一种棱镜光学系统技术领域
本发明涉及一种棱镜光学系统，具体为一种基于棱镜元件的成像光学系
统。
背景技术
随着小型化光电成像组件与微图像源等的发展与大量运用，用于照相机、
视频记录仪、投影仪等的光学系统也被要求具有较小的体积、重量及较低的成
本。
传统的同轴对称式成像光学系统，光学元件依次分布在光轴上，其压缩空
间体积的能力有限，同时为了消除球差、慧差、像散、畸变、场曲五种单色像
差与轴向色差和垂轴色差两种复色差，不可避免的要采用若干组透镜元件或
数个具备特殊面形的透镜元件来进行像差校正，这直接导致了装配的复
杂性及成本的增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种棱镜光学系统，用以解决传统的同轴对称式成像
光学系统结构复杂的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种棱镜光学系统，包括一个棱镜，
该棱镜包括三个光学表面，分别为第一表面、第二表面和第三表面，所述第一
表面为球面，第二表面为自由曲面，第三表面为衍射面；物方产生的入射光线
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该棱镜。
该棱镜光学系统的光学参数是：入瞳直径：8mm，视场角：24°，工作波
段为480nm～644nm。
所述自由曲面满足下面的表达式：
Z ( x , y ) = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) cr 2 + Σ i = 1 N A i E i ( x , y ) , ]]>
其中，z是光学表面矢高；k为圆锥系数；c为曲率半径；r为光轴方向的
半径高度，有r2＝x2+y2；Ai是zernike多项式系数；
Σ i = 1 N A i E i ( x , y ) = A 1 x 1 y 0 + A 2 x 0 y 1 + A 3 x 2 y 0 + A 4 x 1 y 1 + ... + A N x j - k y k , ]]>
其中， N = 1 2 j ( j + 1 ) + k ; ]]>
所述衍射面的衍射面位相分布表达式为：
φ(t)＝2π(B1t2+B2t4+B3t6...)，
其中，B1、B2、B3……为衍射元件的位相系数，t为径向坐标。
所述棱镜光学系统包括设置在所述入射光线的光路上的孔径光阑，所述入
射光线经过所述孔径光阑后在所述第一表面透射；由所述第三表面透射出该棱
镜后的出射光线射到一个像面上。
所述第一表面的曲率半径为-96.2971mm，所述第二表面的曲率半径为
-62.8811mm，所述第三表面的曲率半径为-58.4499mm；所述孔径光阑和第一表
面的间隔为20mm，所述第一表面和第二表面的间隔为13mm，所述第一表面
和第三表面的间隔为16mm，所述第三表面和所述像面的间隔为14.856mm。
所述自由曲面中，A2＝6.6634e-007，A3＝-0.27571，A4＝2.3526e-004；所述
衍射面中，衍射级次：1，中心波长：546nm，B1＝2.0949e-005，B2＝-5.2945e-007。
所述孔径光阑的偏心类型：Decenter&Return，偏心量：y＝-5mm；所述第
一表面的偏心类型：Decenter&Return，偏心量：alf＝10°；所述第二表面的偏
心类型：Decenter&Return，偏心量：alf＝25°；所述第三表面的偏心类型：
Basic，偏心量：alf＝38.7°；所述像面的偏心类型：Decenter&Return，偏心量：
alf＝-2.17°，y＝6.46mm。
在所述物方与所述孔径光阑之间的光路上设置有一个望远光学系统，该望
远光学系统与所述棱镜光学系统组成一个中继成像系统；所述望远光学系统包
括沿光路依次设置的第一胶合镜组、第二胶合镜组、第五透镜和第六透镜，所
述第一胶合镜组由依次设置的第一透镜和第二透镜胶合构成，所述第二胶合镜
组由依次设置的第三透镜和第四透镜胶合构成。
所述第一透镜的靠近物方的表面的半径为-32.51mm，所述第一透镜的靠近
像方的表面的半径为19.72mm；第二透镜的靠近物方的表面的半径为
