Результат интеллектуальной деятельности: ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОКУЛЯР

Изобретение относится к области астрономических приборов и может быть использовано в оптических системах искателей поля телескопов, а также для визуальных наблюдений в телескопах и астрономических бинокулярных приборах с увеличенным полем зрения.

Известна четырехкомпонентная схема окуляра Наглера [1]. Схема имеет действительную плоскость изображения и поле зрения 2ω=76°-82°, склеенные компоненты расположены как со стороны плоскости изображения, так и со стороны глаза наблюдателя. Однако эта схема из-за большого остаточного астигматизма и хроматизма увеличения не обеспечивает надлежащего качества изображения на краях поля зрения, в особенности для фокусных расстояний окуляра, превышающих 25 мм, кроме того, она обладает значительной сферической аберрацией в зрачке, что приводит к виньетированию краевых зон поля зрения и создает дискомфорт при наблюдении объектов, находящихся на краях поля зрения.

Прототипом изобретения является четырехкомпонентный широкоугольный окуляр, в котором первые три компонента со стороны плоскости изображения - однолинзовые [2]. Первый компонент окуляра выполнен в виде плоско-вогнутой линзы, второй и третий компоненты - в виде плоско-выпуклых линз, обращенных выпуклостью навстречу друг другу, а первая линза четвертого компонента выполнена двояковыпуклой и склеена с отрицательной плоско-вогнутой линзой, причем преломляющая поверхность склейки четвертого компонента обращена выпуклостью к зрачку.

Окуляр имеет действительную плоскость изображения, расположенную на расстоянии от первой плоской поверхности, где - фокусное расстояние окуляра. Вынос выходного зрачка от последней плоской поверхности окуляра составляет . Окуляр обеспечивает поле зрения 2ω=90°.

Однако такие параметры окуляра, в сочетании с хорошим качеством изображения по краям поля зрения, можно реализовать только, когда отрицательные линзы окуляра выполнены из стекла типа «сверхтяжелый флинт», которое практически обрезает излучение синей области спектра. Поэтому применение таких окуляров в астрономических приборах недопустимо. При использовании в окуляре-прототипе отрицательных линз из стекол типа «тяжелый флинт» получается большая кривизна поверхности склейки четвертого компонента. Вследствие чего, при исправлении хроматизма увеличения на краю поля, его величина в средней части остается значительной, кроме того, увеличиваются остаточные аберрации на краях поля и сферическая аберрация в зрачке окуляра, что приводит к значительному ухудшению качества изображения и дискомфорту наблюдения на краях поля зрения.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества изображения на краю поля зрения и уменьшение сферической аберрации окуляра в выходном зрачке. При этом для компонентов окуляра должны быть использованы стекла, пропускающие весь спектр излучения видимой области, а вынос выходного зрачка окуляра и положение плоскости изображения не должны создавать дискомфорт наблюдателю и давать возможность удобства размещения в плоскости изображения сетки с перекрестием.

Техническим результатом изобретения является создание окуляра с улучшенным качеством изображения на краю поля зрения и меньшими сферическими аберрациями окуляра в выходном зрачке.

Данный результат достигается тем, что в схеме широкоугольного окуляра, содержащего четыре компонента, первый из которых выполнен в виде плоско-вогнутой линзы, а второй - в виде плоско-выпуклой линзы, причем плоские поверхности линз обращены к плоскости изображения, третий положительный компонент состоит из склеенных между собой двояковыпуклой и плоско-вогнутой линз, причем преломляющая поверхность склейки обращена выпуклостью к выходному зрачку, а четвертый положительный компонент состоит из склеенных между собой отрицательной менисковой линзы и двояковыпуклой линзы, при этом преломляющая поверхность склейки обращена вогнутостью к выходному зрачку. Линзы третьего положительного компонента выполнены из стекла с приблизительно равными коэффициентами преломления для основной линии спектра, но с разными дисперсиями.

