ОКУЛЯР С УДАЛЕННЫМ ЗРАЧКОМ
EYEPIECE WITH WITHDRAWN PUPIL

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к окулярам с удаленным зрачком, и может быть использовано в оптических и оптико-электронных приборах, эксплуатация которых требует большого удаления выходного зрачка - не менее, чем в 2,5 раза, превышающего фокусное расстояние окуляра, например для наблюдения изображения с микродисплея или экрана оптико-электронного преобразователя в оптико-электронных приборах.
Известны окуляры с удаленным зрачком [Теория оптических систем / Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев. - М.: Машиностроение, 1981., с.219-220]. Обычно к окулярам с удаленным зрачком относят окуляры, если в них величина удаления зрачка равна или несколько больше фокусного расстояния окуляра. Задача получения большого по величине удаления выходного зрачка, например в оптической системе телескопического типа, решается выбором соответствующей величины фокусного расстояния окуляра. При этом обеспечение требуемого увеличения всей оптической системы достигается выбором фокусного расстояния объектива и других оптических компонентов, входящих в оптическую систему. Однако в оптико-электронных приборах имеются задачи визуального наблюдения изображения, например на экране микродисплея или экрана электронно-оптического преобразователя, при которых требуется и большое видимое увеличение (малое фокусное расстояние окуляра), и большое удаление выходного зрачка. Для таких задач требуются окуляры, удаление выходного зрачка которых значительно превышает фокусное расстояние окуляра.
Итак, недостатком указанных окуляров - аналогов является малое удаление выходного зрачка по сравнению с фокусным расстояние окуляра. В силу этого, принимая во внимание существующую элементную базу приборов, их применение ограничено в оптико-электронных приборах, эксплуатация которых требует большой величины удаления выходного зрачка, например 70 мм, при обеспечении возможности наблюдения предметной плоскости окуляра с видимым увеличением не менее 8 крат с достаточной величиной углового размера наблюдаемого изображения, требуемых для зрительной работы оператора.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является окуляр с удаленным зрачком, удаление выходного зрачка в котором превышает фокусное расстояние не менее, чем в 2,5 раза, [Патент RU 2212700, 2003], содержащий положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к предметной плоскости, положительный дублет, содержащий положительную и отрицательную линзы, и положительную линзу, при этом отношение величин внутреннего и внешнего радиусов отрицательной линзы положительного дублета, умноженное на абсолютную величину разности коэффициентов основной средней дисперсии материалов линз положительного дублета, находится в диапазоне от 6 до 12, фокусное расстояние положительной линзы находится в диапазоне от 0,9 до 1,2 от величины удаления выходного зрачка.
3
Все преломляющие поверхности в наиболее близком аналоге являются сферическими. Окуляр имеет угловое поле 27°, относительное отверстие 1:3,5. Фокусное расстояние окуляра 100 мм, удаление выходного зрачка 259 мм. Длина окуляра вдоль оси от предметной плоскости до последней поверхности составляет 194 мм. Астигматизм на краю поля в обратном ходе составляет 2,2 мм, относительный хроматизм увеличения на краю поля в обратном ходе равен 0,6%. Масса окуляра, рассчитанная по приведенным в патенте параметрам, для указанного фокусного расстояния составляет 8800 г, объем стекла линз окуляра составляет 2099 см.
В наиболее близком аналоге имеются признаки, сформулированные в виде соотношений между его параметрами: радиус второй по ходу лучей от предмета преломляющей поверхности находится в диапазоне от минус 0,9 до минус 0,5 от фокусного расстояния окуляра; отношение радиусов первой и второй по ходу лучей преломляющих поверхностей положительного мениска находится в диапазоне от 5 до 8.
Недостатками наиболее близкого аналога являются большие габаритные размеры и масса, низкое качество изображения из-за наличия астигматизма и хроматизма увеличения.
