CN2318644Y - 改进的光学装置的棱镜 - Google Patents

Abstract

诸如望远镜之类的棱镜光学装置,它采用具有反射曲面的改进的棱镜正像系统,该光学装置包括一物镜、一正像系统和一目镜。正像棱镜最好是由光学品质塑料整体形成,它可以是Porro棱镜正像系统或是五边形屋脊棱镜系统。

Description

改进的光学装置的棱镜

本实用新型总的说来涉及光学领域，具体来说，是涉及棱镜光学装置，特别是诸如望远镜、双目望远镜之类的采用棱镜正像系统的光学装置。提供一种新型的、改进的上述装置正是本实用新型的总的目标。

采用正像系统的光学装置在本领域内是众所周知的。一般来说，这种光学装置利用一物镜、一目镜和正像系统一起给观察者呈现出物体的放大了的图像。天文望远镜、陆地望远镜和棱镜双目望远镜仅是这种光学装置的几个实例。由于光线通过物镜时，物镜本身会使图像倒置，因此，在这种光学装置中必须使用正像系统将物镜所成的像反转，即沿与图像平行和正交的方向进行校正。然而，采用正像系统必然会产生不如人意的后果，即，为了给使用者的眼睛呈现一清晰图像，物镜和目镜的焦距之和又多出四倍的正像透镜焦距。这对陆地望远镜来说，将导致叠缩管过长。

为克服这一缺陷，通常所采取的种种方法都是利用全内反射现象来反射所入射的光线，从而使物镜所成的像反转。根据第一种解决办法，正像系统可由一对45°-45°-90°的三棱镜(以下称为“Porro棱镜”)组成，其中，三棱镜的斜边彼此面对，且三棱镜彼此正交放置。这种结构的正像系统称为“Porro棱镜正像系统”。这种Porro棱镜正像系统的不足之处在于，其中所采用的各棱镜以往都是由折射率大于1.5的价格昂贵的冕牌玻璃，通过高成本的三步加工工序，即切块、研磨和抛光而制成。另外，为尽量减少制造成本，往往不能针对入射光线锥的尺寸对棱镜的尺寸和外形进行优化。这会使棱镜上出现无光通过区域，这一区域不但毫无用处，反倒增加了光学装置总体尺寸。

Porro棱镜正像系统的另一个缺陷是，必须将棱镜用机械方法固定在光学装置内，这将不可避免地在两棱镜之间至少形成一个小的间隙。这一间隙将导致在两个斜面处产生光能传输损失(通常是约8％)、光的偏振偏差、色差以及球差。尽管在两棱镜之间覆涂昂贵的光学薄膜可以减小偏振偏差以及光反射损失，但这使成本有所增加。此外，用这种方法不能对色差和球差进行校正。因此，为纠正这一缺陷，必须再另外附加透镜。再者说，即便容许这种间隙的存在，但因为要确保正像系统的Porro棱镜的精确对准，使得成本进一步增加，且加大了光学装置的装配难度。

在上述光学装置中避免叠缩管过长这一缺陷的第二个办法是，用一对五边形屋脊棱镜组成正像系统，这种棱镜又称作Amici棱镜或屋脊形玻璃棱镜。但采用这种正像系统除了有上述不足以外，在制造不规则形状的屋脊棱镜时还要使用昂贵的夹具和其它装置，因而会产生附加费用，而且装配成本会增加。

为避免叠缩管过长这一缺陷，还有一个办法，即将平面反射镜布置成棱镜形式而形成正像系统。和上述其它方法相比，虽然这一解决办法成本略有下降(反射镜制造成本相对较低)，但如果反射镜对得不正，当光线透过正像系统进入目镜时，由此而引入的误差最大可被放大四倍。因而，即使是很小的位置误差也会导致严重的像畸变。