Выполнение третьего положительного компонента окуляра в виде склеенных между собой положительной двояковыпуклой и отрицательной плоско-вогнутой линз с приблизительно равными коэффициентами преломления для основной линии спектра, но разными дисперсиями, создает возможность уменьшения остаточного хроматизма увеличения по полю зрения, так как позволяет ввести в схему окуляра еще одну отрицательную линзу и тем самым уменьшить кривизну преломляющей склеенной поверхности четвертого компонента.

Обращение преломляющей поверхности склейки третьего компонента выпуклостью к выходному зрачку и, в отличие от прототипа, обратное чередование оптических сил линз четвертого компонента, составленного из склеенных между собой отрицательной менисковой линзы и двояковыпуклой линзы с преломляющей поверхностью склейки, обращенной вогнутостью к выходному зрачку, позволяет уменьшить углы падения и преломления лучей, идущих через преломляющие поверхности линз. Это вызывает уменьшение остаточного хроматизма увеличения, а также уменьшение остаточных полевых аберраций и сферической аберрации окуляра в выходном зрачке, что в итоге приводит к улучшению качества изображения и повышению комфорта наблюдения краевых зон поля зрения.

Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения. Широкоугольный окуляр из четырех компонентов с заявляемой совокупностью существенных признаков в известных источниках информации также не обнаружен.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - оптическая схема широкоугольного окуляра.

Фиг. 2 - график хроматизма увеличения окуляра.

Фиг. 3 - графики остаточных осевых аберраций окуляра:

а) продольные;

б) поперечные:

в) волновые;

г) отступление от закона синусов.

Фиг. 4 - графики полевых аберраций:

а) дисторсия;

б) ход астигматических фокальных поверхностей в меридиональном сечении.

Фиг. 5 - графики угловых аберраций по полю зрения:

а) в меридиональной плоскости;

б) в сагиттальной плоскости.

Фиг. 6 - график поперечной сферической аберрации главных лучей окуляра.

На фиг. 1 изображена предлагаемая оптическая схема широкоугольного окуляра.

Окуляр содержит четыре компонента, первый из которых выполнен в виде плоско-вогнутой линзы 1, а второй - в виде плоско-выпуклой линзы 2, причем плоские поверхности линз обращены к плоскости изображения. Третий положительный компонент 3 состоит из склеенных между собой двояковыпуклой и плоско-вогнутой линз, причем преломляющая поверхность склейки обращена выпуклостью к выходному зрачку, а четвертый положительный компонент 4 состоит из склеенных между собой отрицательной менисковой линзы и двояковыпуклой линзы, при этом преломляющая поверхность склейки обращена вогнутостью к выходному зрачку.

Квазителецентрические пучки лучей света, идущие от плоскости изображения, сформированные предшествующей оптической системой, рассеиваются отрицательной линзой 1 и фокусируются системой положительных компонентов 2 и 3 в переднюю фокальную плоскость положительного компонента 4, после которой идут параллельным пучком лучей и собираются в плоскости выходного зрачка окуляра.

Обоснуем возможность достижения в предложенной схеме заявленных технических характеристик.

Причиной низкого качества изображения на краях поля зрения и значительной сферической аберрации главных лучей полевых пучков в выходном зрачке окуляра-прототипа является как большая кривизна поверхности склейки четвертого компонента (при условии выполнения отрицательных линз окуляра из тяжелого флинта, пропускающего излучение всей видимой области спектра), так и ее ориентация относительно выходного зрачка, вызывающая большие остаточные аберрации. Чтобы повысить качество изображения краевых зон поля зрения, связанное с наличием остаточного астигматизма и хроматизма увеличения, а также уменьшить сферическую аберрацию главных лучей окуляра в выходном зрачке, необходимо уменьшить кривизну склеенной поверхности положительного четвертого компонента. Это можно сделать, распределив отрицательную оптическую силу линз окуляра не между двумя линзами, как в прототипе, а между тремя, выполнив положительный компонент 3 из склеенных между собой двояковыпуклой и плоско-вогнутой линз, причем из соображений уменьшения остаточных полевых аберраций преломляющую поверхность склейки нужно обратить выпуклостью к выходному зрачку. Преломляющую поверхность склейки четвертого компонента из тех же соображений необходимо обратить вогнутостью к выходному зрачку. Такое расположение преломляющих склеенных поверхностей компонентов 3 и 4 обеспечивает минимальные углы падения и преломления главных лучей на этих компонентах схемы, что приводит к уменьшению остаточных полевых аберраций. Таким образом, четвертый положительный компонент окуляра будет иметь обратную, относительно прототипа, ориентацию линз и их форму: первая линза, отрицательная, имеет форму мениска, а вторая, положительная, - двояковыпуклая.

