EA028315B1 - Wide-angle eyepiece - Google Patents

Abstract

The wide-angle eyepiece of the invention can be used for visual observations in telescopes working as comet finders, and in astronomical binoculars with an expanded field of vision. The eyepiece comprises five lenses integrated into three positive optical components. The first and last components of the eyepiece are composed by glued lenses while the central component is a convexo-convex lens. Said glued lenses are made of glass having a reflectivity constant of n≥1.69 at dispersion factors difference of μ≥26, while the glued surface of the last lens is directed by concavity toward the observer's eye. The technical result is higher image quality at the edge of angular field of vision 2ω=60-65° due to reduction of higher order aberrations.

Description

Изобретение относится к оптике и может использоваться для визуальных наблюдений в телескопах, работающих в режиме кометоискателей и астрономических бинокулярах с увеличенным угловым полем зрения в области глаза наблюдателя (2ω=60-65°).The invention relates to optics and can be used for visual observations in telescopes operating in the mode of comet finders and astronomical binoculars with an increased angular field of view in the eye area of the observer (2ω = 60-65 °).

Известны три типа пятилинзовых схем широкоугольных окуляров Эрфле, имеющих угловое поле зрения 2ω=60-65°, состоящих из трех оптических компонентов (Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. - Л.: Машиностроение, 1975. - 639 с.). Однако не все они обеспечивают необходимое удобство наблюдений и надлежащее качество изображения на краю поля зрения.Three types of five-lens schemes of wide-angle Erfle eyepieces are known, having an angular field of view of 2ω = 60-65 °, consisting of three optical components (G. Slyusarev. Calculation of optical systems. - L .: Mashinostroenie, 1975. - 639 p.). However, not all of them provide the necessary convenience of observations and proper image quality at the edge of the field of view.

Ближайшим к предлагаемому изобретению является пятилинзовый окуляр, состоящий из трех оптических компонентов (патент на изобретение И8 № 1478704, дата приоритета 25.12.1923 г.). Главным достоинством известного окуляра является большой вынос выходного зрачка, составляющий 0,7-0,751', где ί¹ - фокусное расстояние. Первый и последний по ходу луча (от плоскости изображений до выходного зрачка) компоненты окуляра выполнены в виде двух склеенных линз, а центральный компонент - в виде двояковыпуклой линзы. Склеенная поверхность последней линзы обращена вогнутостью к объекту наблюдения, и все линзы окуляра выполнены из обычных марок стекла типа крон и флинт, имеющих показатели преломления п_с 1,5163 и 1,6202 при разности коэффициентов дисперсии ц_с=27,8. Основным недостатком такой конструкции окуляра являются большие аберрации высшего порядка на краях поля зрения, мешающие обнаружению объекта наблюдения. В частности, большой астигматизм высшего порядка для угловых полей зрения 2ω=60-65° составляет величину более 10 диоптрий, из-за которого качество изображения по краям поля недопустимо ухудшается (Турыгин И.А. Прикладная оптика. Фотографические, проекционные и фотоэлектрические системы. Методы аберрационного расчета оптических систем. - М. Машиностроение, 1966. - 431 с.).Closest to the proposed invention is a five-lens eyepiece, consisting of three optical components (patent for invention I8 No. 1478704, priority date 12/25/1923). The main advantage of the well-known eyepiece is the large projection of the exit pupil, comprising 0.7-0.751 ', where ί ¹ is the focal length. The first and last along the beam (from the image plane to the exit pupil) eyepiece components are made in the form of two glued lenses, and the central component is in the form of a biconvex lens. The glued surface of the last lens is turned concavity to the object of observation, and all the lenses of the eyepiece are made of ordinary grades of glass such as crowns and flints, having refractive indices n _with 1.5163 and 1.6202 with a difference in dispersion coefficients c _c = 27.8. The main disadvantage of this eyepiece design is the large higher order aberrations at the edges of the field of view, which interfere with the detection of the object of observation. In particular, high-order astigmatism of higher order for angular fields of view of 2ω = 60-65 ° is more than 10 diopters, because of which image quality at the field edges is unacceptably deteriorating (Turygin I.A. Applied optics. Photographic, projection and photoelectric systems. Methods of aberration calculation of optical systems. - M. Mechanical Engineering, 1966. - 431 p.).

