ОКУЛЯР С ВЫНЕСЕННЫМ ЗРАЧКОМ
EYEPIECE WITH PINHOLE PUPIL

Предлагаемое изобретение относится к области оптических приборов и может быть использовано в оптических прицелах для различных видов стрелкового оружия, а также в наблюдательных перископических приборах, использующихся для вождения тяжелой военной техники.
Известен окуляр с вынесенным зрачком, содержащий пять линз, объединенных в три оптических компонента, из которых первые два компонента со стороны плоскости изображения выполнены в виде положительных склеенных линз, а глазной компонент - в виде двояковыпуклой линзы [1].
Недостатком этой схемы окуляра является относительно небольшой вынос зрачка (менее фокусного расстояния от последней поверхности глазной линзы) и недостаточное качество изображения крайних зон поля зрения.
Прототипом предлагаемого изобретения является схема окуляра с вынесенным зрачком, содержащая пять линз, объединенных в три оптических компонента, из которых первые два компонента со стороны плоскости изображения выполнены в виде положительных склеенных линз, а глазной компонент - в виде положительной менисковой линзы, обернутой вогнутостью к глазу наблюдателя [2].
Наиболее близкое техническое решение имеет следующие недостатки. Телецентричность хода лучей в пространстве изображения не обеспечена, что приводит к необходимости использования в приборах, снабженных таким окуляром, дополнительной согласующей оптики. Качество изображения краевых зон поля зрения недостаточное, а относительная дисторсия на угловом поле ±16,5° достигает 12,6%.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение телецентрического хода лучей в пространстве изображения (где может находиться измерительная сетка прибора) и улучшение качества изображения краевых зон поля зрения, в частности, уменьшение относительной дисторсии изображения. При этом положение выходного зрачка окуляра должно быть не менее 1,67 фокусного расстояния от последней поверхности глазной линзы, а угловое поле в пространстве выходного зрачка не менее ±16,5°.
Поставленная задача решается тем, что в схеме окуляра с вынесенным зрачком, содержащей пять линз, объединенных в три оптических компонента, из которых первые два компонента со стороны плоскости изображения выполнены в виде склеенных линз, а глазной компонент - в виде положительной менисковой линзы, обернутой вогнутостью к глазу наблюдателя, передняя склеенная линза имеет отрицательную оптическую силу и ее склеиваемая поверхность обернута вогнутостью к изображению, а выпуклая поверхность глазной линзы имеет форму параболоида.
Отрицательная оптическая сила передней склеенной линзы обеспечивает телецентричность хода лучей в пространстве изображения окуляра при сохранении заданного выноса выходного зрачка от последней поверхности глазной линзы, а ориентировка склеиваемой поверхности вогнутостью к изображению способствует улучшению качества изображения на краях поля зрения.
Придание выпуклой поверхности глазной линзы формы параболоида способствует исправлению относительной дисторсии изображения.
Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения. Окуляр с вынесенным зрачком с заявляемой совокупностью существенных признаков в известных источниках информации также не обнаружен.
Предложенное изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - оптическая схема окуляра с вынесенным выходным зрачком.
Фиг. 2 - графики остаточных осевых аберраций окуляра:
а) продольные;
б) поперечные:
в) волновые;
г) отступление от закона синусов.
Фиг. 3 - графики полевых аберраций:
а) дисторсия;
б) ход астигматических фокальных поверхностей в меридиональном сечении.
Фиг. 4 - графики угловых аберраций по полю зрения:
левый ряд - в меридиональной плоскости;
правый ряд - в сагиттальной плоскости.
На фиг. 1 изображена предлагаемая оптическая схема окуляра с вынесенным выходным зрачком.
Схема содержат пять линз, объединенных в три оптических компонента 1, 2, 3, из которых первые два компонента со стороны плоскости изображения 1 и 2 выполнены в виде склеенных линз, а глазной компонент 3 - в виде положительной менисковой линзы, обернутой вогнутостью к глазу наблюдателя. Передняя склеенная линза компонента 1 имеет отрицательную оптическую силу, и ее склеиваемая поверхность обернута вогнутостью к изображению, а выпуклая поверхность глазной линзы 3 имеет форму параболоида.