Кроме того, в объективе-аналоге ход главных лучей в пространстве предметов окуляра не является телецентрическим, что может привести к снижению освещенности в изображении внеосевых точек.
Большие габаритные размеры и масса окуляра-аналога обусловлены оптической силой и дизайном (формой) линз, его образующих. В аналоге заявлены соотношения между фокусными расстояниями и радиусами кривизны отдельных линз окуляра, которые приводят к тому, что для обеспечения технологически приемлемых толщин по краю линзы окуляра имеют большую толщину по оптической оси. Это относится в первую очередь к положительному мениску и положительному дублету. В результате компоненты окуляра имеют большой объем и, как результат, большую массу.
3
Пересчет окуляра-аналога по коэффициенту подобия на фокусное расстояние 30 мм, выполненный для дальнейшего сравнения с предлагаемым устройством, показал, что в этом случае объем стекла линз окуляра-аналога по световым диаметрам равен 42 см, масса 170 г.
Наличие только одного склеенного компонента при использовании двух материалов для всех линз в оптической схеме окуляра-аналога позволяет обеспечить коррекцию только одной хроматической аберрации - хроматизма положения; при этом для устранения второй хроматической аберрации - хроматизма увеличения - отсутствуют коррекционные параметры.
Оптические силы и форма линз окуляра-аналога таковы, что имеется астигматизм на краю поля зрения и хроматизм увеличения, что приводит к снижению качества изображения при визуальном наблюдении предметной плоскости через окуляр. При пересчете окуляра-аналога по коэффициенту подобия на фокусное расстояние 30 мм, выполненном для дальнейшего сравнения с предлагаемым устройством, установлено, что величина астигматизма в пространстве изображений превышает 1 дптр.
Таким образом, в наиболее близком аналоге не возможно достичь уменьшения габаритных размеров и массы, а также уменьшения хроматизма увеличения и астигматизма (и как результат, повышения качества изображения) без существенного изменения устройства оптической системы окуляра, изменения соотношения между оптическими силами и изменения дизайна входящих в него линз и компонентов.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в создании оптической системы малогабаритного окуляра, позволяющего вести наблюдение плоского предмета (например, микродисплея) при значительном удалении выходного зрачка и требуемых для эффективной работы оператора видимом увеличении и угловым размере наблюдаемого изображения.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в уменьшении габаритных размеров и массы, повышении качества изображения за счет уменьшения хроматизма увеличения и астигматизма в изображении без уменьшения величин углового поля и относительного отверстия окуляра. Дополнительно в предлагаемом устройстве обеспечивается ход главных лучей в пространстве предметов, близкий к телецентрическому. При таком ходе пучков света от предмета освещенность в изображении становится более равномерной, а также в меньшей степени меняется видимое увеличение при диоптрийной подвижке окуляра, что повышает эргономические показатели предлагаемого устройства.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога между положительным мениском и предметной плоскостью дополнительно установлен отрицательный дублет, отрицательная и положительная линзы которого выполнены из тех же материалов, что и отрицательная и положительная линзы положительного дублета, положительный дублет ориентирован своей отрицательной линзой в сторону предметной плоскости окуляра, положительная линза выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к выходному зрачку окуляра, и при этом имеют место следующие соотношения:
1
2
3
4
где φ, φ, φ, φ - относительные оптические силы соответственно отрицательного дублета, положительного мениска, положительного дублета и положительной линзы;
1
2
R, R - радиусы первой и второй по ходу лучей от предметной плоскости преломляющих поверхностей отрицательной линзы отрицательного дублета;
5
R - радиус второй по ходу лучей от предметной плоскости окуляра преломляющей поверхности положительного мениска;
9
10
R, R - радиусы первой и второй по ходу лучей от предметной плоскости окуляра преломляющих поверхностей положительной линзы;
Δν - абсолютная величина разности коэффициентов основной средней дисперсии материалов линз дублета;
f′ - фокусное расстояние окуляра.
