Окуляр с вынесенным выходным зрачком

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптико-электронных приборах с электронно-оптическими преобразователями или микродисплеями форматом 800×600 пикселей и диагональю 15 мм, в частности в тепловизионных прицелах для стрелкового оружия.

Окуляры для таких приборов должны иметь большой вынос выходного зрачка для предотвращения травматизма глаз, а также увеличенный диаметр выходного зрачка для его быстрого сопряжения со зрачком оператора.

Известен окуляр с удаленным зрачком по патенту РФ №118081, содержащий отрицательный дублет, положительный мениск, положительный дублет, положительный мениск, при этом мениски обращены друг к другу своими выпуклыми поверхностями, отрицательные линзы отрицательного и положительного дублетов расположены первыми по ходу лучей, одинаковые по знаку линзы дублетов выполнены из одинаковых материалов. Установлены соотношения между оптическими характеристиками окуляра.

Указанный окуляр имеет сложную оптическую схему (шесть линз) и низкое качество изображения на пространственной частоте Найквиста ν=33,3 мм^-1. Контраст для осевой точки поля зрения составляет 0,65, а для зоны и края поля зрения - 0,2, что соответствует дифракционным кружкам рассеяния соответственно 17 мкм и 45 мкм при размере пикселя 15 мкм.

Известен окуляр с вынесенным зрачком по патенту РФ №2585892, содержащий пять линз, объединенных в три оптических компонента, из которых первые два компонента со стороны плоскости изображения (плоскости дисплея) выполнены в виде склеенных линз, а глазной компонент - в виде положительной менисковой линзы, обернутой вогнутостью к глазу наблюдателя, передняя склеенная линза имеет отрицательную оптическую силу и ее склеиваемая поверхность обернута вогнутостью к изображению, а выпуклая поверхность глазной линзы имеет форму параболоида.

Проверочный расчет окуляра в обратном ходе лучей по приведенным в изобретении конструктивным элементам показал высокое качество изображения для осевой точки поля зрения, низкую дисторсию и телецентрический ход главного луча в пространстве предметов.

При этом окуляр имеет следующие недостатки: сложность оптической схемы (5 линз); небольшой диаметр выходного зрачка (5 мм); большая масса окуляра (при умеренном виньетировании 150 г); низкое качество изображения по краю поля зрения, на котором контраст изображения находится на уровне 0,2 для пространственной частоты Найквиста ν=33,3 мм^-1.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности - прототипом - является окуляр по патенту США №5202795 (вариант 1). Окуляр содержит расположенные по ходу лучей от плоскости предметов отрицательный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости предметов, двояковыпуклую линзу с асферической второй поверхностью (асферика 10-го порядка) и положительный дублет. Положительный дублет состоит из двояковыпуклой положительной линзы и отрицательной линзы. Двояковыпуклая линза выполнена из пластика. Приведены показатели преломления и коэффициенты дисперсии мениска, линзы и дублета. В окуляре обеспечивается телецентрический ход главного луча в пространстве предметов.

Конструктивные элементы окуляра приведены для фокусного расстояния 25 мм и выходного зрачка 2 мм. Поле зрения составляет ± 23,72°. Проведенный расчет показал, что для фокусного расстояния 25 мм удаление выходного зрачка окуляра составляет около 20 мм, а для фокусного расстояния 27 мм - 21,7 мм.

Окуляр имеет следующие недостатки:

1. Малое удаление выходного зрачка (21,7 мм), что не дает возможность использования окуляра в прицелах для стрелкового оружия.

2. Небольшой диаметр выходного зрачка (2,3 мм для фокусного расстояния 27 мм), что создает неудобства при работе в реальных условиях на местности.

3. Низкое качество изображения по зоне и краю поля зрения, на котором контраст изображения находится на уровне 0,2 для пространственной частоты ν=33,3 мм^-1.

Техническая проблема заключается в получении следующих технических результатов: увеличение удаления выходного зрачка, увеличение диаметра выходного зрачка и повышение качества изображения по всему полю зрения.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Окуляр с вынесенным выходным зрачком, как и прототип, содержит расположенные по ходу лучей три компонента, первый из которых - отрицательный мениск, второй - положительная одиночная линза, вторая поверхность которой выполнена асферической, а третий - положительный дублет, состоящий из двояковыпуклой положительной линзы и отрицательной линзы. В отличие от прототипа в окуляре выполнено следующее: мениск обращен вогнутой поверхностью к плоскости предметов; одиночная линза выполнена плосковыпуклой с конической постоянной ее асферической поверхности в пределах от (-0,25) до (-0,6); отрицательная линза дублета выполнена в виде мениска, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов; при этом выполняются условия: ϕ₁=-(0,67÷1,17), ϕ₂=0,82÷1,08, ϕ₃=0,28÷0,47, где ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ - оптические силы соответственно первого, второго и третьего компонентов.

Пример конкретной реализации окуляра представлен на чертежах:

На фиг. 1 представлена оптическая схема окуляра в прямом ходе лучей.

На фиг. 2 представлен контраст изображения в обратном ходе лучей.

На фиг. 3 представлены графики астигматизма и дисторсии в обратном ходе лучей.

