射出該棱鏡后的出射光線射 到一個像面上。
[0016] 所述第一表面的曲率半徑為-96. 2971mm，所述第二表面的曲率半徑 為-62. 8811mm，所述第三表面的曲率半徑為-58. 4499mm;所述孔徑光闌和第一表面的間 隔為20mm，所述第一表面和第二表面的間隔為13mm，所述第一表面和第三表面的間隔為 16mm，所述第三表面和所述像面的間隔為14. 856mm。
[0017] 所述自由曲面中，A2= 6. 6634e-007,A3= -0· 27571，A4= 2. 3526e-004 ;所述衍 射面中，衍射級次：1，中心波長：546nm，Bi= 2. 0949e-005,B2= -5. 2945e-007。
[0018] 所述孔徑光闌的偏心類型：Decenter&Return，偏心量：y= -5mm;所述第一 表面的偏心類型：Decenter&Return，偏心量：alf= 10 ° ;所述第二表面的偏心類型： Decenter&Return，偏心量：alf= 25。；所述第三表面的偏心類型：Basic，偏心量：alf= 38. 7。；所述像面的偏心類型：Decenter&Return，偏心量：alf= -2. 17。，y= 6. 46mm。
[0019] 在所述物方與所述孔徑光闌之間的光路上設置有一個望遠光學系統(tǒng)，該望遠光學 系統(tǒng)與所述棱鏡光學系統(tǒng)組成一個中繼成像系統(tǒng)；所述望遠光學系統(tǒng)包括沿光路依次設置 的第一膠合鏡組、第二膠合鏡組、第五透鏡和第六透鏡，所述第一膠合鏡組由依次設置的第 一透鏡和第二透鏡膠合構成，所述第二膠合鏡組由依次設置的第三透鏡和第四透鏡膠合構 成。
[0020] 所述第一透鏡的靠近物方的表面的半徑為-32. 51_，所述第一透鏡的靠近像方的 表面的半徑為19. 72_ ;第二透鏡的靠近物方的表面的半徑為19. 72_，第二透鏡的靠近像 方的表面的半徑為131. 1mm;第三透鏡的靠近物方的表面的半徑為86. 9mm，所述第三透鏡 的靠近像方的表面的半徑為76. 91_ ;所述第四透鏡的靠近物方的表面的半徑為76. 91_， 所述第四透鏡的靠近像方的表面的半徑為-28. 71_ ;所述第五透鏡的靠近物方的表面的 半徑為37. 288mm，所述第五透鏡的靠近像方的表面的半徑為-89. 54mm;所述第六透鏡的靠 近物方的表面的半徑為-36. 12_，所述第六透鏡的靠近像方的表面的半徑為42. 17_ ;
[0021] 所述第一透鏡的厚度為1. 5_，所述第二透鏡的厚度為3_，所述第一膠合鏡組與 第二膠合鏡組之間的間隔為9. 89mm;第三透鏡的厚度為2mm，第四透鏡的厚度為6mm，所述 第二膠合鏡組與所述第五透鏡之間的間隔是〇. 5mm;第五透鏡的厚度為6. 5mm，第五透鏡與 第六透鏡之間的間隔是10. 5_ ;第六透鏡的厚度為2. 5_，第六透鏡與孔徑光闌之間的間 隔為10_。
[0022] 第一透鏡的材料為HLAK50A_CDGM，第二透鏡的材料為HFK61_CDGM，第三透鏡的材 料為QF1_CDGM，第四透鏡的材料為HQK3_CDGM，第五透鏡的材料為HK10_CDGM，第六透鏡的 材料為QF1_CDGM。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)勢：
[0024] (1)僅采用一塊棱鏡光學元件實現(xiàn)設計，棱鏡材料可選用普通光學玻璃或光學塑 料，光學系統(tǒng)組成簡單、體積小、重量輕、成本低。
[0025] (2)具有較大的像面尺寸和視場角，光學系統(tǒng)像面尺寸，視場角。
