ОКУЛЯР Российский патент 2012 года по МПК G02B25/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к светосильным окулярам с вынесенным передним фокальным отрезком, и может быть использовано в наблюдательных приборах, в том числе в приборах ночного видения с формированием изображения на CCD матрице. В частности изобретение относится к объектам, имеющим кроме основного дополнительный канал, который предназначен для отображения в предметной плоскости окуляра вспомогательной информации.

Известен окуляр, содержащий три компонента, первый из которых - положительная склейка, состоящая из отрицательной и двояковыпуклой положительной линз, второй и третий - положительная и отрицательная линзы. Окуляр содержит также светоделительную призму, расположенную перед первым компонентом [RU 2155980 - прототип]. Окуляр предназначен для работы в видимой области спектра и может быть использован в устройствах с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП).

Окуляр имеет возможность отображения вспомогательной информации в его предметной плоскости через упомянутую светоделительную призму. Для ввода вспомогательной информации (сетка, индекс или иная разметка) в дополнительный канал светоделительной призмы включено проекционное устройство, позволяющее в процессе эксплуатации изменять характер вводимой дополнительной информации, и устройство подсветки. Для того, чтобы обеспечить возможность установки светоделительной призмы, окуляр имеет увеличенный передний фокальный отрезок.

Согласно описанию изобретения к патенту RU 2155980 окуляр-прототип имеет следующие технические характеристики.

Угол поля зрения в пространстве изображения   (для основного канала) 39,8° Передний фокальный отрезок (без призмы) 0,8 f Диаметр входного зрачка 6 мм Дисторсия на краю поля зрения 3,9% Относительное отверстие 1:4,3 Вынос выходного зрачка 0,9 f Фокусное расстояние f 26,1 мм Угловые аберрации не обозначены Расход окуляра ±4 дптр

Основной недостаток прототипа состоит в том, что он имеет узкое поле зрения в дополнительном канале (всего несколько градусов) и сравнительно короткий передний отрезок, что не позволяет установить жидкокристаллический дисплей в дополнительный канал. Жидкокристаллические дисплеи в последнее время стали активно применяться в современных наблюдательных приборах.

В прототипе для вывода вспомогательной информации рекомендуется использовать проекционное устройство, для работы которого нужна подсветка, а это дополнительный набор линз, который увеличивает габариты, вес и стоимость окуляра. Указанные параметры в настоящее время имеют ключевое значение при проектировании наблюдательных приборов.

К тому же в прототипе для передачи вспомогательной информации лучи проходят от источника информации через проекционное устройство и светоделительную призму, попадают в плоскость ЭОПа, а затем проделывают обратный путь через призму в окуляр. Прохождение лучей через проекционную систему и затем дважды через призму значительно снижает эффективность прохождения света и делает невозможным применение в окуляре современных ЖК-дисплеев, яркость которых ограничена спецификацией (технологией).

Кроме того, поскольку размер пикселя в ЖК-дисплеях составляет несколько мкм (3-10 um), диагональ излучающей площадки больше 16 мм, то к окулярам, предназначенным для использования с такими дисплеями, предъявляются повышенные требования по исправлению угловых аберраций.

Задачей изобретения является создание окуляра, в дополнительный канал которого может быть установлен ЖК-дисплей, при одновременном уменьшении габаритов, веса и стоимости окуляра, и тем самым обеспечение возможности применения окуляра в современных наблюдательных приборах.

Сущность изобретения заключаются в следующем.

В окуляре, содержащем склейку, состоящую из двояковыпуклой положительной и отрицательной линз, при этом отрицательная линза выполнена из материала с коэффициентом дисперсии V_D не более 30, плосковыпуклую одиночную положительную линзу и светоделительную призму, установленную перед первым компонентом, указанные линзовые компоненты расположены по ходу луча в следующей последовательности: плосковыпуклая одиночная положительная линза, обращенная к пространству предметов плоской поверхностью, и затем склейка, обращенная к пространству предметов двояковыпуклой положительной линзой, а светоделительная призма выполнена в виде куб-призмы, при этом положительные линзы выполнены из материала с коэффициентом дисперсии V_D не менее 60, а оптические силы одиночной линзы и склеенного компонента выбираются из условий:

φ₁=0,40…0,60 φ_ок

φ₂=0,40…0,60 φ_ок,

где φ_ок - оптическая сила окуляра.

Окуляр по изобретению имеет следующие технические характеристики:

Угол поля зрения в пространстве изображения   в обоих каналах 45° Передний фокальный отрезок (без призмы) 0,85 f Диаметр входного зрачка 6 мм Дисторсия на краю поля зрения <5% Относительное отверстие 1:4 Вынос выходного зрачка 0,85 f Фокусное расстояние 19 мм Угловые аберрации (для края поля) <1 дптр Расход окуляра ±5 дптр

Благодаря достигнутым оптическим характеристикам (широкому полю зрения и высокому качеству изображения) окуляр может работать с ЖК-дисплеем в дополнительном канале.

В предлагаемой конструкции изображение от ЖК-дисплея поступает непосредственно в окуляр через светоделительную грань куб-призмы без применения каких-либо дополнительных устройств (без проекционной системы и подсветки, применяемых в прототипе).

ЖК-дисплеи позволяют отображать в поле зрения наблюдателя большой объем зрительной информации, поэтому ЖК-дисплеи находят все более широкое применение при создании современных наблюдательных приборов.