因此，仍然需要一种具有改进的正像系统的光学装置，这种正像系统可降低光能传输损失以及偏振偏差、色差和球差，从而以最少数量的透镜形成高品质的光学装置。

此外，还需要一种具有改进的正像系统的光学装置，这种正像系统在性能提高的同时，降低了材料、零部件制造和装配成本。

另外，还需要一种具有改进的正像系统的光学装置，这种正像系统可在简易性、经济性、精度以及多用性方面达到最佳结合。

因此，本实用新型的一个目的是提供一种具有改进的正像系统的棱镜光学装置，这种正像系统可降低光能传输损失以及偏振偏差、色差和球差，从而以最少数量的透镜形成高品质的光学装置。

本实用新型的另一个目的是提供一种具有改进的正像系统的棱镜光学装置，这种正像系统在性能提高的同时，还降低了材料、零部件制造和装配成本。

本实用新型的再一个目的是提供一种具有改进的正像系统的棱镜光学装置，这种正像系统在简易性、经济性、精度和多用性方面达到最佳结合。

本实用新型还有一个目的是提供一种用于棱镜光学装置的改进的整体正像系统，它集以上几种优点于一身。

在一实施例中，采用改进的正像系统的棱镜光学装置可实现上述诸多目的和优点。这种正像系统采用至少具有一个折射曲面的棱镜和若干全内反射面。所述光学装置可为任何一种公知的光学装置，比如说望远镜、双目望远镜等，包括有物镜、正像系统和目镜。这种光学装置的正像系统最好是由光学品质塑料制成的整体棱镜，它可以是Porro棱镜正像系统或者是五边形屋脊棱镜正像系统。

和现有技术相比，本实用新型装置的一个优点是，棱镜的折射表面的形状有利于对由物镜本身引入的至少某些固有偏差加以补偿。另外，也可将棱镜表面成形，使其至少可以补偿整体塑料棱镜引起的偏差。此外，以这种方式使折射表面成形，不必在该光学装置中使用图像校正透镜。

由于使用了由光学品质塑料制成的独立的整体棱镜，本实用新型装置还具有其它优点。例如，和现有技术的多零部件正像系统相比，通过整体正像系统的光的传输得以改善，这是因为整体棱镜中没有使光能传输产生损耗的零部件接合面。另外，由于形成光学装置所需的零部件数目较少，故制造和装配成本得以最大程度地降低。最后，为配合入射光线锥的最佳形成，将本实用新型的棱镜成形，实质上消除了无光通过区域，从而使光学装置的总体尺寸得以最大程度地减少。

本领域的一般技术人员从对本实用新型的优选实施例的详细描述以及从权利要求书和附图中可清楚地看出本实用新型装置的其它许多优点和特征。

以下参照附图对本实用新型的优选实施例进行描述。附图中，相似的数字标号表示类似的结构。其中：

图1概略示出了一种典型的现有技术的棱镜光学装置；

图2是图1所示的光学装置的光路图；

图3a至3c是图1和图2所示的光学装置的特性曲线；

图4是根据第一实施例的整体正像棱镜的立体图；

图5是图4所示的棱镜的侧视图；

图6是采用图4和图5所示棱镜的本实用新型的光学装置的光路图；

图7a至7c是图5和图6所示的光学装置的特性曲线；

图8和图5类似，为本实用新型的第二优选实施例的整体正像棱镜的侧视图；

图9是采用图8所示棱镜的本实用新型的棱镜光学装置的光路图；

图10a至10c是图8和图9所示的光学装置的特性曲线；

图11至13分别对图2、6和9所示的光学装置的各种不同的性能参数进行了比较。

通过与图1至图3c所示的典型的现有技术的光学装置的对照及描述，可充分理解本实用新型。如图1所示，光线由物镜21沿光轴Lc进入光学装置20，通过Porro棱镜正像系统22后经目镜23沿光轴Lc’从光学装置20出射。采用这种布局，光线进入和离开Porro棱镜时均和折射斜面垂直并在四个较小倾斜面处被全反射。本领域的普通技术人员可容易地看出，图1所示的光学装置20为一具有基本功能的望远镜，将两个这样的装置平行布置可构成一双目望远镜。

