Оптический прицел с переменным увеличением (варианты)
OPTICAL SIGHT WITH VARIABLE ENLARGEMENT (VERSIONS)

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к оптическим прицелам, и может быть использовано, например, в снайперских, охотничьих, спортивных оптических прицелах с переменным увеличением последнего поколения, в которых при вводе углов прицеливания, выверки, поправок вершина прицельного знака (центра прицельного перекрестия) остается в центре поля зрения окуляра.
Известен оптический прицел с переменным увеличением [1], состоящий из трехкомпонентного объектива, первый положительный компонент которого содержит первую положительную, вторую отрицательную и третью положительную линзы, второй компонент является отрицательным, третий компонент выполнен в виде положительной линзы, плоскопараллельной пластинки с прицельной маркой и шкалами, оборачивающей системы, включающей два склеенных компонента, дифференцированно перемещающихся вдоль оптической оси оборачивающей системы, и отрицательную линзу, полевой диафрагмы и трехкомпонентного окуляра, включающего положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости полевой диафрагмы, двухлинзовый скленный компонент и последнюю по ходу лучей от объекта двояковыпуклую положительную линзу, при этом плоскопараллельная пластинка с прицельной маркой и шкалами и оборачивающая система выполнены совместно качающимися вокруг точки, совмещенной с осевой точкой плоскости второго действительного изображения, и при этом выполняются следующие соотношения:
об
где ƒ' - эквивалентное фокусное расстояние объектива;
L - расстояние вдоль оптической оси между первой и второй плоскостями действительных изображений (длина оборачивающей системы);
β - угол качания оборачивающей системы;
α - угол изменения направления визирной оси.
ок
ƒ' - фокусное расстояние окуляра;
'
P'
s - удаление выходного зрачка прицела от последней поверхности окуляра;
L - длина оборачивающей системы.
Второй компонент объектива выполнен склеенным из двух линз и имеет форму мениска, обращенного вогнутой поверхностью в первому положительному компоненту объектива. Третий компонент объектива имеет форму плосковыпуклой линзы. Каждый из двух компонентов оборачивающей системы содержит двухлинзовый склеенный компонент и одиночную линзу. В примере конкретного исполнения приводится пример устройства, обеспечивающего получение качественного изображения и стабильного удаления выходного зрачка 95 мм при переменном увеличении от 5 до 25 крат и соответственно угловом поле от 4,2 до 0,87 градусов, диаметре объектива 56 мм. Длина оптической системы 405 мм, при этом длина панкратической оборачивающей 170 мм. Масса оптических деталей 385 г. Количество линз - 17, количество компонентов - 14 (здесь под количеством компонентов понимается общее число одиночных линз, склеек плюс сетка).
Вышеописанный оптический прицел с переменным увеличением принят за наиболее близкий аналог для каждого из вариантов заявляемых устройств.
Недостатком наиболее близкого аналога является сложное устройство оптической схемы, обуславливающее высокую трудоемкость сборки и юстировки, прежде всего из-за сложности конструкции подвижных компонентов оборачивающей системы. Кроме того, наличие большого количества поверхностей в оптической схеме снижает коэффициент пропускания системы в целом или требует применения высококачественных просветляющих покрытий для достижения высокого коэффициента пропускания.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые устройства, является создание линейки оптических прицелов с 5-кратным перепадом увеличений и различными значениями наибольшего и наименьшего увеличений, с удалением выходного зрачка не менее 90 мм, с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в упрощении конструкции оптической системы прицела, и, как результат, - в повышении технологичности его изготовления (упрощении сборки и юстировки за счет более простого выполнения подвижных компонентов оборачивающей системы) и в повышении коэффициента пропускания.