Введение между положительным мениском и предметной плоскостью отрицательного дублета, отрицательная и положительная линзы которого выполнены из тех же материалов, что и отрицательная и положительная линзы положительного дублета, одновременно с выполнением соотношений (1) и (2) позволяет обеспечить коррекцию хроматизма увеличения, снизить аберрационную нагрузку на положительный дублет и устранить астигматизм в оптической системе окуляра без уменьшения величины углового поля и относительного отверстия окуляра. Одновременное введение указанных признаков позволяют обеспечить ход главных лучей в пространстве предметов окуляра, близкий к телецентрическому. Соотношение (2) представляет собой признак, аналогичный по технической сути признаку, использованному в наиболее близком аналоге для характеристики дублета.
Ориентация положительного дублета своей отрицательной линзой в сторону предметной плоскости окуляра при одновременном выполнении соотношений (1) и (3) позволяет найти такой дизайн (форму) линз положительного дублета и положительного мениска, при котором уменьшается объем стекла линз, и как результат уменьшается толщина по оси и масса окуляра.
Выполнение положительной линзы в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к выходному зрачку окуляра, совместно с соблюдением соотношений (1) и (4) позволяют устранить астигматизм при большом удалении выходного зрачка, уменьшить объем стекла и соответственно уменьшить массу окуляра.
Совокупность предлагаемых признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации окуляра с удаленным зрачком с заявленным техническим результатом.
Авторам не известны окуляры с удаленным зрачком, удаление выходного зрачка в котором превышает фокусное расстояние не менее, чем в 2,5 раза, в которых была бы реализованы совокупность указанных признаков, соответствующих предлагаемому устройству.
Предложенное решение иллюстрируется следующими графическими материалами:
фиг.1 - оптическая схема окуляра с удаленным зрачком;
фиг.2 - график астигматизма;
фиг.3 - график хроматизма увеличения.
Окуляр с удаленным зрачком, удаление выходного зрачка в котором превышает фокусное расстояние не менее, чем в 2,5 раза, (фиг.1) содержит расположенные по ходу лучей от предметной плоскости отрицательный дублет 1, положительный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к предметной плоскости, положительный дублет 3, положительную линзу 4, выполненную в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к выходному зрачку окуляра. Отрицательный дублет содержит по ходу лучей отрицательную линзу 5 и положительную линзу 6. Положительный дублет 3 содержит по ходу лучей отрицательную линзу 7 и положительную линзу 8. Отрицательные линзы 5 и 7 дублетов выполнены из одинакового материала. Положительные линзы 6 и 8 дублетов выполнены также из одинакового материала.
Отношение величин внутреннего (склеенного) и внешнего радиусов отрицательной линзы 7 положительного дублета 3, умноженное на абсолютную величину разности коэффициентов основной средней дисперсии материалов линз положительного дублета, находится в диапазоне от 6 до 12. Фокусное расстояние положительной линзы 4 находится в диапазоне от 0,9 до 1,2 от величины удаления выходного зрачка. Относительные оптические силы отрицательного дублета 1, положительного мениска 2, положительного дублета 3 и положительной линзы 4 удовлетворяют соотношению (1). Отношение первого и второго по ходу лучей от предметной плоскости радиусов преломляющих поверхностей отрицательной линзы 5 отрицательного дублета 1, умноженное на величину разности коэффициентов основной средней дисперсии материалов линз отрицательного дублета 1, имеет абсолютную величину менее 6 (удовлетворяет соотношению (2)). Радиус второй по ходу лучей от предметной плоскости преломляющей поверхности положительного мениска 2 удовлетворяет соотношению (3). Отношение радиусов преломляющих поверхностей положительной линзы 4 удовлетворяют соотношению (4).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение, идущее от каждой точки (элемента, пикселя) предметной плоскости компонентами 1-4 окуляра направляется в выходной зрачок, роль которого выполняет зрачок глаза наблюдателя, располагаемый на расстоянии вдоль оптической оси, превышающем величину фокусного расстояния окуляра не менее, чем в 2,5 раза. Компоненты окуляра 1-4 обеспечивают параллельность лучей в пучках лучей, исходящих из каждой точки предметной плоскости. При этом величина остаточной аберрационной расходимости указанных пучков лучей обеспечивается меньше разрешающей способности глаза наблюдателя или, при применении микродисплея в качестве предмета, - угловых размеров элемента (пикселя) микродисплея. Для компенсации аметропии глаза наблюдателя осуществляется диоптрийная подвижка совместно компонентами 1-4 вдоль оптической оси окуляра.