图2是图1所示的光学装置的光路图。图1和图2所示的光学装置的一些典型参数值在表1中列出。

图1中，r表示曲率半径，单位是mm；d表示沿光轴A方向的厚度，单位是mm；n表示各光学部件的折射率；v表示制成各光学部件的材料的Abbe数。

图3a至3c示出了图1和图2所示的光学装置的特性曲线。图3a为三种典型波长的球差和色差曲线。在图3a中，x轴单位是归一化的，它表示的是归一化的入瞳坐标，y轴的单位是μm，它表示光线偏差。图3b是三种典型波长的场弯曲和场畸变曲线图，x轴的单位分别为mm和百分比，分别表示的是焦距偏移和光线畸变，y轴单位是归一化的，它表示的是归一化的场坐标。图3c是图1和2所示的光学装置的调制传递函数(MTF)曲线，其中，x轴代表空间频率，单位是周/mm，y轴代表光学传递函数(OTF)的模，单位是归一化的。下面将上述特征曲线和本实用新型作一比较。

下面参照附图4至7c对本实用新型的第一实施例进行描述。图4示出的是本实用新型的整体正像棱镜30的第一实施例的立体图。棱镜30旨在用于一般的棱镜光学装置上，比如望远镜。如图4所示，透过棱镜30的光线首先沿光轴Lc入射在大致呈圆形的折射面32上，经斜面34、35、36和37进行内部全反射后(四次反射，每次均以90°反射)，沿平行于光轴Lc’的方向自棱镜30的大致呈圆形的反射面38出射。尺寸A、B、B’和C最好分别为10.10mm,11.40mm,11.40mm和22.80mm。为截得一半径为5.7mm的光线锥，采用这样的尺寸是最理想的。本领域的技术人员可以理解，为适应于不同结构的物镜和目镜，这些尺寸可根据需要按比例改变。如图5所示，在该实施例中，棱镜30的折射面32和38的曲率半径为无限大，也就是说，折射面32和38为平面。将棱镜30的周缘成形，使得入射光在折射面32和38上的无光通过区域最小。折射面32和38大致为圆形，这样，不必增加光学装置的尺寸，也能使其内的棱镜30在功能上完全满足要求。

图4和图5所示的棱镜30最好由一个完整的光学塑料件制成。为了在棱镜30内实现全内反射，该塑料的折射率至少要为1.42。然而，折射率越高，透过棱镜30的光线向反射面的法向弯曲越严重，从而增大了棱镜30的出射光线锥的尺寸。因为这未必使棱镜30的尺寸变大，因而折射率至少也要为1.42。此外，制成该棱镜30的材料的Abbe数至少要为50，最好是为57.4，以减少色散。

图6示出的是采用图4和图5所示棱镜30的光学装置的光路图。该光学装置包括：一物镜40、正像棱镜30和一目镜42，最好它们都由塑料制成。很自然，它们均容置于一不透光的主体内，并由主体将它们彼此相对固定。

表2给出了图6所示的光学装置的优选参数值。

表2中，r表示曲率半径，单位为mm，d表示沿轴线A测得的厚度，单位为mm，n表示其中各部件的折射率，v表示所选材料的Abbe数，k表示圆锥常数，A为均匀非球面系数。如表2所示，图6所示的光学装置的放大倍率约为8倍，物镜的直径不大于21mm。

图7a至7c为图6所示的光学装置的特性曲线。具体来说，图7a表示的是三种不同波长的球差和色差曲线，其中x轴的单位是归一化的，它表示的是法向入瞳坐标，y轴单位为μm，表示的是光线偏差。图7b示出的是场弯曲和场畸变曲线，x轴的单位分别为mm和百分比，表示归一化的场坐标，y轴的单位是归一化的，表示归一化的场坐标。图7c示出了在不同视场角和不同波长时图6所示的光学装置的调制传递函数，其中x轴表示空间频率，单位为周/mm，y轴表示归一化的光学传递函数的模。通过和图1和2所示的现有技术的光学装置的特性参数(见图3a至3c)的比较容易看出，尽管整体棱镜30比现有技术的光学装置通光性能优越，即光能损失较小，但使用整体塑料棱镜30引入的球差和色差比现有技术中的玻璃棱镜要大。