В качестве конкретного примера, подтверждающего обоснованность связи рассмотренных отличительных признаков с достижением заявленных технических результатов, рассмотрим оптическую схему предлагаемого широкоугольного окуляра с фокусным расстоянием , заданную параметрами (1). В сноске параметров (1): r_s - радиусы сферических поверхностей по порядку следования в схеме, начиная от плоскости изображения (s - номер поверхности); d_s - толщины линз и воздушные промежутки; n_s - показатели преломления среды, указаны для линии спектра (546,07 нм). Для преломляющих сред указаны марки стекла; ∅_S - диаметры оптических поверхностей; - фокусное расстояние окуляра для линии e; S_F - положение плоскости изображения от первой плоской поверхности компонента 1; - положение выходного зрачка от последней поверхности окуляра.

В таблице 1 приведены фокусные расстояния компонентов схемы и составляющих их линз.

Выходной зрачок окуляра не более 6 мм. Угловое поле в пространстве выходного зрачка ω_y,z=±38°. Отрицательные линзы схемы выполнены из стекла ТФ4, положительные линзы компонентов 2 и 3 - из стекла СТК19. Указанные стекла имеют практически одинаковый показатель преломления для основной линии спектра e. Положительная линза компонента 4 выполнена из стекла ТК14 (ГОСТ 3514-94). Расстояния от плоскости изображения до первой поверхности блока линз окуляра и от последней поверхности блока линз до выходного зрачка, составляющие соответственно и , практически не создают дискомфорта при наблюдении с такими окулярами при фокусном расстоянии от 15 до 25 мм. Перефокусировка окуляра при наводке на резкость перекрестия сетки (в визуальном искателе) возможна в диапазоне ± 5 диоптрий. При этом для близорукого наблюдателя между плоскостью штрихов сетки и первой плоской поверхностью линзы остается еще достаточный воздушный промежуток.

Из данных сноски параметров (1) и таблицы 1 видно, что первый отрицательный компонент окуляра выполнен в виде плоско-вогнутой линзы. Второй положительный компонент окуляра выполнен в виде плоско-выпуклой линзы, причем плоские поверхности линз обращены к плоскости изображения. Третий положительный компонент состоит из склеенных между собой двояковыпуклой и плоско-вогнутой линз, причем преломляющая хроматическая поверхность склейки обращена выпуклостью к выходному зрачку, а фокусные расстояния второго и третьего компонентов практически равные. Четвертый положительный компонент состоит из склеенных между собой отрицательной менисковой линзы и двояковыпуклой линзы, причем преломляющая поверхность склейки обращена вогнутостью к выходному зрачку.

Рассмотрим, к чему приводит данная совокупность отличительных признаков.

На фиг. 2 изображен график хроматизма увеличения окуляра. По оси ординат отложены значения полевого угла ω в области выходного зрачка, выраженные в градусах. По оси абсцисс отложены значения хроматизма увеличения, рассчитанные по формуле:

выраженные в процентах. - расстояние от точки пересечения главного луча с плоскостью изображения до оптической оси, вычисляемое в обратном ходе лучей со стороны выходного зрачка. Из графика видно, что хроматизм увеличения окуляра небольшой и по полю зрения 2ω=76° в области выходного зрачка изменяется в пределах ±0,3%.