Заявляются два варианта устройства оптического прицела с переменным увеличением (варианты), образующих единый изобретательский замысел как по решаемой задаче, так и по достигаемому техническому результату и составляющих группу изобретений.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в первом варианте устройства прицела с переменным увеличением, второй компонент объектива выполнен в виде двояковогнутой линзы, третий компонент объектива - в виде двояковыпуклой линзы, оборачивающая система не содержит линз и компонентов, кроме двух склеенных компонентов, дифференцированно перемещающихся вдоль оптической оси оборачивающей системы, и отрицательной линзы, в трехкомпонентном окуляре двухлинзовый скленный компонент расположен по ходу лучей от объектов перед положительным мениском, при этом имеют место следующие соотношения:
2к.об
3к.об
об
где ϕ; ϕ; ϕ - оптические силы двояковогнутой, двояковыпуклой линз объектива и всего объектива соответственно.
В частном случае исполнения отрицательная линза оборачивающей системы выполнена двояковогнутой.
В частном случае исполнения положительная линза объектива имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива.
В частном случае исполнения двояковогнутая линза объектива имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива.
В частном случае исполнения двояковогнутая и двояковыпуклая линзы объектива выполнены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси объектива.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что во втором варианте устройства прицела с переменным увеличением,
второй компонент объектива выполнен в виде двояковогнутой линзы, третий компонент объектива - в виде двояковыпуклой линзы, оборачивающая система не содержат линз и компонентов, кроме двух склеенных компонентов, дифференцированно перемещающихся вдоль оптической оси оборачивающей системы, и отрицательной линзы, окуляр не содержит линз и компонентов, кроме положительных двухлинзового скленного компонента и одиночной линзы, при этом оптическая сила одиночной линзы окуляра превышает по величине оптическую силу двухлинзового склеенного компонента окуляра и имеют место следующие соотношения:
2к.об
3к.об
об
где ϕ; ϕ; ϕ - оптические силы двояковогнутой, двояковыпуклой линз объектива и всего объектива соответственно;
L - длина оборачивающей системы;
об
ƒ' - фокусное расстояние объектива.
В частном случае исполнения отрицательная линза оборачивающей системы выполнена двояковогнутой.
В частном случае исполнения отрицательная линза оборачивающей системы выполнена плосковогнутой.
В частном случае исполнения в окуляре двухлинзовый скленный компонент расположен по ходу лучей от объектов перед одиночной линзой.
В частном случае исполнения в окуляре одиночная линза расположена по ходу лучей от объектов перед двухлинзовым скленным компонентом.
В частном случае исполнения одиночная линза окуляра выполнена выпуклоплоской.
В частном случае исполнения одиночная линза окуляра выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к полевой диафрагме.
В частном случае исполнения положительная линза объектива имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива.
В частном случае исполнения двояковогнутая линза объектива имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива.
В частном случае исполнения двояковогнутая и двояковыпуклая линзы объектива выполнены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси объектива.
В каждом из вариантов предлагаемые признаки являются существенными, так как они влияют на получение технического результата и находятся с ним в причинно-следственной связи, а именно:
Выполнение любого из вариантов устройства оптического прицела с переменным увеличением в соответствии с приведенным выше описанием позволяет упростить конструкцию оптического прицела прежде всего путем уменьшения в любом из вариантов количества одиночных линз и склеенных компонентов по сравнению с наиболее близким аналогом. В первом варианте устройства: количество линз - 14, количество компонентов - 12 (общее число одиночных линз, склеек плюс сетка). Во втором варианте устройства: количество линз - 13, количество компонентов - 11.
В результате достигается упрощение сборки и юстировки, обеспечивается выполнение дифференцированно перемещаемых компонентов оборачивающей системы с меньшими погрешностями фокусных расстояний и фокальных отрезков, что упрощает юстировку системы панкратической смены увеличения, что повышает технологичность изделия в целом. Кроме того, уменьшение преломляющих поверхностей при сохранении просветляющих покрытий, подобных наиболее близкому аналогу, позволяет повысить коэффициент пропускания оптического прицела.
