ТЕЛЕСКОПИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 1998 года по МПК G02B23/00 

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению и может найти применение в зрительных трубах, визирах, прицелах и других приборах, предназначенных для наблюдения удаленных и быстро перемещающихся объектов типа самолет, вертолет.

Известна телескопическая система симметричного типа, содержащая объектив, окуляр и расположенную между ними оборачивающую систему, выполненную в виде четырех положительных плосковыпуклых линз и компенсатора, расположенного после двух первых, причем компенсатор выполнен в виде двух одинаковых двояковогнутых линз и расположенной между ними трехсклеенной положительной линзы [1].

Недостатками известной телескопической системы являются:
1. малое угловое поле зрения;
2. равенство углового увеличения только 1^x;
3. сложность оборачивающей системы.

В качестве прототипа выбрано серийно выпускаемое на нашем предприятии изделие - телескопическая система прицела [2].

Телескопическая система - прототип включает объектив, содержащий положительный компонент, склеенный из положительной двояковыпуклой и отрицательной линз, оборачивающую систему, содержащую два положительных компонента, второй из которых выполнен в виде склеенной линзы, и окуляр, состоящий из двух положительных компонентов, причем второй выполнен в виде двояковыпуклой линзы.

Прототип обладает рядом существенных недостатков:
1. малое поле зрения в пространстве объектов, составляющее 4^o30', что ограничивает возможности использования данной системы для наблюдения быстроперемещающихся объектов;
2. телескопическая система имеет недостаточно высокое качество изобретения: в спектральном интервале длин волн от A до C в центре поля зрения максимальная разность сферических аберраций составляет 4'40'', а хроматизм увеличения по полю зрения достигает 5'10'', что значительно ухудшает условия наблюдения;
3. телескопическая система не позволяет проводить наблюдение объекта с различными увеличениями, что снижает эксплуатационные возможности изделия в целом.

Целью изобретения является увеличение поля зрения в пространстве объектов и улучшение коррекции аберраций по всему полю зрения. Кроме того, целью изобретения является скачкообразное изменение увеличения с одновременным сокращением габаритов всей системы.

Поставленная цель достигается в результате того, что предлагаемая телескопическая система, как и прототип, содержит объектив, содержащий положительный компонент, склеенный из положительной двояковыпуклой и отрицательной линз, оборачивающую систему, включающую два положительных компонента, второй из которых выполнен в виде склеенной линзы, и окуляр, состоящий из двух положительных компонентов, причем второй выполнен в виде двояковыпуклой линзы.

Однако в отличие от прототипа, перед положительным склеенным компонентом объектива установлены отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, склеенный из отрицательного и положительного менисков, и двояковыпуклая линза, перед первым положительным компонентом оборачивающей системы введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, причем первый положительный компонент оборачивающей системы выполнен в виде двояковыпуклой линзы, а второй склеен из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению и двояковыпуклой линзы, а разность коэффициентов дисперсии стекол отрицательного мениска и первого положительного компонента составляет не менее 8, перед первым положительным компонентом окуляра установлен отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй положительный компонент окуляра выполнен в виде трехсклеенной линзы, средний элемент которой двояковогнутая, а наружные двояковыпуклые линзы, при этом разность показателей преломления положительных и отрицательных линз не более 0,03, а разность коэффициентов дисперсии не менее 15, отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию оборачивающей системы лежит в пределах 0,9 - 1,3, а фокусное расстояние окуляра составляет не менее 0,5 фокусного расстояния оборачивающей системы.

Кроме того, после оборачивающей системы введен светоотклоняющий элемент под углом ϕ к оптической оси, оборачивающая система выполнена с возможностью перемещения во второе положение по дуге окружности с центром, расположенным на линии пересечения плоскостей, одна из которых содержит отражающую поверхность светоотклоняющего элемента, а другая - оптические оси прибора до и после светоотклоняющего элемента, так что угловая величина перемещения оборачиваемой системы равна 180 - 2 ϕ .

Выполнение объектива из трех компонентов позволяет провести коррекцию сферической аберрации, комы и астигматизма объектива, поскольку однокомпонентный объектив может быть коррегирован только для двух аберраций.