现在结合图8至10c对本实用新型的第二优选实施例进行描述。图8示出了根据本实用新型的该优选实施例的正像棱镜30’的侧视图。棱镜30’的大致结构和工作原理与第一实施例相同，见图4和5。例如，棱镜30’最好由与第一实施例相同的材料制成。而且，棱镜30’的尺寸和棱镜30最好相同。

和上一实施例的表面32、38不同的是，棱镜30’的折射面32’、38’的曲率半径是有限大的。具体地说，折射面32’最好为一大致呈圆形的曲率半径为4288.4306mm的凹区域，折射面38’最好为一大致呈圆形的曲率半径为94.0455mm的凸区域。折射面32’、38’这样成形的好处是，至少可对上述光学装置中的物镜引入的部分偏差进行补偿。

尽管也可用现有技术中的玻璃棱镜形成这种折射面，但塑料棱镜30’至少在经济方面是可行的。但是，由整体塑料件制成棱镜30’可能会引入大得难以容忍的球差和色差。在对第一实施例和现有技术进行对比时对此已作过说明。因此形成折射面32’和38’的另外的优点是，可以消除使用塑料形成的整体棱镜30’产生的偏差。因此，和现有技术中的玻璃棱镜相比，本实用新型的棱镜30’在通光性能方面有所改善，而球差和色差并没有明显增加，且成本降低。在将在下面更加详细地描述。

和图6相同，图9是采用了图8所示的棱镜30’的光学装置的光路图。该光学装置包括：一物镜40’、正像系统30’和目镜42’。

表3示出了图9所示的光学装置的优选参数值。

图10a至10c为图9所示的光学装置的特性曲线。具体来说，图10a表示的是三种不同波长的球差和色差曲线，其中x轴的单位是归一化的，它表示的是法向入瞳坐标，y轴的单位为μm，表示光线偏差。图10b示出的是场弯曲和场畸变曲线，x轴的单位分别为mm和百分比，表示归一化的场坐标，y轴的单位是归一化的，表示归一化的场坐标。图10c示出的是在不同视场角和不同波长时图9所示的光学装置的调制传递函数，其中x轴表示空间频率，单位为周/mm，y轴表示归一化的光学传递函数的模。通过和图1和2所示的现有技术的光学装置的特性参数(见图3a至3c)的比较容易看出，和前述两种光学装置相比，整体棱镜30’性能较为优越。特别是，整体塑料棱镜30’具有整体棱镜30的光能传输损耗小的特性，同时还具有非整体的Porro棱镜正像系统22的偏差较小的特性。

图11至13以及表4至6对图1、2(采用玻璃棱镜)、图7(采用整体塑料棱镜)和图9(采用整体曲面塑料棱镜)的特性进行了概括。具体来说，图11和表4对不同视场角下的光斑半径(均方根)进行了比较，图12和表5对不同视场角下的MTF平均值进行了比较，图13和表6对不同视场角下的通光量进行了比较。通过比较可以进一步看出整体棱镜30’较前述光学装置的优越之处。

另外还可有其它替代实施例。比如，整体棱镜30或30’可以由一对彼此正交的五边形屋脊棱镜构成，而不是由一对Porro棱镜构成。该优选的光学装置也可采用塑料物镜和塑料目镜，这些部件也可用玻璃制成。本实用新型装置的优点也可通过具有棱镜30’的成形折射面的非整体正像系统来实现。最后，本领域的技术人员可以看出，可对上述各光学装置的尺寸按比例改变，而不会明显地改变光学性能。