Устройство работает следующим образом. Телецентрические пучки лучей света, идущие от плоскости изображения, сформированные предшествующей оптической системой, рассеиваются отрицательной склеенной линзой компонента 1, фокусируются положительной склеенной линзой компонента 2 в переднюю фокальную плоскость положительной менисковой линзы 3, после которой идут параллельным пучком лучей и собираются в плоскости выходного зрачка окуляра, находящейся на расстоянии 1,67f′ от последней вогнутой поверхности глазной линзы 3.
Обоснуем возможность достижения в предложенной схеме заявленных технических характеристик.
Причиной невозможности сформировать телецентрический пучок лучей в прототипе окуляра с вынесенным зрачком является положительная оптическая сила переднего склеенного компонента. Чтобы заявленное свойство окуляра, необходимое для работы с оптическими приборами видимого диапазона спектра, стало возможным без применения дополнительной согласующей оптики при заданном выносе выходного зрачка, нужно придать переднему склеенному компоненту окуляра отрицательную оптическую силу. При этом происходит частичная компенсация дисторсии изображения. Однако полную компенсацию дисторсии, которая представляет серьезную помеху в оптических прицелах и приборах вождения, можно обеспечить только при условии применения асферических поверхностей, в частности, приданием выпуклой поверхности глазной линзы формы параболоида.
Качество изображения краевых зон углового поля в окуляре зависит также от ориентировки склеиваемых поверхностей компонентов 1 и 2. В частности, ориентировка стекол передней линзы компонента 1 по типу «крон впереди» приводит к ориентировке всех ее поверхностей вогнутостью к плоскости изображения. Это, в свою очередь, уменьшает углы падения лучей света на оптических поверхностях линзы, особенно на краю поля зрения, что приводит к уменьшению остаточных аберраций высшего порядка на краях поля зрения предлагаемого окуляра с вынесенным зрачком.
В качестве конкретного примера, подтверждающего обоснованность связи рассмотренных отличительных признаков с достижением заявленных технических характеристик, рассмотрим оптическую схему предлагаемого окуляра с вынесенным зрачком и фокусным расстоянием f′=30 мм, заданную параметрами (1),
r - радиусы оптических поверхностей;
d - толщины линз и воздушных промежутков;
D - полные диаметры линз.
y,z
Выходной зрачок схемы имеет диаметр 5 мм. Угловое поле в пространстве выходного зрачка ω=±16,5°. Отрицательные линзы схемы выполнены из стекла ТФ4, а положительные - из стекла СТК19 (ГОСТ3514-94).
В таблице 1 приведены кардинальные элементы компонент окуляра, где:
Nпов. - номер поверхности линз окуляра со стороны плоскости изображения;
N=1 - поверхность плоскости изображения;
N=10 - поверхность плоскости выходного зрачка;
F′ - фокусное расстояние компонента и самого окуляра в последовательности, заданной сноской конструктивных элементов (1) и схемой фиг. 1;
Sf и S′f′ - передний и задний главные отрезки компонентов, указанные для линии спектра 546,07 нм (линия е, соответствующая максимуму чувствительности глаза для дневного зрения).
Из данных таблицы 1 видно, что передний компонент окуляра Nпов. 2-4 обладает отрицательной оптической силой (фокусное расстояние отрицательное). Кроме того, анализ конструктивных данных (1) свидетельствует о том, что все поверхности переднего компонента окуляра Nпов. 2-4, в том числе и поверхность склейки, обернуты вогнутостью к плоскости изображения, а выпуклая поверхность глазной линзы под номером 8 имеет форму параболоида. Рассмотрим, к чему приводит данная совокупность отличительных признаков.
На фиг. 2 изображены графики остаточных осевых аберраций окуляра.