Выполнение первого компонента объектива в виде мениска, обращенного вогнутостью к предмету, склеенного и отрицательного и положительного менисков и второго в виде двояковыпуклой линзы, позволяет снизить трудноустранимые аберрации высших порядков, астигматизм и кому, вносимые объективом, а также уменьшить кривизну изображения, что обеспечивает возможность повышения поля зрения объектива.

Установка отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к объему перед первым положительным компонентом оборачивающей системы, позволяет уменьшить кривизну изображения оборачивающей системы без введения сферической аберрации высшего порядка.

Выполнение первого положительного компонента оборачивающей системы в виде двояковыпуклой линзы и второго склеенного и отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к изображению и двояковыпуклой линзы, позволяет скоррегировать астигматизм, внесенный отрицательным мениском и вторым положительным компонентом, что обеспечивает увеличение поля зрения всей системы и улучшение качества изображения внеосевых точек поля зрения.

Разность коэффициентов дисперсии стекол отрицательного мениска и первого положительного компонента не менее 8 обеспечивает корреляцию хроматизма оборачивающей системы без введения заметной сферохроматической аберрации, что дает возможность улучшения качества изображения для центральной части поля зрения.

Введение перед первым положительным компонентом окуляра отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к предмету, позволяет уменьшить кривизну изображения окуляра, тем самым увеличить поле зрения, а выполнение второго компонента в виде трехсклеенной линзы, средний элемент которой двояковогнутая, а наружные элементы двояковыпуклые линзы, при разности показателей преломления положительных и отрицательных линз не более 0,03 и разности коэффициентов дисперсии не менее 15, позволяет исправить хроматическую разность увеличений без введения астигматизма и комы, что позволяет улучшить качество изображения для внеосевых точек поля зрения и увеличить поле зрения телескопической системы.

Выбранные соотношения фокусных расстояний объектива, окуляра и оборачивающей системы при известном увеличении телескопической системы в целом позволяют улучшить качество изображения по всему полю зрения, а именно: снизить кривизну изображения, сферохроматическую аберрацию и кому высших порядков, поскольку приводят к уменьшению относительных отверстий оборачивающей системы и окуляра, что в конечном итоге позволяет увеличить поле зрения телескопической системы.

Введение после оборачивающей системы светоотклоняющего элемента под углом ϕ к оптической оси позволяет сместить центр поворота с оптической оси системы (поскольку центр поворота равноотстоит от двух положений оборачивающей системы), что приводит к уменьшению длины дуги поворота, тем самым к сокращению габаритных размеров телескопической системы при скачкообразном изменении увеличения.

Выполнение оборачивающей системы с возможностью перемещения во второе положение по дуге окружности с центром, расположенным на линии пересечения плоскостей, одна из которых содержит отражающую поверхность светоотклоняющего элемента, а другая - оптические оси прибора до и после светоотклоняющего элемента, обеспечивает возможность скачкообразного изменения увеличения телескопической системы при сохранении положения центров всех оптических поверхностей оборачивающей системы относительно оптической оси прибора или, иначе говоря, при сохранении положения оси визирования в пространстве предметов. Угловая величина перемещения оборачиваемой системы, равная 180^o - 2 ϕ , дает возможность размещения светоотклоняющего элемента между двумя положениями оборачивающей системы, что, в конечном итоге, позволяет сократить габариты телескопической системы при удобстве наблюдения.

В результате обеспечивается увеличение поля зрения по сравнению с прототипом и снижение хроматических аберраций по всему полю зрения, что позволяет улучшить качество изображения телескопической системы.

Кроме того, обеспечивается скачкообразное изменение увеличения с одновременным сокращением габаритов всей телескопической системы.

Таким образом, заявляемая телескопическая система может быть использована в зрительных трубах, визирах, прицелах и других наблюдательных приборах для обеспечения возможности наблюдения удаленных объектов при увеличенном поле зрения и улучшенном качестве изображения, а также для обеспечения возможности наблюдения с одновременным уменьшением габаритов всей системы.

На чертеже показана оптическая схема предлагаемой телескопической системы.

Предлагаемая телескопическая система состоит из защитного стекла 1, светоотклоняющего элемента 2, выполненного в виде призмы-куба, расположенного за ним объектива 3, оборачивающей системы 4, расположенного за ней светоотклоняющего элемента 5, выполненного в виде плоского зеркала и окуляра 6. Объектив 3 состоит из компонента 7, выполненного в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, склеенного из отрицательного 8 и положительного 9 менисков, двояковыпуклой линзы 10 и положительного компонента 11. После объектива установлен положительный коллектив 12.