На фиг. 3 изображены графики остаточных осевых аберраций окуляра.

Графики построены в обратном ходе параллельного пучка лучей со стороны выходного зрачка для трех линий видимого спектра, соответствующих длинам волн (546,07 нм), F (486,1 нм) и C (656,3 нм). По оси абсцисс отложены значения координаты m на выходном зрачке. По оси ординат на графике фиг. 3a отложены значения продольной сферической аберрации ΔS' в мм, на графике фиг. 3б отложены значения поперечной сферической аберрации dY' мм, на графике фиг. 3в отложены значения волновой сферической аберрации W, выраженной в долях длины волны своего цвета, на графике фиг. 3г показано отступление от закона синусов Eta, %, характеризующее исправление комы окуляра.

Из графиков остаточных осевых аберраций окуляра (фиг. 3) следует, что остаточная сферическая аберрация на оси окуляра достаточно хорошо исправлена и при полном диаметре зрачка глаза 6 мм, что соответствует относительному отверстию окуляра порядка 1:4, не превышает величины 0,2λ, а остаточные волновые аберрации в спектральном диапазоне F-С не выходят за пределы 0.75λ. Отступление от закона синусов сравнительно небольшое и не превышает 0,13%.

На фиг. 4 изображены графики остаточных полевых аберраций окуляра, построенные для обратного хода лучей со стороны выходного зрачка в линии спектра (546,07 нм).

По оси абсцисс отложены значения полевого угла ω_y в области выходного зрачка, выраженные в градусах. По оси ординат на графике фиг. 4а отложены значения относительной дисторсии D, выраженные в %. По оси ординат на графике фиг. 4б дан ход астигматических фокальных поверхностей окуляра x'_m; x'_s в меридиональном сечении схемы, выраженный в мм. Штриховой линией обозначен ход фокальной поверхности для сагиттальных лучей, а сплошной - для меридиональных лучей.

Из графиков фиг. 4 видно, что относительная дисторсия окуляра на краю поля 2ω=76° не превышает величины 13,9%. Астигматизм также исправлен несколько лучше и на краю поля 2ω=76° величина не превышает 1,1 мм.

Для окончательной характеристики качества изображения предлагаемого широкоугольного окуляра были сформированы телецентрические пучки лучей, идущие со стороны плоскости изображения (фиг. 1), и построены графики угловых аберраций для трех зон поля зрения окуляра, соответствующих наклону главного луча относительно оси схемы: ω=0°; ω=20°; ω=38° (фиг. 5). Графики 5а соответствуют меридиональному сечению пучка лучей. По оси абсцисс отложены тангенсы угла главного луча в меридиональной плоскости tgσ_y. Графики 5б соответствуют сагиттальному сечению пучка лучей. По оси абсцисс отложены тангенсы угла главного луча в сагиттальной плоскости tgσ_z. По оси ординат на всех графиках отложены угловые аберрации dW_y'; dW_z', соответствующие тангенсам главных лучей tgσ_y,z, выраженные в угловых минутах. Величина tgσ_max=0,125 соответствует половине максимального относительного отверстия окуляра 1:4 (видно, что для этого значения апертуры окуляр имеет небольшое виньетирование краевого пучка лучей, не превышающее 20%, что отражено в несимметричности нижнего графика 5а). Графики построены для трех линий спектра , C, F. Кривые сагиттального сечения выделены штриховой линией. Над каждым рядом графиков указаны линейные координаты y, выраженные в мм, точки поля изображения, соответствующей углу поля в области выходного зрачка ω_y=0°, 20° и 38°.

Графики угловых аберраций по полю зрения характеризуют совокупное (от всех аберраций) качество изображения отдельной зоны поля зрения предлагаемого окуляра, выраженное в угловых минутах в области выходного зрачка окуляра, следовательно, и в области зрачка глаза наблюдателя.