Соблюдение заявленных соотношений между параметрами оптического прицела одновременно при вышеописанном устройстве оптических схем позволяет сохранить в каждом из заявляемых вариантов 5-кратный перепад увеличений, обеспечить удаление выходного зрачка не менее 90 мм и его стабильное положение при смене увеличения, сохранить высокое качество изображения во всем диапазоне увеличений, обеспечить положение центра перекрестия (вершины прицельного угольника) в центре поля зрения окуляра при вводе поправок и углов, сохранить без изменения величину цены делений шкал при смене увеличения, обеспечить возможность отстройки от параллакса и фокусировки на конечное расстояние до объектов, т.е. обеспечить высокие технические и эксплуатационные показатели, предъявляемые к оптическим прицелам с панкратической сменой увеличения последнего поколения.
Указанная совокупность признаков позволяет получить необходимое и достаточное количество параметров для решения поставленной задачи и достижения технического результата в каждом из вариантов устройства.
Описание предлагаемого устройства оптического прицела с переменным увеличением по первому варианту иллюстрируется фиг. 1. Оптическая система прицела состоит из расположенных по ходу лучей объектива 1, плоскопараллельной пластинки 2 с прицельной маркой и шкалами, оборачивающей системы 3, полевой диафрагмы 4 и окуляра 5. Объектив 1 является трехкомпонентым и состоит из первого положительного компонента 6, второго отрицательного компонента 7, выполненного в виде двояковогнутой линзы и третьей двояковыпуклой линзы 8. Первый положительный компонент объектива содержит первую положительную линзу 9, вторую отрицательную линзу 10 и третью положительную линзу 11. Оборачивающая система 3 содержит два двухлинзовых скленных компонента 12 и 13, дифференцированно перемещающихся вдоль оптической оси оборачивающей системы, и отрицательную линзу 14. При этом плоскопараллельная пластинка 2 прицельной маркой и шкалами и оборачивающая система 3 выполнены совместно качающимися вокруг точки, совмещенной с осевой точкой плоскости второго действительного изображения (центра полевой диафрагмы 4). Трех-компонентный окуляр 5 состоит из расположенных по ходу лучей двухлинзового склеенного компонента 15, положительного мениска 16, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости полевой диафрагмы 4, и двояковыпуклой линзы 17. При этом выполняются соотношения (1) - (4).
В частном случае исполнения положительная линза 8 объектива 1 имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива 1. В частном случае исполнения двояковогнутая линза 7 объектива 1 имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива 1. В частном случае исполнения двояковогнутая 7 и двояковыпуклая 8 линзы объектива 1 выполнены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси объектива 1.
2
Устройство работает следующим образом. Излучение видимого диапазона, идущее от объектов, с помощью линз 9, 10, 11, 7 и 8 формирует первое действительное, перевернутое изображение объектов в плоскости, с которой совмещается одна из плоскостей плоскопараллельной пластинки 2, на которой нанесены прицельная марка и (или) шкалы. Далее компоненты 12 и 13 и линза 14 создают второе действительное, прямое изображение объектов. Для изменения линейного размера второго действительного изображения, компоненты 12 и 13 дифференцированно перемещаются вдоль оси оборачивающей системы 3, обеспечивая неизменное положение плоскости второго действительного изображения, которое совмещается полевой диафрагмой 4 и с передней фокальной плоскостью окуляра 5. Далее линзы и компоненты 15, 16 и 17 окуляра 5 формируют изображения объектов и прицельных знаков и шкал пластинки 2 в бесконечности. Одновременно линзы и компоненты 9, 10, 11, 7, 8 12, 13, 14, 15, 16, 17 формируют изображение оправы линзы 9 за окуляром 5, обеспечивая тем самым положение выходного зрачка на требуемом расстоянии от последней поверхности линзы 17 окуляра 5. Для коррекций аметропии глаза наблюдателя и формирования изображения объектов и прицельной сетки на удобном для глаза расстоянии окуляр 5 перемещается вдоль оптической оси на величину диоптрийной подвижки. Для фокусировки на объекты, находящиеся на близком расстоянии перед прицелом, линза 8 объектива перемещается вдоль оптической оси объектива. В частном случае исполнения линза 7 имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива. В частном случае исполнения линзы 7 и 8 выполняются с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси объектива. Для выверки прицела, ввода углов прицеливания и поправок в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляется изменение направления визирной оси прицела в пространстве предметов, для чего плоскопараллельная пластинка 2, компоненты 12, 14 и отрицательная линза 14 совместно поворачивают на угол β вокруг оси, центр которой совмещен с точкой О, расположенной на оси второго промежуточного действительного изображения. При этом направление визирной оси прицела изменяется на угол α, величина которого определяется соотношением (1).