Оборачивающая система 4 содержит отрицательный мениск 13, обращенный вогнутостью к объекту, двояковыпуклую линзу 14, склеенный компонент 15, состоящий из отрицательного мениска 16 и двояковыпуклой линзы 17.

Окуляр 6 состоит из отрицательного мениска 18, обращенного выпуклостью к предмету, двояковыпуклой линзы 19 и положительного компонента 20, склеенного из трех линз, двояковыпуклой 21, двояковогнутой 22 и двояковыпуклой 23.

O₁ - центр поворота оборачивающей системы.

ϕ - угол наклона отражающей поверхности 24 светоотклоняющего элемента 5 к оптической оси объектива 3.

Пример конкретного выполнения. Разность коэффициентов дисперсий стекол отрицательного мениска 13 и первого положительного компонента 14 оборачивающей системы 4 равна 9,36, разность показателей преломления положительных 21 и 23 и отрицательных 22 линз второго положительного компонента 20 окуляра 5 равна 0,011679, а разность коэффициентов дисперсии - 24,25, отношение фокусного расстояния объектива 3 к фокусному расстоянию оборачивающей системы 4 равно 1,21, а фокусное расстояние окуляра 6 составляет 0,55 фокусного расстояния оборачивающей системы 4, угол наклона ϕ светоотклоняющего элемента 5 к оптической оси равен 51^o.

Телескопическая система работает следующим образом.

Световой поток от объектива, не указанного на чертеже, проходит через защитное стекло 1, светоотклоняющий элемент 2, выполненный в виде призмы-куба на объектив 3.

Объектив 3 создает промежуточное изображение удаленного объекта в задней фокальной плоскости. Оборачивающая система 4 проецирует изображение объекта из задней фокальной плоскости объектива 3 в переднюю фокальную плоскость окуляра 6. Светоотклоняющий элемент 5 изменяет направление распространения светового потока между оборачивающей системой 4 и окуляром 6 (оборачивающая система 4 находится в положении I) или между объективом 3 и оборачивающей системой 4 в положении II.

Окуляр 6 создает бесконечно удаленное изображение объекта. Скачкообразное изменение увеличения осуществляется при перемещении оборачивающей системы 4 по дуге окружности с центром O₁, расположенным на линии пересечения плоскости, содержащей отражающую поверхность 24 светоотклоняющего элемента 5, и плоскости, содержащей оптические оси прибора до и после светоотклоняющего элемента из положения I в положение II и обратно.

Перемещение осуществляется с помощью поворотного механизма (не показан) на угол 180^o - 2•51^o = 78^o.

Заявленная телескопическая системы имеет увеличенное в 3 раза по сравнению с прототипом поле зрения - 14^o, в то время как у прототипа - 4^o30', и достаточно высокое качество изображения по всему полю зрения: в центре поля зрения максимальная разность сферических аберраций в спектральном диапазоне длин волн от F до C достигает 1'50'', а хроматизм увеличения по полю зрения 14^o не превосходит 1'35'' (у прототипа эти величины составляют соответственно 4'40'' и 5'10''). Кроме того, заявляемая телескопическая система позволяет проводить наблюдение объекта при двух увеличениях со скачкообразным их изменением.

Дополнительным техническим преимуществом заявляемой телескопической системы является уменьшенное в 1,5 раза виньетирование наклонных пучков, что делает более равномерным распределение светового потока по полю зрения (освещенность изображения на краю поля зрения составляет 41% от освещенности изображения объекта в центре поля зрения у заявляемой телескопической системы и 27,7% у прототипа соответственно) и, в конечном итоге, улучшает условия обнаружения объектов на краях поля зрения.

В настоящее время разработана техническая документация заявляемой телескопической системы, которая предназначена для новых визирных устройств и прицелов.

Применение заявляемой телескопической системы обеспечит наблюдение удаленных объектов с увеличенным полем зрения, повышенным качеством изображения и с возможностью скачкообразного изменения увеличения.

В качестве базового объекта принята телескопическая система серийно выпускаемого на нашем предприятии изделия-прицела 1ПЗ-3 по ТУ 37.36.007.

