ОКУЛЯР С УДАЛЕННЫМ ЗРАЧКОМ

Предлагаемое устройство относится к области оптического приборостроения, а именно к окулярам с удаленным зрачком, и может быть использовано в оптических и оптико-электронных приборах, требующих большого удаления выходного зрачка.
Для наблюдения изображения с микродисплея в оптико-электронных приборах требуется окуляр с удалением выходного зрачка не менее 50 мм, видимым увеличением не менее 9 крат, линейным полем в предметной плоскости не менее 12,7×9 мм, массой не более 75 г по световым диаметрам и высоким качеством изображения.
Известны окуляры с удаленными зрачками [Теория оптических систем / Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов, С.И.Кирюшин, В.И.Кузичев. - М.: Машиностроение, 1981. - С.218-220.]. Оптические схемы указанных окуляров обеспечивают удаление выходного зрачка, величина которого примерно равна величине фокусного расстояния окуляра или немного отличается от него, примерно на 10-20%.
Недостатком указанных окуляров - аналогов является малое удаление выходного зрачка по сравнению с фокусным расстояние окуляра.
3
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству по технической сущности является окуляр с удаленным зрачком [Патент RU 2212700, 2003], содержащий положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к предметной плоскости, положительный дублет, содержащий положительную и отрицательную линзы, и положительную линзу. Все преломляющие поверхности окуляра 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. Масса окуляра, рассчитанная по приведенным в патенте параметрам, для указанного фокусного расстояния составляет 8800 г, объем стекла линз окуляра составляет 2099 см.
В патенте [Патент RU 2212700, 2003] параметры примера конкретного исполнения приведены для фокусного расстояния, равного 100 мм. Пересчет его с учетом формулы изобретения на фокусное расстояние, требуемое для получения удаления выходного зрачка 50 мм показал, что в этом случае увеличение получается более 9 крат, но при этом линейное поле в предметной плоскости меньше требуемого. Пересчет на фокусное расстояние, обеспечивающее видимое увеличение 9 крат, показал, что при удалении зрачка 50 мм и требуемом линейном поле при сохранении в окуляре признаков, сформулированных в виде соотношений между параметрами, окуляр имеет большую массу и снижение качества изображения по полю в силу возрастания углового поля окуляра более 27°.
Таким образом, недостатком наиболее близкого аналога является невозможность обеспечения в нем совокупности характеристик: удаления выходного зрачка не менее 50 мм, видимого увеличения не менее 9 крат, линейного поля в предметной плоскости не менее 12,7×9 мм, массы по световым диаметрам не более 75 г при высоком качестве изображения.
Технический результат заключается в обеспечении в предлагаемом окуляре совокупности характеристик: видимого увеличения не менее 9 крат, удаления выходного зрачка не менее 50 мм, линейного поля в предметной плоскости не менее 12,7×9 мм, массы по световым диаметрам не более 75 г и высокого качества изображения.
Технический результат достигается тем, что устройство окуляра с удаленным зрачком выполняется следующим образом: окуляр с удаленным зрачком содержит отрицательный дублет, положительный мениск, положительный дублет, положительный мениск, мениски обращены друг к другу своими выпуклыми поверхностями, отрицательные линзы отрицательного и положительного дублетов расположены первыми по ходу лучей, одинаковые по знаку линзы линзы дублетов выполнены из одинаковых материалов, и в окуляре 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;
5
R - радиус второй по ходу лучей от предметной плоскости окуляра преломляющей поверхности положительного мениска;
f' - фокусное расстояние окуляра;
- фокусное расстояние положительного мениска;
- удаление выходного зрачка от последней поверхности окуляра.
Предлагаемое выполнение устройства окуляра с удаленным зрачком позволяет обеспечить требуемый технический результат, заключающийся в обеспечении совокупности следующих характеристик: видимое увеличение не менее 9 крат, удаление выходного зрачка не менее 50 мм, линейное поле в предметной плоскости не менее 12,8×9 мм, масса по световым диаметрам не более 75 г и высокое качество изображения. Обеспечивается это тем, что при указанном выполнении окуляра и выполнении соотношений (1)-(3) форма линз такова, что они имеют меньший объем, а, как результат, и уменьшается масса окуляра, при этом одновременно достигается коррекция осевых и вне-осевых аберраций, в первую очередь астигматизма, обеспечивающих высокое качество изображения, при одновременном удовлетворении требований по видимому увеличению, линейному полю и удалению зрачка.
Авторам не известны окуляры с удаленным зрачком, 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 - аберрации в минутах за окуляром для различных точек поля.