Графики построены в обратном ходе параллельного пучка лучей со стороны выходного зрачка для трех линий видимого спектра, соответствующих длинам волн е (546,07 нм), F (486,1 нм) и С (656,3 нм). По оси абсцисс отложены значения координаты m на выходном зрачке. По оси ординат на графике фиг. 2а отложены значения продольной сферической аберрации ΔS′ в мм, на графике фиг. 2б отложены значения поперечной сферической аберрации dY′ мм, на графике фиг. 2в отложены значения волновой сферической аберрации W, выраженной в долях длины волны своего цвета, на графике фиг. 2г отложено отступление от закона синусов Eta, %, характеризующее исправление комы окуляра [3].
Из графиков остаточных осевых аберраций окуляра фиг. 2 следует, что остаточная сферическая аберрация на оси окуляра достаточно хорошо исправлена и при полном диаметре зрачка глаза 5 мм не превышает величины 0,4λ. При оптимальном выборе положения плоскости изображения волновая аберрация окуляра может быть еще в несколько раз уменьшена, чего с избытком хватит для обеспечения отличного качества изображения на оси окуляра. Отступление от закона синусов сравнительно небольшое и в указанном диапазоне длин волн не превышает - 0,25%.
На фиг. 3 изображены графики остаточных полевых аберраций окуляра, построенные для обратного хода лучей со стороны выходного зрачка в линии спектра е (546,07 нм).
y
По оси абсцисс отложены значения полевого угла ω в области выходного зрачка, выраженные в градусах. По оси ординат на графике фиг. 3а отложены значения относительной дисторсии D, выраженные в %. По оси ординат на графике фиг. 3б дан ход астигматических фокальных поверхностей окуляра ; в меридиональном сечении схемы, выраженный в мм. Штриховой линией обозначен ход фокальной поверхности для сагиттальных лучей, а сплошной - для меридиональных лучей.
Из графиков фиг. 3 видно, что относительная дисторсия такой схемы очень хорошо исправлена. Остаточная дисторсия по всему полю окуляра 33° не превышает величины ±0,38%. Астигматизм и кривизна поля схемы также хорошо исправлены и для выбранного положения плоскости изображения от первой поверхности 7,75 мм не превышают в линейной мере 0,22 мм. Из графиков фиг. 3 видно, что достигнут хороший результат исправления полевых аберраций изображения.
Вычисление хроматизма увеличения по формуле (2):
y
где у′ - координаты лучей, соответствующих индексам линий спектра на плоскости изображения, для ряда углов поля ω в обратном ходе лучей со стороны выходного зрачка, представленные в таблице 2. Данные таблицы 2 свидетельствует о том, что эта наиболее значимая аберрация окуляра относительно мала и по всему угловому полю не превышает величины 0,12%.
Для окончательной характеристики качества изображения предлагаемого окуляра с вынесенным зрачком были сформированы телецентрические пучки лучей, идущие со стороны плоскости изображения (фиг. 1), и построены графики (фиг. 4) угловых аберраций по линейному полю зрения окуляра как в меридиональном, так и в сагиттальном сечении пучка лучей.
y
z
y,z
max
y
Левый ряд графиков соответствует меридиональному сечению пучка лучей. По оси абсцисс отложены тангенсы угла входящего луча в меридиональной плоскости tgσ. Правый ряд графиков соответствует сагиттальному сечению пучка лучей. По оси абсцисс отложены тангенсы угла входящего луча в сагиттальной плоскости tgσ. По оси ординат на всех графиках отложены угловые аберрации ; , соответствующие тангенсам входящих лучей tgσ, выраженные в угловых минутах. Величина tgσ=0,083 соответствует половине относительного отверстия 1:6 пучка лучей, на которое рассчитан окуляр. Графики построены для трех линий спектра e, C, F. Кривые сагиттального сечения выделены штриховой линией. Над каждым рядом графиков указаны линейные координаты y мм точки поля изображения, соответствующие углу поля в области выходного зрачка ω=0°, 8,25° и 16,5°.