Результаты сопоставительного анализа изобретения и базового объекта показали, что по сравнению с базовым объектом предлагаемая телескопическая система имеет ряд преимуществ.

1. Повышенное в 1,5 раза светопропускание, равное 32%, в то время как в базовом объекте эта величина составляет 20%.

2. Улучшенная коррекция хроматических аберраций по всему полю зрения: в центре поля зрения максимальная разность сферических аберраций в спектральном диапазоне длин волн от F до C составляет 1'50'', сами величины этих аберраций не превышает 4'35'', А хроматизм увеличения по полю зрения 14^o не превосходит 1'35'', в то время как у базового объекта эти величины составляют соответственно 2'53'', 10'23'' и 2'19''.

3. Существенно упрощенная конструкция: 24 оптические детали у заявляемой телескопической системы и 36 у базового объекта соответственно.

Указанные преимущества позволяют получить значительный эффект в народном хозяйстве.

1. Повышение светопропускания системы расширяет область применения, обеспечивая возможность наблюдения объектов в условиях пониженной освещенности.

2. Улучшение коррекции хроматических аберраций по всему полю зрения обеспечивает более благоприятные условия наблюдения и облегчает обнаружение низкоконтрастных объектов.

3. Упрощение конструкций позволяет получить значительный экономический эффект при производстве заявляемых телескопических систем как за счет уменьшения числа оптических деталей, так и за счет упрощения механических узлов изделия.

Экономический эффект от использования изобретения взамен базового объекта определяется по формуле
Э = [(C_с - C_н) - E_н•K_доп]•A_н,
где
C_с и C_н - себестоимость базового и нового изделий, руб.;
E_н - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;
K_доп - удельные дополнительные капитальные вложения, руб./шт.;
A_н - годовой объем выпуска новых приборов, шт.

Изобретение может быть применено в оптическом приборостроении, а именно в зрительных трубах, визирах, прицелах и других приборах, предназначенных для наблюдения удаленных объектов, а также для обеспечения возможности наблюдения со скачкообразным изменением увеличения. В телескопической системе объектив состоит из двух компонентов, первый из которых выполнен в виде мениска, обращенного вогнутостью к объекту, перед первым положительным компонентом оборачивающей системы введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к объекту, причем первый положительный компонент оборачивающей системы выполнен в виде двояковыпуклой линзы, а разность коэффициентов дисперсии стекол отрицательного мениска и этого компонента составляет не менее 8, второй компонент окуляра выполнен в виде трехсклеенной линзы, средний элемент которой отрицателен, а наружные - положительны, при этом разность показателей преломления положительных и отрицательных линз не более 0,03, а разность коэффициентов дисперсии не менее 15, отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию оборачивающей системы лежит в пределах 0,9 ^oC 1,3, а фокусное расстояние окуляра составляет не менее 0,5 фокусного расстояния оборачивающей системы. 1 ил.

Телескопическая система, включающая объектив, содержащий положительный компонент, склеенный из двояковыпуклой и отрицательной линз, оборачивающую систему, содержащую два положительных компонента, второй из которых выполнен в виде склеенной линзы, и окуляр, содержащий два положительных компонента, причем второй выполнен в виде двояковыпуклой линзы, отличающаяся тем, что с целью увеличения поля зрения и улучшения качества изображения, перед положительным компонентом дополнительно введен мениск, склеенный из отрицательного и положительного менисков, и двояковыпуклая линза, перед первым положительным компонентом оборачивающей системы введен отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к предмету, причем первый положительный компонент оборачивающей системы выполнен в виде двояковогнутой линзы, а второй - склеенный из отрицательного мениска, обращенного вогнутостью и к изображению, и двояковыпуклой линзы, при этом разность коэффициентов дисперсий стекол отрицательного мениска и первого положительного компонента составляет величину не менее 8, перед первым положительным компонентом окуляра установлен отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, второй положительный компонент выполнен в виде трехсклеенной линзы, средний элемент которой двояковогнутый, а наружные элементы - двояковыпуклые линзы, при этом разность показателей преломления положительных и отрицательных линз не превышает величины 0,03, а разность коэффициентов дисперсии составляет величину не менее 15, отношение фокусных расстояний объектива к оборачивающей системы 0,9 - 1,3, а фокусное расстояние окуляра не менее 0,5 фокусного расстояния оборачивающей системы.