[0026] (3)該棱鏡元件包含三個光學表面，通過入瞳偏心使得光線依次在棱鏡元件三個 表面間的透射、反射、反射、透射，很好的校正了單色像差和復色像差，光學系統(tǒng)成像質量 好，同時具有結構簡單，易于裝配的優(yōu)點。
[0027] (3)系統(tǒng)出瞳距離長，出瞳直徑大，可倒置作為頭盔顯示器使用。
[0028] (4)光學系統(tǒng)出瞳位于棱鏡元件前可作為中繼成像系統(tǒng)使用。
【附圖說明】
[0029] 圖1是中繼成像系統(tǒng)的結構圖；
[0030] 圖2是棱鏡光學系統(tǒng)的結構圖；
[0031] 圖3為棱鏡光學系統(tǒng)的點列圖；
[0032] 圖4是棱鏡光學系統(tǒng)的畸變圖；
[0033] 圖5是棱鏡光學系統(tǒng)作為頭盔顯示器變形使用設計圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0035] 中繼成像系統(tǒng)實施例
[0036] 如圖1所示的中繼成像系統(tǒng)，整體包括兩部分：一部分是望遠光學系統(tǒng)，另一部分 是棱鏡光學系統(tǒng)。
[0037] 對于棱鏡光學系統(tǒng)，該棱鏡光學系統(tǒng)的光學參數(shù)是：入瞳直徑：8_，視場角：24° ; 棱鏡光學系統(tǒng)的工作波段為480nm~644nm;C⑶參數(shù)為：像元尺寸：4. 67μmX4. 67μm，像 元數(shù)量：1024X768。
[0038] 如圖2所不，該棱鏡光學系統(tǒng)的成像部分由一個棱鏡構成，從物方至像方沿光線 傳輸方向依次分布著孔徑光闌1、棱鏡元件2和像面3,其中，棱鏡2包括三個光學表面，如 圖2所示，分別為第一表面a、第二表面b和第三表面c，第一表面a為球面，第二表面b為 自由曲面，第三表面c為衍射面。物方產(chǎn)生的入射光線經(jīng)過孔徑光闌1后，先在第一表面a 透射，光線進入到該棱鏡2中，然后光線依次在第二表面b反射，反射的光線再在第一表面 a上反射，最后由第三表面c透射出該棱鏡2。由第三表面c透射出該棱鏡2后的出射光線 射到像面3上，由CCD像面吸收。為了良好校正單色像差和復色像差，以及保證成像質量， 上述反射的光線再在第一表面a上全反射后，由第三表面c透射出該棱鏡2。
[0039] 自由曲面b滿足下面的表達式：
[0040]
[0041] 其中，z是光學表面矢高；k為圓錐系數(shù)；c為曲率半徑；r為光軸方向的半徑高度， 有r2=X2+y2;A;是zernike多項式系數(shù)；
[0042]
[0043]
[0044] 衍射面3的衍射面位相分布表達式為：
[0045] Φ(t) = 2π(B1t2+B2t4+B3t6. ..),
[0046] 其中，BpB2、B3……為衍射元件的位相系數(shù)，t為徑向坐標。
[0047] 在本實施例中，給出該棱鏡的一組具體的參數(shù)：
[0048] 第一表面a的曲率半徑為-96. 2971mm，第二表面b的曲率半徑為-62. 8811mm，第 三表面C的曲率半徑為-58. 4499mm;孔徑光闌和第一表面a的間隔為20mm，第一表面a和 第二表面b的間隔為13mm，第一表面a和第三表面c的間隔為16mm，第三表面c和像面3 的間隔為14. 856mm。
[0049] 自由曲面b滿足的表達式中，給出一組值：A2= 6.6634e-007,A3= -0· 27571，A4 =2.3526e-004〇
[0050] 衍射面c滿足的表達式中，給出一組值：衍射級次：1，中心波長：546nm，B1 = 2