В качестве примера конкретного исполнения по первому варианту приводится прицел с техническими характеристиками, указанными в таблице 1, и параметрами компонентов и линз, указанных в таблице 2.
Прицел имеет переменное увеличение, которое меняется в диапазоне от 2 до 10 крат. Диаметр входного зрачка прицела 46 мм, диаметр выходного зрачка меняется от 12 до 4,6 мм при смене увеличения. Удаление выходного зрачка составляет 90 мм, при этом величина смещения зрачка вдоль оптической оси при смене увеличения не превышает 5 мм.
Длина по оптической оси от первой поверхности объектива до последней поверхности окуляра составляет 307 мм, при этом длина панкратической оборачивающей составляет 129 мм. Масса оптических деталей прицела составляет 258 г. Угловое поле прицела изменяется от 10 до 2,3 градусов при смене увеличения. Максимальная величина изменения направления визирной оси в пространстве предметов составляет 150'.
Как следует из табл. 2, в конкретном примере исполнения прицела имеют место следующие соотношения:
а)  которые удовлетворяют соотношениям (4);
ок
Р'
'
б) ƒ'/s,=42,6 /90=0,47, т.е. соблюдается соотношение (2);
в) 135>107, т.е. соблюдается соотношение (3);
г) между углами α и β в соответствии с (1) соблюдается соотношение:
tgα=1,26⋅tgβ.
Для фокусировки на близкие расстояния до объекта, компенсации расфокусировки при изменении температуры эксплуатации, устранения параллакса используется подвижка двояковыпуклой линзы 8 объектива, равная 0,7 мм, эта величина более чем 150 раз меньше фокусного расстояния объектива, т.е. может считаться малой подвижкой.
Описание предлагаемого устройства оптического прицела с переменным увеличением по второму варианту иллюстрируется фиг. 2.
Оптическая система прицела состоит из расположенных по ходу лучей объектива 1, плоскопараллельной пластинки 2 с прицельной маркой и шкалами, оборачивающей системы 3, полевой диафрагмы 4 и окуляра 5. Объектив 1 является трехкомпонентым и состоит из первого положительного компонента 6, второго отрицательного компонента 7, выполненного в виде двояковогнутой линзы и третьей двояковыпуклой линзы 8. Первый положительный компонент объектива содержит первую положительную линзу 9, вторую отрицательную линзу 10 и третью положительную линзу 11. Оборачивающая система 3 содержит два двухлинзовых скленных компонента 12 и 13, дифференцированно перемещающихся вдоль оптической оси оборачивающей системы, и отрицательную линзу 14. При этом плоскопараллельная пластинка 2 прицельной маркой и шкалами и оборачивающая система 3 выполнены совместно качающимися вокруг точки, совмещенной с осевой точкой плоскости второго действительного изображения (центра полевой диафрагмы 4). Окуляр 5 состоит из расположенных по ходу лучей двухлинзового склеенного компонента 15, положительной линзы 16. При этом выполняются соотношения (1)-(3) и (5).