Окуляр с удаленным зрачком (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. Фокусное расстояние положительной линзы 4 удовлетворяют соотношению (3). Относительные оптические силы отрицательного дублета 1, положительного мениска 2, положительного дублета 3 и положительной линзы 4 удовлетворяют соотношению (1). Радиус второй по ходу лучей от предметной плоскости преломляющей поверхности положительного мениска 2 удовлетворяет соотношению (2).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение, идущее от каждой точки предметной плоскости компонентами 1-4 окуляра направляется в выходной зрачок, роль которого выполняет зрачок глаза наблюдателя, располагаемый на удаленном расстоянии вдоль оптической оси от последней поверхности окуляра. Компоненты окуляра 1-4 обеспечивают параллельность лучей в пучках лучей, исходящих из каждой точки предметной плоскости. При этом величина аберрационной расходимости указанных пучков лучей существенно меньше разрешающей способности глаза наблюдателя.
Реализация окуляра с удаленным зрачком, подтверждается примером конкретного исполнения окуляра с удалением зрачка 50 мм. Фокусное расстояние окуляра 27 мм, его параметры приведены в таблице 1. Окуляр предназначен для визуального наблюдения изображения на экране микродисплея с размерами сторон 12,78×9 мм (микродисплей 852×600, шаг пикселей 0,015 мм). Для удобства сравнения с аналогом и предлагаемыми соотношениями параметры в таблице 1 приведены для нормировки по величине фокусного расстояния, равной 1. Значение массы М приведено для фокусного расстояния 27 мм удаления зрачка 50 мм.
Таблица 1
Параметры примера конкретного исполнения
Параметр
Значение
f'
1
<img file="00000010.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
1,85
2y
0,57
D'
0,285
φ<sub>1</sub>
-0,57
φ<sub>2</sub>
0,40
φ<sub>3</sub>
0,32
φ<sub>4</sub>
0,27
R<sub>5</sub>
-1,4
L
1,56
М, г
75
Размер предмета 2y и фокусное расстояние окуляра f' определяют величину углового поля за окуляром, равную 32°, т.е. больше, чем наиболее близком аналоге. При фокусном расстоянии 27 мм обеспечивается видимое увеличение за окуляром 9,2 крата.
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.
1
2
3
4
5
Значения параметров примера конкретного исполнения обосновывают заявленные отличительные признаки, сформулированные в виде соотношений. Так, оптические силы компонентов 1-4 имеют следующие соотношения: φ:φ:φ:φ=-0,57:0,4:0,32:0,27, что соответствует соотношению (1). Радиус R, второй по ходу лучей от предметной плоскости окуляра преломляющей поверхности положительного мениска равен минус 1,4, что меньше, чем минус 1,2, т.е. соблюдается соотношение (2). Фокусное расстояние положительного мениска 4 при принятой нормировке равно 1/0,27=3,7, т.е. превышает величину удаления выходного зрачка в 3,7/1,85=2 раза, что соответствует соотношению (3).
Длина L между предметной плоскостью и последней поверхностью окуляра по оси составляет 1,56 от величины фокусного расстояния окуляра, что в 1,94/1,56=1,24 раза меньше, чем в наиболее близком аналоге, что способствует в совокупности с остальными отличительными признаками уменьшению массы окуляра.
Все преломляющие поверхности окуляра являются сферическими. Конкретные значения конструктивных параметров обеспечиваются стандартной оптимизацией, входящей в состав любой современной оптической программы по расчету оптических систем, при соблюдении указанных оптических сил и соотношений.
Как указывалось ранее, в наиболее близком аналоге приведен пример конкретного исполнения для нормировки по фокусному расстоянию, равной 100 мм. Сравнение с наиболее близким аналогом по объему материала стекла и массе корректно проводить при одинаковых фокусных расстояниях, полях зрения, относительном отверстии, удалении зрачка. Наши оценки показывают, что при пересчете по требуемую совокупность характеристик, наиболее близкий аналог по световым диаметрам имеет массу примерно на 20-30% выше, чем предлагаемый окуляр.
На фиг.2 приведен график сагиттального (s) и меридионального (m) астигматических отрезков, а на фиг.3 показаны формы и размеры угловых аберраций широких наклонных пучков за окуляром.
По оси ординат на фиг.2 указаны углы наклона главных лучей за окуляром в градусах. Астигматизм не превышает 0,3 дптр.
Оценка качества изображения по среднеквадратическим размерам угловых аберраций широких пучков, учитывающая влияние всех аберраций на качество аберрационной коррекции, показывает, что на оси не превышают 0,5 минут, для середины поля зрения - 1,2 минут, для края поля зрения - 1,8 минут.
Таким образом, в примере конкретного исполнения окуляра имеет место технический результат, на достижение которого и направлено заявляемое устройство: обеспечена совокупность характеристик: видимого увеличения не менее 9, удаления выходного зрачка не менее 50 мм, линейного поля в предметной плоскости не менее 12,7×9 мм, массы не более 75 г по световым диаметрам и высокого качества изображения.
Таким образом, реализация технических преимуществ предлагаемого окуляра с удаленным зрачком позволяет создать окуляр, удовлетворяющий совокупности требований, для целей использования в оптико-электронных приборах.
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.