ОКУЛЯР ОПТИЧЕСКОГО ПРИБОРА Российский патент 1995 года по МПК G02B25/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к окулярам телескопических система и к лупам.

Известна зеркальная лупа, содержащая плоское и вогнутое зеркала, которые выполнены в форме вытянутых прямоугольников, длинные стороны которых расположены параллельно одна к другой. Главная оптическая ось вогнутого зеркала проходит через середину обращенной к нему длинной стороной плоского зеркала, а угол между плоским зеркалом и оптической осью, обращенный к фокусу вогнутого зеркала, составляет 45-75^о.

Известна зеркальная лупа, содержащая два зеркала, одно из которых вогнутое сферическое, причем оба зеркала выполнены в виде прямоугольников, стороны которых взаимно параллельны, между зеркалами размещены две одинаковые прямоугольные призмы, обращенные друг к другу гипотенузными гранями, на противоположные катетные грани которых наклеены одинако- вые плосковыпуклые линзы, при этом зеркала нанесены на выпуклые поверхности плосковыпуклых линз, оптические оси которых параллельны друг другу, все компоненты выполнены из стекла одной марки, прямоугольные призмы сдвинуты относительно друг друга вдоль гипотенузной грани на величину δ, в каждой из призм угол α, противолежащий зеркальной грани, другой угол β и величина δ связаны соотношениями
sin45^°< sinα <
δ ≥ · sin2(α-β) где n - показатель преломления материала призм и линз;
а - размер катетной грани каждой из призм, противолежащей углу β.

В качестве прототипа выбран окуляр оптического устройства, представляющий собой элемент из светопреломляющего материала, входная поверхность которого параллельна плоскости предмета, вторая плоская поверхность расположена под углом к первой, обеспечивающим полное внутреннее отражение, третья поверхность выполнена сферической, обращенной вогнутостью к пространству изображения, вторая плоская поверхность одновременно является выходной поверхностью элемента, при этом входной и выходной визирные лучи перпендикулярны, а на сферической поверхности нанесен голографический оптический элемент.

Указанный окуляр оптического устройства может применяться в бинокулярных очках ночного видения.

Целью изобретения является повышение качества изображения при увеличении выноса выходного зрачка и переднего рабочего отрезка.

Сущность изобретения заключается в том, что окуляр оптического прибора, содержащий элемент из светопреломляющего материала, первая плоская поверхность кото- рого перпендикулярна визирной оси окуляра, вторая плоская поверхность наклонена к первой на угол, превышающий угол полного внутреннего отражения, третья поверхность - сферическая и обращена вогну- тостью к изображению, причем на сферической поверхности нанесен голографический оптический элемент, выполненный в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности, форма которых определена уравнением
A₁x+B₁y+C₁z+ = kλ где x,y,z - координаты точки в системе координат, начало которой находится в точке пересечения визирной оси со сферической поверхностью, оси x и y касательны к ней, ось z - совпадает с нормалью к ней;
R - параметр;
А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂ - коэффициенты;
К = 1,2,..., номер кольца;
λ - длина волны излучения; при этом справедливы соотношения
А₁² + В₁² + С₁² = А₂² + В₂² + С₂² = 1.

2f' < R < 10f',
где f' - фокусное расстояние окуляра.

Оптический элемент окуляра оптического прибора служит для работы в ИК-области спектра совместно с ЭОПом. Оптическая сила этого окуляра определяется величиной радиуса сферической зеркальной поверхности. Так как оптическая система является зеркальной, то радиус зеркальной поверхности является пологим, так как f₃' = . Поэтому поверхность окуляра работает с малым относительным отверстием, и следовательно, сферическая аберрация и кома малы.