Реализация окуляра с удаленным зрачком, подтверждается примерами конкретного исполнения: окуляра с фокусным расстоянием 30 мм и удалением зрачка 75,3 мм. Окуляр предназначен для визуального наблюдения изображения на экране микродисплея с размерами сторон 12,78×9 мм (микродисплей 852×600, шаг пикселей 0,015 мм). Окуляр обеспечивает видимое увеличение 8X. Параметры окуляра приведены в таблице 1. Для удобства сравнения с аналогом параметры в таблице 1 приведены для нормировки по величине фокусного расстояния, равной 1.
Таблица 1
Параметры примера конкретного исполнения
Параметр
Значение
f′
1
s<sup>′</sup> <sub>p′</sub>
2,51
2у
0,52
D′
0,285
φ<sub>1</sub>
-0,46
φ<sub>2</sub>
0,41
φ<sub>3</sub>
0,24
φ<sub>4</sub>
0,34
ν<sub>5</sub>
23
ν<sub>6</sub>
54
ν<sub>7</sub>
23
ν<sub>8</sub>
54
R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>
0,09
R<sub>5</sub>
-1,3
R<sub>7</sub>/R<sub>6</sub>
0,24
R<sub>10</sub>/R<sub>9</sub>
10,7
L
1,53
Размер предмета 2у и фокусное расстояние окуляра f′ определяют величину углового поля за окуляром 29°, т.е. не меньше, чем в наиболее близком аналоге.
Диаметр выходного зрачка D′ и фокусное расстояние окуляра f′ определяют относительное отверстие 1:3,5, т.е. обеспечивается сохранение относительного отверстия таким же, как в наиболее близком аналоге.
Индексы у коэффициентов основной средней дисперсии соответствуют позициям линз на фиг.1.
Все преломляющие поверхности примера конкретного исполнения являются сферическими.
В таблице 1 буквой L обозначено расстояние от предметной плоскости до последней поверхности окуляра для принятой нормировки.
Отметим, что между параметрами конкретного примера исполнения окуляра имеются два соотношения, которые являются общими признаками с наиболее близким аналогом:
7
6
- из таблицы следует, что (R/R)Δν=0,24(54-23)=7,56, т.е. лежит в диапазоне от 6 до 12;
- фокусное расстояние положительной линзы 4 равно 1/0,34=2,94, т.е. попадает в диапазон от 2,26 до 3, определяемый как диапазон от 0,9 до 1,2 от величины удаления выходного зрачка (0,9×2,51=2,26 и 1,2×2,51=3).
Остальные соотношения между параметрами предлагаемого устройства отличаются от наиболее близкого аналога.
Как следует из таблицы 1 и фиг.1, знаки оптических сил и формы линз соответствуют заявляемому устройству.
1
2
3
4
Значения параметров примера конкретного исполнения обосновывают заявленные отличительные признаки, сформулированные в виде соотношений между параметрами устройства. Так, относительные оптические силы компонентов 1-4 соотносятся между собой следующим образом: φ:φ:φ:φ=-0,46:0,41:0,24:0,34, т.е. соответствует соотношению (1). Отношение первого и второго по ходу лучей от предметной плоскости радиусов преломляющих поверхностей отрицательной линзы 5 отрицательного дублета 1, умноженное на величину разности коэффициентов основной средней дисперсии материалов линз отрицательного дублета 1, имеет абсолютную величину, равную 0,09×(54-23)=2,8, т.е. удовлетворяет соотношению (2).