Установить куб-призму стало возможным благодаря тому, что в заявляемом окуляре увеличен по сравнению с прототипом передний фокальный отрезок. Увеличение переднего фокального отрезка на 0,05 f увеличило диоптрийный расход окуляра (настройку на резкость) на 25%: с ±4 дптр до ±5 дпт.

Применение куб-призмы позволило увеличить угол поля зрения в дополнительном канале и сделать угол поля зрения в основном и дополнительном каналах одинаковым и равным 45°.

Предложенный окуляр имеет простую конструкцию и содержит только два компонента, первый - положительная линза, второй - склеенный, состоящий из положительной и отрицательной линз, в отличие от прототипа, содержащего дополнительно еще одну линзу.

Благодаря тому, что в предлагаемом окуляре изображение в дополнительном канале передается без использования каких-либо промежуточных устройств, значительно повысилась эффективность прохождения света и качество изображения вспомогательной информации, уменьшились габариты, вес и стоимость окуляра.

Увеличение переднего отрезка, расширение поля зрения в дополнительном канале и увеличение диоптрийного расхода позволило использовать заявляемый окуляр совместно с современными жидкокристаллическими (ЖК) дисплеями. Вывод большого объема зрительной информации, поступающей от ЖК-дисплеев в значительной степени расширяет потребительские свойства наблюдательных приборов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена оптическая схема предлагаемого окуляра,

на фиг.2 приведены графики кривизны и астигматизма,

на фиг.3 - график относительной дисторсии,

на фиг.4 - график сферических аберраций для точки на оси.

Линейное поле окуляра m=16 мм, указанное по шкале ординат на графиках фиг.2 и 3 соответствует угловому полю окуляра 45 градусов (для обоих каналов).

Величина шкалы 0,4 мм на графике фиг.2 соответствует ~1 дптр.

Все кривые представлены для длины волны 587,6 нм.

Оптическая схема предлагаемого окуляра (фиг.1) состоит из светоделительной куб-призмы 1 и двух линзовых компонентов. Первый компонент - одиночная положительная линза 2, которая обращена к пространству предметов плоской поверхностью, второй - склейка, состоящая из двояковыпуклой положительной линзы 3 и отрицательной линзы 4. Склейка 3, 4 обращена к пространству предметов двояковыпуклой положительной линзой 3. Глаз наблюдателя помещается в выходном зрачке 5.

Ниже приведена таблица конструктивных параметров компонентов окуляра.

Поверхность Радиус кривизны Расстояние между поверхностями Стекло Диаметр Показатель преломления (Nd) Дисперсия (Vd) Объект ∞         1 ∞ 1.6       2 ∞ 20 1.516 64.2 20 3 ∞ 1.75     20 4 ∞ 5 1.620 60.3 22 5 -25.63 0.3     22 6 17.79 7 1.589 61.2 20 7 -21.82 2.2 1.805 25.4 20 8 -380.9 15     20 Плоскость изображения ∞       5.1

Испытания и практика работы с опытными образцами окуляра, изготовленными по данным конструктивным параметрам, подтвердили указанные технические характеристики и технический результат.

Окуляр работает следующим образом.

Световой поток от предметной плоскости А проходит через светоделительную куб-призму 1 и линзы 2-4 и попадает в глаз наблюдателя, находящийся в выходном зрачке 5 окуляра. Вспомогательная информация, поступающая от ЖК-дисплея, расположенного в плоскости Б, проходит через светоделительную куб-призму 1, линзы 2-4 и попадает в выходной зрачок 5 одновременно с основным изображением от предметной плоскости А.

Для обеспечения резкости изображения при работе с глазом обеспечена диоптрийная подвижка всем окуляром на ±5 диоптрий.

Изобретение может быть использовано в наблюдательных приборах, в том числе в приборах ночного видения с формированием изображения на CCD матрице. Окуляр содержит светоделительную призму, установленную перед первым линзовым компонентом, и расположенные по ходу луча плосковыпуклую одиночную линзу, обращенную к пространству предметов плоской поверхностью, и склейку из двояковыпуклой и отрицательной линз, обращенную к пространству предметов двояковыпуклой линзой. Отрицательная линза выполнена из материала с коэффициентом дисперсии v_D не более 30. Положительные линзы выполнены из материала с коэффициентом дисперсии v_D не менее 60. Светоделительная призма выполнена в виде куб-призмы. Оптические силы одиночной линзы и склеенного компонента выбираются из условий: φ₁=0,40…0,60φ_ок, φ₂=0,40…0,60φ_ок, где φ_ок - оптическая сила окуляра. Технический результат - обеспечение возможности установки в дополнительный канал окуляра ЖК-дисплея при одновременном уменьшении габаритов, веса и стоимости. 4 ил., 1 табл.

Окуляр, содержащий склейку, состоящую из двояковыпуклой положительной и отрицательной линз, при этом отрицательная линза выполнена из материала с коэффициентом дисперсии v_D не более 30, плосковыпуклую одиночную положительную линзу и светоделительную призму, установленную перед первым линзовым компонентом, отличающийся тем, что указанные линзовые компоненты расположены по ходу луча в следующей последовательности: плосковыпуклая одиночная положительная линза, обращенная к пространству предметов плоской поверхностью, затем склейка, обращенная к пространству предметов двояковыпуклой положительной линзой, при этом светоделительная призма выполнена в виде куб-призмы, положительные линзы выполнены из материала с коэффициентом дисперсии v_D не менее 60, а оптические силы одиночной линзы и склеенного компонента выбираются из условий:
φ₁=0,40…0,60φ_ок
φ₂=0,40…0,60φ_ок
где φ_ок - оптическая сила окуляра.