Задачей изобретения является создание широкоугольного окуляра с улучшенным качеством изображения на краях поля зрения.The objective of the invention is the creation of a wide-angle eyepiece with improved image quality at the edges of the field of view.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что в пятилинзовом окуляре из трех оптических компонентов первый и последний компоненты выполнены в виде двух склеенных линз, выполненных из стекла с показателем преломления ц,>1,69 при разности коэффициентов дисперсии ц_е>26, а склеенная поверхность последней линзы ориентирована вогнутостью к глазу наблюдателя.The technical result due to the task is achieved by the fact that in the five-lens eyepiece of the three optical components, the first and last components are made in the form of two glued lenses made of glass with a refractive index q> 1.69 with a difference in dispersion coefficients q _e > 26, and the glued surface of the last lens is oriented by concavity to the eye of the observer.

Указанное выполнение оптической схемы окуляра позволяет уменьшить углы преломления полевых лучей на склеенных поверхностях. Это позволяет уменьшить остаточные полевые аберрации окуляра, в частности астигматизм высшего порядка, что, в свою очередь, позволяет улучшить качество изображения краевых зон поля зрения.The specified implementation of the optical scheme of the eyepiece allows you to reduce the refraction angles of field rays on glued surfaces. This allows us to reduce the residual field aberrations of the eyepiece, in particular higher order astigmatism, which, in turn, allows us to improve the image quality of the edge zones of the field of view.

На фиг. 1 представлена оптическая схема окуляра;In FIG. 1 is an optical diagram of an eyepiece;

на фиг. 2 представлены остаточные осевые аберрации окуляра с фокусным расстоянием Р=10 мм; а - продольные; б - волновые, Р - для λ=486,13 нм; е - для λ = 546,07 нм; С - для λ = 656,27 нм. По осям ординат отложено значение высоты на зрачке, а по осям абсцисс - значения сферической продольной и волновой аберраций;in FIG. 2 shows the residual axial aberration of the eyepiece with a focal length P = 10 mm; a - longitudinal; b - wave, P - for λ = 486.13 nm; e - for λ = 546.07 nm; C - for λ = 656.27 nm. The ordinate represents the height on the pupil, and the abscissa represents the values of spherical longitudinal and wave aberrations;

на фиг. 3 представлены дисторсия и хроматизм увеличения окуляра. По осям ординат отложено значение половины углового поля зрения, а по осям абсцисс на графике а - значения дисторсии, на графике б - значения хроматизма увеличения окуляра;in FIG. Figure 3 shows the distortion and chromatism of the magnification of the eyepiece. The ordinate axes show the value of half the angular field of view, and the abscissa axes on the graph a show the values of distortion, and graph b the values of the chromaticity of the eyepiece magnification;

на фиг. 4 представлен ход астигматических фокальных поверхностей в меридиональном сечении окуляра с ί'=10 мм. По оси ординат отложено значение половины углового поля зрения, а по оси абсцисс - значения положений астигматических фокальных поверхностей.in FIG. Figure 4 shows the course of astigmatic focal surfaces in the meridional section of the eyepiece with ί '= 10 mm. The ordinate axis represents the value of half the angular field of view, and the abscissa axis represents the values of the positions of astigmatic focal surfaces.