В частном случае исполнения отрицательная линза 14 оборачивающей системы выполнена двояковогнутой. В частном случае исполнения отрицательная линза 14 оборачивающей системы выполнена плосковогнутой. В частном случае исполнения в окуляре двухлинзовый скленный компонент 15 расположен по ходу лучей от объектов перед одиночной линзой 16. В частном случае исполнения в окуляре одиночная линза 16 расположена по ходу лучей от объектов перед двухлинзовым скленным компонентом 15 (на фиг. 2 не показано). В частном случае исполнения одиночная линза 16 окуляра выполнена выпуклоплоской. В частном случае исполнения одиночная линза 16 окуляра выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к полевой диафрагме. В частном случае исполнения положительная линза 8 объектива 1 имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива 1. В частном случае исполнения двояковогнутая линза 7 объектива 1 имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива. В частном случае исполнения двояковогнутая 7 и двояковыпуклая 8 линзы объектива выполнены с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси объектива 1.
2
Устройство работает следующим образом. Излучение видимого диапазона, идущее от объектов, с помощью линз 9, 10, 11, 7 и 8 формирует первое действительное, перевернутое изображение объектов в плоскости, с которой совмещается одна из плоскостей плоскопараллельной пластинки 2, на которой нанесены прицельная марка и (или) шкалы. Далее компоненты 12 и 13 и линза 14 создают второе действительное, прямое изображение объектов. Для изменения линейного размера второго действительного изображения, компоненты 12 и 13 дифференцированно перемещаются вдоль оси оборачивающей системы 3, обеспечивая неизменное положение плоскости второго действительного изображения, которое совмещается полевой диафрагмой 4 и с передней фокальной плоскостью окуляра 5. Далее двухлинзовый компонент 15 и линза 16 окуляра 5 формируют изображения объектов и прицельных знаков и шкал пластинки 2 в бесконечности. Одновременно линзы и компоненты 9, 10, 11, 7, 8 12, 13, 14, 15, 16 формируют изображение оправы линзы 9 за окуляром 5, обеспечивая тем самым положение выходного зрачка на требуемом расстоянии от последней поверхности окуляра 5. Для коррекции аметропии глаза наблюдателя и формирования изображения объектов и прицельной сетки на удобном для глаза расстоянии окуляр 5 перемещается вдоль оптической оси на величину диоптрийной подвижки. Для фокусировки на объекты, находящиеся на близком расстоянии перед прицелом, линза 8 объектива перемещается вдоль оптической оси объектива. В частном случае исполнения линза 7 имеет небольшую подвижку вдоль оптической оси объектива. В частном случае исполнения линзы 7 и 8 выполняются с возможностью совместного перемещения вдоль оптической оси объектива. Для выверки прицела, ввода углов прицеливания и поправок в вертикальной и горизонтальной плоскостях осуществляется изменение направления визирной оси прицела в пространстве предметов, для чего плоскопараллельная пластинка 2, компоненты 12, 14 и отрицательная линза 14 совместно поворачивают на угол β вокруг оси, центр которой совмещен с точкой О, расположенной на оси второго промежуточного действительного изображения. При этом направление визирной оси прицела изменяется на угол α, величина которого определяется соотношением (1).
В качестве примеров конкретного исполнения по второму варианту приводятся два прицела (схема 1 и схема 2) с техническими характеристиками, указанными в таблице 3, и параметрами компонентов и линз, указанных в таблице 4.
Прицел по схеме 1 имеет переменное увеличение, которое меняется в диапазоне от 3 до 15 крат. Диаметр входного зрачка прицела 50 мм, диаметр выходного зрачка меняется от 12 до 3,3 мм при смене увеличения. Удаление выходного зрачка составляет 90 мм, при этом величина смещения зрачка вдоль оптической оси при смене увеличения не превышает 5 мм. Угловое поле прицела при смене увеличения изменяется от 7 до 1,5 градусов. Длина по оптической оси от первой поверхности объектива до последней поверхности окуляра составляет 332 мм, при этом длина панкратической оборачивающей составляет 129 мм. Масса оптических деталей прицела составляет 292 г. Максимальная величина изменения направления визирной оси в пространстве предметов составляет 150'.