Графики фиг. 4 характеризуют совокупное (от всех аберраций) качество изображения отдельной точки поля зрения предлагаемого окуляра, выраженное в угловых минутах в области зрачка глаза наблюдателя.
Известно, что средний наблюдатель в области зрачков глаза диаметром 4-5 мм вблизи зоны наилучшего видения обладает угловой разрешающей способностью глаза около 3,3′-3,7′ [4]. Из графиков фиг. 4 следует, что на оси угловые аберрации схемы при полном относительном отверстии во всем видимом диапазоне спектра укладываются в величину около 1′, что удовлетворяет самым жестким требования к качеству изображения. На середине углового поля окуляра качество изображения ухудшается до 6′ и для края поля - до 7′. Для зрачка глаза диаметром 5 мм это можно считать вполне приемлемым результатом, особенно если учесть, что на угловом поле зрения 33° глаз обладает значительно более низкой разрешающей способностью, чем в центре поля, и такое поле нужно лишь для ориентировки в пространстве. Если рассматривать работу глаза с меньшим диаметром зрачка (в условиях повышенной освещенности дневных наблюдений), например 2,5 мм, то значения угловых аберраций для середины и края поля будут соответственно: 4′ и 3,5′. В прототипе предлагаемого окуляра угловые аберрации в центре поля для указанного диапазона длин волн в 1,4 раза больше, чем в предлагаемой схеме. На угловом поле ±16,5° относительная дисторсия составляет 12,6%, а угловые аберрации в меридиональном сечении пучка лучей для нижней отрицательной зоны зрачка в 4 раза больше, чем в предлагаемой схеме. В области положительных координат зрачка, начиная с зоны диаметром примерно 1 мм, происходит обрезание пучков лучей за счет явления полного внутреннего отражения на переднем компоненте схемы. В таких обстоятельствах судить о качестве изображения краев поля зрения в схеме окуляра-прототипа можно только условно.
Таким образом, можно считать обоснованным, что предлагаемая схема окуляра с телецентрическим ходом лучей в плоскости изображения за счет исправления дисторсии и уменьшения угловых аберраций как в центре, так и на краю поля зрения, обеспечивает значительно лучшее качество изображения предметов по отношению к схеме окуляра-прототипа.
Это обеспечивается благодаря наличию новой совокупности отличительных признаков:
1. Передняя склеенная линза имеет отрицательную оптическую силу;
2. Склеиваемая поверхность передней линзы обернута вогнутостью к изображению;
3. Выпуклая поверхность глазной линзы имеет форму параболоида.
Таким образом, предлагаемая схема окуляра при одинаковом числе линз, габаритах и выносе выходного зрачка позволяет создать телецентрический ход лучей в пространстве изображения и обеспечивает лучшее качество изображения предметов по отношению к схеме окуляра-прототипа. Это дает возможность применять ее в приборах дневного видения без согласующей оптики вкупе с прицельной сеткой, установленной в телецентрическом ходе лучей в плоскости изображения.
Наилучшая область применения предлагаемой оптической схемы окуляра - использование ее в оптических прицелах для различных видов стрелкового оружия, а также в наблюдательных перископических приборах, использующихся для вождения тяжелой военной техники. То есть там, где необходимы большой вынос выходного зрачка, высокое качество изображения предметов и наличие прицельной сетки, установленной в телецентрическом пучке лучей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Фотографические, проекционные и фотоэлектрические системы. Методы аберрационного расчета оптических систем. М.: Машиностроение, 1966. с. 426.
2. Точприбор. «Оптические и оптико-электронные приборы, системы прицеливания, раз ведки и наблюдения для сухопутных войск» / под ред. В.В. Малинина. Новосибирск «Наука». 2011. Том. 1. с. 317.
3. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем: 2-е изд., доп.и перераб. М.: Машиностроение, 1969, с. 112-127.
4. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика: 2-е изд. / Под ред. Н.Н. Михельсона. Л.: Наука, 1979. с. 160.