尽管以上参考优选实施例对本实用新型进行了说明，但应当明白，本实用新型不仅限于所公开的实施例，它覆盖了权利要求范围内的各种变形和等同结构。

                                                       表1

物镜焦距，fob=82.7 mm
				目镜焦距，foc=10.2 mm
放大倍率，B=7.9倍
				物镜直径，Φ=21 mm
表现视场，2w=7°
				目镜/眼睛点距，EP=11.3 mm
光学装置全长(物点=00),∑d=131.6163 mm
				fob=82.0mm	foc=10.6mm	B=7.7X	Φ=21mm
2w=7°	EP=11.3mm	∑d=131.88901mm
				(物镜21)
r1=46.2910	d1=4.4	n1=1.5163	v1=64.10
				r2=-35.1230	d2=2.1	n2=1.6199	v2=36.30
r3=-153.460	d3=28.833
				r4=00	d4=8.0
(正像棱镜系统22)
				r5=00	d5=19.99	n5=1.5163	v5=64.10
r6=00	d6=0.5
				r7=00	d7=35.72	n5=1.5163	v5=64.10
r8=00	d8=9.296
				(目镜23)
r9=123.59	d9=1.30	n9=1.80608	v9=25.40
				r10=10.3040	d10=6.10	n10=1.5891	v10=61.20
r11=-14.3560	d11=0.45
				r12=13.6140	d12=0.5	n12=1.6568	v12=51.10
r13=-35.6170

                                    表2

物镜焦距，fob=82.7 mm
				目镜焦距，foc=10.2 mm
放大倍率，B=7.9倍
				物镜直径，Φ=21mm
表观视场，2w=7°
				目镜/眼睛点距，EP=11.3 mm
光学装置全长(物点=00),∑d=131.6163 mm
				fob=82.0mm	foc=10.2mm	B=7.7X	Φ=21mm
2w=7°	EP=11.3mm	∑d=131.10991mm
				(物镜40)
r1=49.75	d1=5.0	n1=1.492	v1=57.40
				r2=-32.1303	d2=0.5
r3=-31.2040	d3=2.5	n3=1.590	v3=30.90
				r4=99.9123	d4=28.833
r6=00	d5=16.0
				(正像棱镜30)
r6=00	d6=45.6	n6=1.492	v6=57.40
				r7=00	d7=1.8476
r8=00	d8=6.8956
				(目镜42)
r9=7.1533	d9=4.5001	n9=1.492	v9=57.40
				r10=-12.4266	d10=0.5
r11=-10.3558	d11=3.0	n11=1.567	v11=34.80
				r12=-21.8442	d12=0.5
r13=7.6874	d13=4.1336	n13=1.492	v13=57.40
				r14=8.7806
非球表面
				r4	k=1.2623941
r9	k=1.5347441E+10
				r10	k=0	A4=-3.55633668E-04
r13	k=-1.6862355
				r14	k=-2.0847610E+16

                                     表3

物镜焦距，fob=82.7 mm
				目镜焦距，f0c=10.2 mm
放大倍率，B=7.9
				物镜直径，Φ=21 mm
表观视场，2w=7°
				目镜/眼睛点距，EP=11.3 mm
光学装置全长(物点=00),∑d=131.6163 mm
				(物镜40′)
r1=45.8471	d1=5.0	n1=1.492	v1=57.40
				r2=-30.7459	d2=0.5
r3=-29.6481	d3=2.5	n3=1.590	v3=30.90
				r4=-113.5992	d4=28.833
r5=00	d5=16.0
				(正像棱镜30′)
r6=-4288.4306	d6=45.6	n6=1.492	v6=57.40
				r7=-94.0455	d7=2.5996
r8=00	d8=6.65
				(目镜42′)
r9=7.1533	d9=4.5001	n9=1.492	v9=57.40
				r10=-12.4266	d10=0.5
r11=-10.3558	d11=3.0	n11=1.567	v11=34.80
				r12=-21.8442	d12=0.5
r13=7.6874	d13=4.1336	n13=1.492	v13=57.40
				r14=8.7806
非球表面
				r4	k=7.0894579
r9	k=-1.5347441E+10
				r10	k=0	A4=-3.55633668E-04
r13	k=-1.6862355
				r14	k=-2.0847610E+16

                                      表4不同视场角下光斑的均方根半径(μm)

视场角(度)	0.0	0.7	1.4	2.1	2.8	3.5
							玻璃棱镜	35	30	2l	17	33	61
平面塑料棱镜	25	28	33	35	40	80
							曲面塑料棱镜	20	22	25	28	38	62

                                                 表5

                          分辨率为7 lp/mm时不同视场角下的MTF平均值(％)