Прицел по схеме 2 имеет переменное увеличение, которое меняется в диапазоне от 4 до 20 крат. Диаметр входного зрачка прицела 56 мм, диаметр выходного зрачка меняется от 14 до 2,8 мм при смене увеличения. Удаление выходного зрачка составляет 90 мм, при этом величина смещения зрачка вдоль оптической оси при смене увеличения не превышает 5 мм. Угловое поле прицела при смене увеличения изменяется от 5 до 1 градуса. Длина по оптической оси от первой поверхности объектива до последней поверхности окуляра составляет 362 мм, при этом длина панкратической оборачивающей составляет 130 мм. Масса оптических деталей прицела составляет 319 г. Максимальная величина изменения направления визирной оси в пространстве предметов составляет 150'.
Как следует из табл. 4, в схемах 1 и 2 конкретного примера исполнения прицела имеют место следующие соотношения:
ок
Р'
'
а) для схемы 1: ƒ'/s,=43,8/90=0,49;
ок
Р'
'
для схемы 2: ƒ'/s,=43/90=0,48, т.е. соблюдается соотношение (2)
б) для схемы 1: 1/61,9>1/197,3; для схемы 2: 1/81>1/88,1,
т.е. оптическая сила одиночной линзы окуляра превышает по величине оптическую силу двухлинзового склеенного компонента окуляра;
в) для схемы 1:  129<135, которые удовлетворяют соотношениям (5);
г) для схемы 2:  130<160, которые удовлетворяют соотношениям (5);
г) между углами α и β в соответствии с (1) соблюдается соотношение:
для схемы 1: tgα=0,96⋅tgβ; для схемы 2: tgα=0,81⋅tgβ.
Для фокусировки на близкие расстояния до объекта, компенсации расфокусировки при изменении температуры эксплуатации, устранения параллакса используется подвижка двояковыпуклой линзы 8 объектива, не превышающая 1 мм. Величина подвижки на два порядка меньше фокусного расстояния объектива, т.е. может считаться малой подвижкой.
Во всех примерах конкретных исполнений качество изображения на оси и по полю удовлетворяет критериям, применяемым к полевым наблюдательным приборам.
Таким образом, получено несколько оптических схем оптических прицелов с 5-кратным перепадом увеличений и различными значениями наибольшего и наименьшего увеличений, с удалением выходного зрачка не менее 90 мм, с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.
В любом из вариантов примеров конкретных исполнений устройства оптического прицела с переменным увеличением упрощена конструкция оптического прицела прежде всего путем уменьшения одиночных линз и склеенных компонентов по сравнению с наиболее близким аналогом. В первом варианте устройства: количество линз - 14, количество компонентов - 12 (общее число одиночных линз, склеек плюс сетка). Во втором варианте устройства: количество линз - 13, количество компонентов - 11. В результате достигается упрощение сборки и юстировки оптического прицела, особенно его панкратической системы смены увеличения, т.к. уменьшается число первичных погрешностей, влияющих на точность выполнения оптических сил подвижных компонентов панкратической системы. Это повышает технологичность изделий в целом. Вместе с тем, уменьшение в оптической системе границ раздела «стекло-воздух» способствует повышению коэффициента пропускания при сохранении просветляющих покрытий, подобных наиболее близкому аналогу. Так, уменьшений границ «стекло-воздух» на 6 (например, количество границ раздела «стекло-воздух» в системе, показанной на фиг. 2, составляет 22; в прототипе - 28) при коэффициенте отражения на каждой поверхности, равном 0,3%, повышение коэффициента пропускания за счет снижения потерь на отражение можно оценить примерно в 2%.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемых вариантов оптического прицела с переменным увеличением, обладающих совокупностью указанных отличительных признаков, позволяет создать линейку оптических прицелов с 5-кратным перепадом увеличений и различными значениями наибольшего и наименьшего увеличений, с удалением выходного зрачка не менее 90 мм, с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.
Литература
1. Патент RU 2501051, 2013 г.