Окуляр с вынесенным выходным зрачком (фиг. 1) содержит расположенные по ходу лучей от плоскости предметов 1 три оптических компонента: отрицательный мениск 2, одиночную, положительную плосковыпуклую линзу 3 и положительный дублет, состоящий из двояковыпуклой положительной линзы 4 и отрицательной линзы - мениска 5, обращенного вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Мениск 2 обращен вогнутой поверхностью к плоскости предметов. Выпуклая поверхность линзы 3 выполнена асферической. Для улучшения технологичности асферизации первая поверхность линзы 3 выполнена плоской. Отрицательный мениск 2 обеспечивает телецентричность хода главного луча наклонного пучка лучей. Центральный луч наклонного пучка лучей (главный луч АВ) идет параллельно оптической оси, что создает равномерность освещенности по всему полю зрения, а также способствует исправлению полевых аберраций, в том числе и дисторсии.

Конструктивные элементы окуляра представлены в таблице 1.

* - коэффициент асферичности К=-0,5.

Из таблицы 1 следуют следующие значения оптических сил мениска 2, линзы 3 и дублета из линзы 4 и мениска 5: ϕ₁=-0,89, ϕ₂=1,0, ϕ₃=0,4. Эти значения лежат в пределах заявленных диапазонов. Выпуклая поверхность линзы 3 (поверхность 5 по таблице 1) является асферической поверхностью второго порядка с конической постоянной К=-0,5, лежащей в заявленном диапазоне от (-0,25) до (-0,65).

В таблице 2 приведены оптические характеристики окуляра.

Длина окуляра дана с учетом удаления выходного зрачка (50 мм).

В предложенном окуляре удаление выходного зрачка по сравнению с прототипом увеличено в 2,4 раза, а диаметр выходного зрачка - в 4 раза.

В качестве материала мениска 2 может быть использован тяжелый флинт, например ТФ10, ТФ5 (ГОСТ 3514-94). В качестве материала линзы 3 может быть использован сверхтяжелый крон, например, стекло СТК12, СТК9. В качестве материала линзы 4 может быть использован тяжелый или сверхтяжелый крон, например, стекло ТК14, ТК23, СТК12, а мениска 5 - стекло ТФ10, ТФ5.

Окуляр работает следующим образом. Пучки лучей, идущие от плоскости предметов 1, последовательно проходят через мениск 2, линзу 3 и дублет из линзы 4 и мениска 5 и направляются в выходной зрачок диаметром 8,4 мм с небольшим виньетированием. Оптическая сила мениска 2 выбрана таким образом, что при выносе зрачка на 50 мм от последней поверхности окуляра главный луч наклонных пучков лучей идет параллельно оптической оси в пространстве предметов, т.е. является телецентрическим.

В отличие от окуляров для телескопов или биноклей, где окуляр составляет единую схему с объективом и происходит взаимная компенсация остаточных аберраций, предлагаемый окуляр для оптико-электронных приборов оптически не сопряжен с объективом и, по сути, является лупой большого увеличения (примерно 10^×).

В тепловизизионных приборах оператор видит дисплей целиком. При этом прямоугольный дисплей приобретает в основном бочкообразную форму (отрицательная дисторсия), что мешает наблюдению. Допустимая дисторсия для окуляра не должна превышать ±2,5%. Дисторсия возникает из-за того, что вынос зрачка равен примерно двум фокусным расстояниям окуляра, а попытки исправить ее обычной оптимизацией окуляра приводят к появлению большой сферической аберрации и комы.

Поскольку окуляр работает в режиме лупы, целесообразно рассматривать его аберрации в обратном ходе лучей. При этом в связи с малым размером пикселя дисплея необходимо рассматривать не геометрические аберрации, а контраст изображения (ЧКХ) или критерий Найквиста, по которому контраст изображения на частоте ν=1/2Q=33,3 мм^-1 должен быть не менее 0,6, где Q-размер пикселя, равный 0,015×0,015 мм.

Расчет окуляра в соответствии с общепринятой методикой проведен в обратном ходе лучей, т.е. когда пучки лучей идут от выходного зрачка через окуляр к плоскости предметов 1. При этом в расчет взяты косые (диагональные) пучки лучей: для края поля зрения ± 14,5° и зоны поля зрения ±10°. Аберрационный расчет проводился для трех спектральных линий визуального диапазона: F (588 нм), d (486 нм) и С (656 нм).

Результаты расчетов контраста изображения (ЧКХ) на частоте Найквиста представлены на фиг. 2. По оси абсцисс отложена пространственная частота в штрихах на миллиметр, а по оси ординат - модуль передаточной функции. Контраст изображения представлен для осевой (0°), зональной (10°) и краевой (14,5°) точек поля зрения, изображения которых расположены по диагонали дисплея. Литера "М" соответствует меридиональной составляющей контраста изображения, а литера "С" - сагиттальной. Верхний график (дифр.) соответствует дифракционному качеству изображения.

Как видно из фиг. 2, на частоте Найквиста 33,3 мм^-1 все графики имеют контраст на уровне 0,6. Это означает, что для точки на оси 80% концентрации энергии вписывается в кружок рассеяния 7 мкм, а по полю ±10° и ±14,5° - в кружок 16 мкм.

Как видно из фиг. 3, астигматизм окуляра не превышает ±0,2 мм, а дисторсия составляет всего 0,6%.

Проведенные расчеты показали, что технические результаты достигаются при всех заявленных диапазонах ϕ₁=-(0,67÷1,17), ϕ₂=0,82-1,08, ϕ₃=0,28-0,47, К=-(0,25÷0,6).

Таким образом, наряду с большим удалением выходного зрачка (50 мм), превышающим фокусное расстояние окуляра в 1,8 раза, увеличенным диаметром выходного зрачка (8,4 мм), окуляр обладает пониженной дисторсией и высоким качеством изображения.