Вторая грань этого элемента работает как на полное внутреннее отражение для падающих лучей, так и на преломление для выходящих лучей. В данном варианте расчета угол между первой и второй гранями 50^о. Так как на первую поверхность визирный луч падает по нормали, то угол отражения от второй поверхности этого луча составляет 50^о, т.е. больше угла полного внутреннего отражения для стекла К8. Угол наклона зеркальной поверхности выбран из условия, что выходящий луч должен быть перпендикулярен лучу, падающему на первую поверхность. В данном случае угол визирного луча с нормально зеркальной отражающей поверхности 13^о05'. Так как угол γ больше 10^о, на этой поверхности возникает большой астигматизм. На зеркальную поверхность наносится голограммный элемент, который используется для ввода необходимой информации для наблюдателя. Кроме того, форма гологаммного элемента должна обеспечить исправление кривизны изображения и астигматизма. Экспериментально путем минимизации аберраций оптической системы при расчете на ЭВМ по программе для пространственных систем голографический оптический элемент выполнен в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности, форма которых определена уравнением
A₁x+B₁y+C₁z+ = kλ где x,y,z - координаты точки в системе координат, начало которой находится в точке пересечения визирной оси со сферической поверхностью, оси х и y касательны к ней, ось z совпадает с нормалью к ней; R - параметр; А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂ - коэффициенты; К = 1,2, . ..номер кольца; λ - длина волны излучения, при этом справедливы соотношения
А₁² + В₁² + С₁² = А₂²+ В₂² + С₂² = 1;
2f' < R < 10f',
где f' - фокусное расстояние окуляра.

Величина астигматизма по всему полю не превышает 0,4 мм. Выбор формы голографического оптического элемента определяется при большом выносе выходного зрачка. В приведенном варианте расчета вынос выходного зрачка S_p' = 25 мм.

Данный окуляр оптического прибора может использоваться и для работы в видимой области спектра. Для этой цели к первому элементу добавляется второй оптический элемент, имеющий входную плоскую поверхность, параллельную выходной поверхности оптического элемента. Два оптических элемента действуют как плоскопараллельная пластинка, которая при рассматривании бесконечноудаленного объекта не вносит аберраций.

В качестве конкретного примера рассчитан окуляр оптического прибора со следующими оптическими характеристиками:
Фокусное расстояние (f') 25 мм
Передний рабочий отрезок (S) 7 мм
Диаметр выходного зрачка (D'_вых.зр) 6 мм
Вынос выходного зрачка (S_p) 26 мм
Угловое поле (2 ω) 40^о
Окуляр оптического прибора имеет следующие аберрации:
При ω = 0^о поперечная сферическая аберрация в меридиональном сечении не превышает 0,024 мм, а астигматизм 0,276 мм, в сагиттальном сечении поперечная сферическая аберрация не превышает 0,0125 мм, а астигматизм 0,37 мм. На краю поля ω= 20^о поперечная сферическая аберрация в меридиональном сечении не превышает 0,03 мм, а астисгматизм 0,38 мм, в сагиттальном сечении поперечная сферическая аберрация не превышает 0,0078 мм, а астигматизм 0,37 мм.

На чертеже представлена оптическая схема окуляра оптического прибора с конструктивными данными.

Окуляр содержит первый и второй оптические элементы 1 и 2. Первая поверхность 3 оптического элемента 1 параллельна плоскости предметов, вторая поверхность 4 этого элемента расположена под углом 50^о к поверхности 3. Зеркальная поверхность 5 этого элемента выполнена сферической и на ней нанесен голографический оптический элемент, выполненный в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности. Поверхность 6 второго оптического элемента расположена парал- лельно поверхности 4.

Использование: в оптическом приборостроении. Сущность изобретения: окуляр оптического прибора содержит элемент из светопреломляющего материала, первая плоская поверхность которого перпендикулярна визирной оси окуляра, вторая плоская поверхность наклонена к первой на угол, превышающий угол полного внутреннего отражения, третья поверхность - сферическая и обращена вогнутостью к изображению, причем на сферической поверности нанесен голографический оптический элемент, который выполнен в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности, форма которых определена уравнением, приведенным в тексте. 1 ил.

ОКУЛЯР ОПТИЧЕСКОГО ПРИБОРА, содержащий элемент из светопреломляющего материала, первая плоская поверхность которого перпендикулярна к визирной оси окуляра, вторая плоская поверхность наклонена к первой на угол, превышающий угол полного внутреннего отражения, третья поверхность - сферическая и обращена вогнутостью к изображению, причем на сферической поверхности нанесен голографический оптический элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изображения при увеличении выноса выходного зрачка и переднего рабочего отрезка, голографический оптический элемент выполнен в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности, форма которых определена уравнением

где x, y, z - координаты точки в системе координат, начало которой находится в точке пересечения визирной оси со сферической поверхностью, оси x и y касательны к ней, ось z совпадает с нормалью к ней;
R - параметр;
A₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂ - коэффициенты;
k - 1,2... - номер кольца;
λ - длина волны излучения,
при этом справедливы соотношения
A21