视场角(度)	0.0	0.7	1.4	2.1	2.8	3.5
							玻璃棱镜	47	58	79	83	50	30
平面塑料棱镜	6l	56	56	66	66	33
							曲面塑料棱镜	72	7l	71	72	68	35

                                               表6

                                    不同视场角下的通光量(％)

视场角(度)	0.0	0.7	1.4	2.l	2.8	3.5
							玻璃棱镜	57.8	55.4	52.8	51.9	50.7	49.7
平面塑料棱镜	58.9	58.6	56.2	55.0	54.5	51.2
							曲面塑料棱镜	58.9	58.6	56.1	54.9	54.2	51.1

Claims (17)

1、一种用于观察物体的放大图像的棱镜光学装置，它包括：

一通光物镜，用于使成像光线通过该物镜进入所述光学装置，从而使光线会聚于第一光轴上的一焦点处，光线透过所述物镜时形成倒像并产生球差和色差；

一可使光线透射的正像系统，它与所述物镜在光学上相联，用于使所成的像反转，所述正像系统包括至少一个棱镜，棱镜具有第一折射曲面和第二折射曲面，第一折射曲面沿轴向位于第一光轴上，光线经第一折射曲面入射所述棱镜，并经第二折射曲面自所述棱镜沿平行于第一光轴的第二光轴出射，从光线入射至出射经过四次90°反射，所述至少一个棱镜将光线完全内反射，光线通过时所述第一和第二曲面可降低由物镜引入的成像球差和色差；以及

一通光目镜，沿第二光轴设置，它和所述正像系统在光学上相联并可使光线通过，从而使光线会聚于第二光轴上的一预定焦点。

2、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述棱镜为一整体形成的Porro棱镜正像系统。

3、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述棱镜由折射率约为1.42的塑料制成。

4、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第一折射面具有一凹表面。

5、如权利要求4所述的光学装置，其特征在于，所述第二折射面具有一凸表面。

6、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第二折射面具有一凸表面。

7、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述棱镜由Abbe数不小于50的材料制成。

8、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述正像系统包括一整体形成的棱镜，所述棱镜由一对彼此正交布置的屋脊棱镜组成。

9、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，

所述光学装置的放大倍率至少为8倍左右；

自第二折射面出射的光线形成的光线锥的半径小于5.7mm；

所述物镜的直径不大于21mm；以及

所述光学装置的长度约为131mm，全视场角小于7度。

10、如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置是一望远镜。

11、如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，每一折射面上具有一大致呈圆形的区域。

12、一种用在棱镜光学装置上的棱镜正像系统，它接收沿第一光轴射入一物镜的光线，并使此光线向外出射沿与第一光轴大致平行的第二光轴透过一目镜，所述棱镜系统包括：

至少一个棱镜，它具有第一折射曲面和第二折射曲面，来自物镜的光线沿第一光轴通过第一折射曲面并入射所述棱镜，光线沿第二光轴通过第二折射曲面出射所述棱镜并进入目镜，所述第一和第二折射曲面可对光线透过物镜时引入的球差和色差进行补偿，光线通过棱镜时经过四次90°反射而将光线全部内反射。

13、如权利要求12所述的正像系统，其特征在于，所述棱镜由整体形成的Porro棱镜系统组成；所述棱镜由折射率不小于1.42左右、Abbe数不小于50的塑料制成。

14、如权利要求12所述的正像系统，其特征在于，所述第一折射面为一个曲率半径约为4290mm的凹表面，所述第二折射面为一个曲率半径约为94mm的凸表面。

15、如权利要求12所述的正像系统，其特征在于，所述正像系统为一对整体屋脊棱镜。

16、如权利要求12所述的正像系统，其特征在于，

使用所述棱镜系统的光学装置的放大倍率约为8倍；

自所述棱镜系统的第二折射面出射的光线所形成的光线锥半径小于5.7mm；

所述物镜的直径不大于21mm；

所述光学装置的长度约为131mm，全视场角小于7度。

17、如权利要求12所述的正像系统，其特征在于，所述第一折射面为一大致呈圆形的曲率半径约为4290mm的凹区域，第二折射面为一大致呈圆形的曲率半径约为94mm的凸区域。

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