Известно, что средний наблюдатель в области зрачка глаза диаметром 5 мм вблизи зоны наилучшего видения обладает угловой разрешающей способностью глаза около 3,7', а при зрачке глаза диаметром 6 и более мм разрешающая способность глаза существенно падает [3]. Это следует учитывать при оценке качества изображения окуляра. Из графиков следует, что на оси угловые аберрации окуляра при максимальном относительном отверстии 1:4 во всем видимом диапазоне спектра укладываются в величину около 4', что, в принципе, меньше разрешения глаза на зрачке 6 мм. Для относительного отверстия 1:8 угловые аберрации на оси уменьшаются до весьма незначительной величины, составляющей 1,2', что в 2,3 раза меньше, чем разрешающая способность глаза при диаметре зрачка 3 мм. На угловом поле окуляра ω=±20°, которое глаз охватывает с одной установки без поворота, качество изображения при относительном отверстии 1:4 ухудшается до 22,5'. При относительном отверстии 1:8 на поле 2ω=±20° угловые аберрации предлагаемой схемы не выходят за пределы 7,5', что в 2,7 раза превышает среднее значение разрешающей способности глаза для зрачка диаметром 3 мм [3]. Что касается края максимального поля зрения 2ω=±38°, то угловые аберрации предлагаемой схемы широкоугольного окуляра и схемы прототипа вполне сопоставимы, если отрицательные линзы прототипа выполнены из стекла СТФ11 (сверхтяжелый флинт). Но, как уже указывалось, это стекло непригодно для разработки на его основе астрономических окуляров, так как практически обрезает синюю область спектра и изменяет передачу цветов в изображении объекта. Если линзы окуляра-прототипа выполнять из обычного тяжелого флинта, то угловые аберрации на краю поля зрения значительно (в несколько раз) возрастут относительно предлагаемой схемы окуляра.

На фиг. 6 дан график сферической аберрации главных лучей окуляра. Предполагается телецентрический ход лучей в пространстве изображения. По оси ординат отложено значение поперечной сферической аберрации луча в плоскости выходного зрачка, выраженное в мм. По оси абсцисс отложены значения углов ω главного луча с оптической осью окуляра в плоскости выходного зрачка, выраженные в градусах. Из графика фиг. 6 видно, что поперечное смещение главных лучей в плоскости выходного зрачка не превышает 0,32 мм. Это практически исключает виньетирование зрачком глаза краевых зон поля зрения и тем самым обеспечивает комфорт наблюдения.

Таким образом, предлагаемая схема широкоугольного окуляра обеспечивает лучшее качество изображения на краю поля зрения и обеспечивает лучший комфорт наблюдения по отношению к сопоставимой по техническим возможностям схеме окуляра-прототипа.

Это обеспечивается благодаря наличию новой совокупности отличительных признаков:

1. Третий положительный компонент состоит из склеенных между собой двояковыпуклой и плоско-вогнутой линз, причем преломляющая поверхность склейки обращена выпуклостью к выходному зрачку;

2. Четвертый положительный компонент состоит из склеенных между собой отрицательной менисковой линзы и двояковыпуклой линзы, причем преломляющая поверхность склейки обращена вогнутостью к выходному зрачку.

Таким образом, предлагаемая схема широкоугольного окуляра обеспечивает лучшее качество изображения предметов по отношению к сопоставимой по техническим возможностям четырехкомпонентной схеме окуляра-прототипа и обеспечивает по отношению к ней лучший комфорт наблюдений. Это дает возможность применять ее в широкоугольных искателях поля телескопов, содержащих сетку с перекрестием, отмечающим центр поля зрения, а также для визуальных наблюдений в телескопах и астрономических бинокулярных приборах с увеличенным полем зрения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Patent US 4,525,035. Wide angle eyepiece / A. Nagler. 1985.

2. A.c. СССР 572741 / Широкоугольный окуляр / M.M. Русинов, E.H. Гончаренко, Г.Н. Репинский.

3. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика: 2-е изд. / под ред. Н.Н. Михельсона. Л.: Наука, 1979. - с. 160.