19.72mm，第二透镜的靠近像方的表面的半径为131.1mm；第三透镜的靠近物
方的表面的半径为86.9mm，所述第三透镜的靠近像方的表面的半径为
76.91mm；所述第四透镜的靠近物方的表面的半径为76.91mm，所述第四透镜
的靠近像方的表面的半径为-28.71mm；所述第五透镜的靠近物方的表面的半径
为37.288mm，所述第五透镜的靠近像方的表面的半径为-89.54mm；所述第六
透镜的靠近物方的表面的半径为-36.12mm，所述第六透镜的靠近像方的表面的
半径为42.17mm；
所述第一透镜的厚度为1.5mm，所述第二透镜的厚度为3mm，所述第一
胶合镜组与第二胶合镜组之间的间隔为9.89mm；第三透镜的厚度为2mm，第
四透镜的厚度为6mm，所述第二胶合镜组与所述第五透镜之间的间隔是
0.5mm；第五透镜的厚度为6.5mm，第五透镜与第六透镜之间的间隔是10.5mm；
第六透镜的厚度为2.5mm，第六透镜与孔径光阑之间的间隔为10mm。
第一透镜的材料为HLAK50A_CDGM，第二透镜的材料为HFK61_CDGM，
第三透镜的材料为QF1_CDGM，第四透镜的材料为HQK3_CDGM，第五透镜
的材料为HK10_CDGM，第六透镜的材料为QF1_CDGM。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
(1)仅采用一块棱镜光学元件实现设计，棱镜材料可选用普通光学玻璃
或光学塑料，光学系统组成简单、体积小、重量轻、成本低。
(2)具有较大的像面尺寸和视场角，光学系统像面尺寸，视场角。
(3)该棱镜元件包含三个光学表面，通过入瞳偏心使得光线依次在棱镜
元件三个表面间的透射、反射、反射、透射，很好的校正了单色像差和复色像
差，光学系统成像质量好，同时具有结构简单，易于装配的优点。
(3)系统出瞳距离长，出瞳直径大，可倒置作为头盔显示器使用。
(4)光学系统出瞳位于棱镜元件前可作为中继成像系统使用。
附图说明
图1是中继成像系统的结构图；
图2是棱镜光学系统的结构图；
图3为棱镜光学系统的点列图；
图4是棱镜光学系统的畸变图；
图5是棱镜光学系统作为头盔显示器变形使用设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
中继成像系统实施例
如图1所示的中继成像系统，整体包括两部分：一部分是望远光学系统，
另一部分是棱镜光学系统。
对于棱镜光学系统，该棱镜光学系统的光学参数是：入瞳直径：8mm，视
场角：24°；棱镜光学系统的工作波段为480nm～644nm；CCD参数为：像元
尺寸：4.67μm×4.67μm，像元数量：1024×768。
如图2所示，该棱镜光学系统的成像部分由一个棱镜构成，从物方至像方
沿光线传输方向依次分布着孔径光阑1、棱镜元件2和像面3，其中，棱镜2
包括三个光学表面，如图2所示，分别为第一表面a、第二表面b和第三表面
c，第一表面a为球面，第二表面b为自由曲面，第三表面c为衍射面。物方
产生的入射光线经过孔径光阑1后，先在第一表面a透射，光线进入到该棱镜
2中，然后光线依次在第二表面b反射，反射的光线再在第一表面a上反射，
最后由第三表面c透射出该棱镜2。由第三表面c透射出该棱镜2后的出射光
线射到像面3上，由CCD像面吸收。为了良好校正单色像差和复色像差，以
及保证成像质量，上述反射的光线再在第一表面a上全反射后，由第三表面c
透射出该棱镜2。
自由曲面b满足下面的表达式：
Z ( x , y ) = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) cr 2 + Σ i = 1 N A i E i ( x , y ) , ]]>
其中，z是光学表面矢高；k为圆锥系数；c为曲率半径；r为光轴方向的
半径高度，有r2＝x2+y2；Ai是zernike多项式系数；
Σ i = 1 N A i E i ( x , y ) = A 1 x 1 y 0 + A 2 x 0 y 1 + A 3 x 2 y 0 + A 4 x 1 y 1 + ... + A N x j - k y k , ]]>