Радиус второй по ходу лучей от предметной плоскости преломляющей поверхности положительного мениска 2 имеет величину минус 1,3, т.е. меньше чем минус 1, и соответственно удовлетворяет соотношению (3).
Отношение второго и первого по ходу лучей от предметной плоскости радиусов преломляющих поверхностей положительной линзы 4 имеет в примере конкретного исполнения величину 10,7, т.е. удовлетворяет соотношению (4).
Длина между предметной плоскостью и последней поверхностью окуляра по оси составляет 1,53 от величины фокусного расстояния окуляра, что в 1,26 раза меньше, чем в наиболее близком аналоге и свидетельствует об уменьшении габаритных размеров.
3
Уменьшение указанной длины является результатом использования в примере конкретного исполнения окуляра линз с меньшей толщиной по оси, дизайн которых определен заявленными соотношениями (1)-(4), в результате уменьшен объем стекла линз окуляра. Сравнение с наиболее близким аналогом по объему материала стекла и массе корректно проводить при одинаковых фокусных расстояниях и близости остальных характеристик (угловое поле, относительное отверстие, удаление зрачка). Так, в примере конкретного исполнения с фокусным расстоянием 30 мм объем стекла линз по световым диаметрам составил 31 см и масса 115 г. Объем стекла уменьшен в 1,35 раза, масса в 1,5 раза в сравнении с наиболее близким аналогом.
На фиг.2 приведен график сагиттального (s) и меридионального (m) астигматических отрезков, а на фиг.3 - график хроматизма увеличения Δу′ по полю. По оси ординат на этих графиках указаны углы наклона главных лучей за окуляром в градусах. Астигматизм не превышает 0,4 дптр; хроматизм увеличения не превышает 1,8 минут для края поля зрения, что составляет 0,2%. Таким образом, величины указанных аберраций уменьшены по сравнению с наиболее близким аналогом. Результатом явилось повышение качества изображения в пределах поля зрения окуляра, что подтверждается среднеквадратическими размерами угловых аберраций широких наклонных пучков, величины которых для точки на оси не превышают 0,6 минут, для середины поля зрения - 1,5 минут, для края поля зрения - 3,5 минут.
Дополнительно из фиг.1 следует, что отклонение главных лучи наклонных пучков лучей от нормали к поверхности предмета незначительно. Это способствует сохранению постоянства увеличения при диоптрийной подвижке окуляра и равномерности освещенности изображения с учетом диаграммы направленности излучения микродисплея, установленного в предметную плоскость окуляра в конкретном примере исполнения.
Таким образом, в примере конкретного исполнения окуляра имеет место технический результат, на достижение которого и направлено заявляемое устройство: уменьшение габаритных размеров и массы, повышение качества изображения за счет уменьшения хроматизма увеличения и астигматизма в изображении без уменьшения величин углового поля и относительного отверстия окуляра. Дополнительно обеспечен ход главных лучей в пространстве предметов, близкий к телецентрическому.
Конкретные значения конструктивных параметров обеспечиваются стандартной оптимизацией, входящей в состав любой современной оптической программы по расчету оптических систем, при использовании указанных оптических сил и материалов.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого окуляра с удаленным зрачком позволяет создать оптическую систему малогабаритного окуляра, позволяющего вести наблюдение плоского предмета (например, микродисплея или экрана электронно-оптического преобразователя в оптико-электронных приборах) при значительном удалении выходного зрачка и требуемых для эффективной работы оператора видимом увеличении и углового размера наблюдаемого изображения.
Литература
1. Теория оптических систем / Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев. - М.: Машиностроение, 1981. - 432 с.
2. Патент RU 2212700, 2003.