其中， N = 1 2 j ( j + 1 ) + k . ]]>
衍射面3的衍射面位相分布表达式为：
φ(t)＝2π(B1t2+B2t4+B3t6...)，
其中，B1、B2、B3……为衍射元件的位相系数，t为径向坐标。
在本实施例中，给出该棱镜的一组具体的参数：
第一表面a的曲率半径为-96.2971mm，第二表面b的曲率半径为
-62.8811mm，第三表面c的曲率半径为-58.4499mm；孔径光阑和第一表面a的
间隔为20mm，第一表面a和第二表面b的间隔为13mm，第一表面a和第三
表面c的间隔为16mm，第三表面c和像面3的间隔为14.856mm。
自由曲面b满足的表达式中，给出一组值：A2＝6.6634e-007，A3＝-0.27571，
A4＝2.3526e-004。
衍射面c满足的表达式中，给出一组值：衍射级次：1，中心波长：546nm，
B1＝2.0949e-005，B2＝-5.2945e-007。
孔径光阑1的偏心类型：Decenter&Return，偏心量：y＝-5mm；第一表面
a的偏心类型：Decenter&Return，偏心量：alf＝10°；第二表面b的偏心类型：
Decenter&Return，偏心量：alf＝25°；第三表面c的偏心类型：Basic，偏心
量：alf＝38.7°；像面3的偏心类型：Decenter&Return，偏心量：alf＝-2.17°，
y＝6.46mm。
另外，该棱镜2的材料为K9。
表1给出了该棱镜光学系统的具体的参数。
表1
如图3和图4所示，图2为棱镜光学系统的点列图，图4是棱镜光学系统
的畸变图。
如图1所示，望远光学系统设置在物方与孔径光阑1之间的光路上，该望
远光学系统包括沿光路依次设置的第一胶合镜组、第二胶合镜组、透镜8和透
镜9，第一胶合镜组由依次设置的透镜4和透镜5胶合构成，第二胶合镜组由
依次设置的透镜6和透镜7胶合构成。
在本实施例中，沿着光线传播的方向看，各个透镜的第一面为靠近物方的
表面，第二面为靠近像方的表面，那么，透镜4的第一面的半径为-32.51mm，
透镜4的第二面的半径为19.72mm；透镜5的第一面的半径为19.72mm，透镜
5的第二面的半径为131.1mm；透镜6的第一面的半径为86.9mm，透镜6的
第二面的半径为76.91mm；透镜7的第一面的半径为76.91mm，透镜7的第二
面的半径为-28.71mm；透镜8的第一面的半径为37.288mm，透镜8的第二面
的半径为-89.54mm；透镜9的第一面的半径为-36.12mm，透镜9的第一面的半
径为42.17mm。
透镜4的材料为HLAK50A_CDGM，透镜5的材料为HFK61_CDGM，透
镜6的材料为QF1_CDGM，透镜7的材料为HQK3_CDGM，透镜8的材料为
HK10_CDGM，透镜9的材料为QF1_CDGM。
透镜4的厚度为1.5mm，透镜5的厚度为3mm，第一胶合镜组与第二胶
合镜组之间的间隔为9.89mm；透镜6的厚度为2mm，透镜7的厚度为6mm，
第二胶合镜组与透镜7之间的间隔是0.5mm；透镜8的厚度为6.5mm，透镜8
与透镜9之间的间隔是10.5mm；透镜9的厚度为2.5mm，透镜9与孔径光阑
1之间的间隔为10mm。
表2给出了该望远光学系统的具体的参数。
表2
棱镜光学系统实施例
该实施例中，棱镜光学系统只有棱镜、孔径光阑和像面，不包括上述望远
光学系统，由于在上述实施例中，该棱镜光学系统也作出描述，这里不做赘述。
另外，该棱镜光学系统可变形使用作为头盔显示器，在原始光路CCD像
面处放置微图像源，微图像源发出的图像经棱镜光学元件显示在孔径光阑处被
人眼接收，如图5所示。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发
明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的
教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱
离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍
落入本发明的保护范围内。