На фиг. 1 представлена оптическая схема окуляра. Компоненты схемы пронумерованы по ходу луча слева направо от плоскости изображения до выходного зрачка, где расположен глаз наблюдателя. Окуляр содержит пять линз, объединенных в три отдельных компонента. Компоненты 1 и 3 выполнены в виде склеенных линз. Склеенные линзы выполняются из стекла с показателем преломления п_е>1,69 при разности коэффициентов дисперсии ц_е>26, а склеенная поверхность последней линзы ориентирована вогнутостью к глазу наблюдателя.In FIG. 1 is an optical diagram of an eyepiece. The components of the circuit are numbered along the beam from left to right from the image plane to the exit pupil, where the observer's eye is located. The eyepiece contains five lenses combined into three separate components. Components 1 and 3 are made in the form of glued lenses. The glued lenses are made of glass with a refractive index n _e > 1.69 with a dispersion coefficient difference _{e e} > 26, and the glued surface of the last lens is oriented concave to the observer’s eye.

Заявляемое устройство работает следующим образом. От плоскости изображения в окуляр поступают телецентрические расходящиеся пучки лучей. Проходя последовательно первый, второй и третий компоненты окуляра, расходящиеся пучки лучей преобразуются в параллельные, необходимые для рассматривания поля зрения глазом.The inventive device operates as follows. Telecentric diverging beams of rays come from the image plane to the eyepiece. Passing sequentially the first, second and third components of the eyepiece, the diverging beams of rays are converted into parallel, necessary for viewing the field of view by the eye.

Окуляр производится для фокусных расстояний ί' 10, 15 и 20 мм. Конструктивные параметры исполнения окуляров приведены в табл. 1.The eyepiece is made for focal lengths ί '10, 15 and 20 mm. The design parameters of the eyepieces are given in table. one.

- 1 028315- 1 028315

Таблица 1Table 1

№ поверхности 5 Surface number 5 Г₅, ММG ₅ , MM с/₃, ммs / ₃ mm п_5е n _5e μ_5θ μ _5θ Марка стекла Mark glass 1 one -16,59 -16.59 -24,888 -24.888 -33,108 -33.108 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2.0 1,0 1,0 2 2 8,204 8,204 12,3 12.3 16,4 16,4 8,0 8.0 12,0 12.0 16,0 16,0 1,746231 1,746231 27,94 27.94 ТФ4 TF4 3 3 -16,59 -16.59 -24,888 -24.888 -33,108 -33.108 0,1 0.1 0,15 0.15 0,2 0.2 1,69501 1,69501 54,8 54.8 СТО 2 STO 2 4 4 16,59 16.59 24,888 24,888 33,108 33,108 4,0 4.0 6,0 6.0 8,0 8.0 1,0 1,0 5 5 -45,192 -45,192 -67,77 -67.77 -90,36 -90.36 0,1 0.1 0,15 0.15 0,2 0.2 1,518294 1,518294 63,87 63.87 К8 K8 6 6 16,59 16.59 24,888 24,888 33,108 33,108 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2.0 1,0 1,0 7 7 8,204 8,204 12,3 12.3 16,4 16,4 6,3 6.3 9,45 9.45 12,6 12.6 1,746231 1,746231 27,94 27.94 ТФ4 TF4 8 8 ОО OO ОО OO 00 00 ΐα₅ ΐα ₅ 1,69501 1,69501 54,80 54.80 СТО 2 STO 2 /е, ММ / e, MM 10 10 15 fifteen 20 twenty 20,5 20.5 I 30,75 | I 30.75 | I 41,0 I 41.0 1,0 1,0 Зр ММ Sp MM -2,565 -2,565 -3,85 -3.85 -5,09 -5.09 Первая, третья, четвертая и шестая поверхно- The first, third, fourth and sixth δ У, ММ δ U, MM 6,5 6.5 9,75 9.75 13,0 13.0 сти окуляра имеют одинаковые радиусы. Вторая и седьмая поверхности имеют одинаковые радиусы. Восьмая поверхность - плоская.. The eyepiece has the same radii. The second and seventh surfaces have the same radii. The eighth surface is flat.

Удаление выходного зрачка от последней плоской поверхности глазной линзы 3 (фиг. 1) составляет 0,65 Г.Removal of the exit pupil from the last flat surface of the ophthalmic lens 3 (Fig. 1) is 0.65 G.

Качество изображения предлагаемых окуляров рассмотрим на примере конструкции окуляра с фокусным расстоянием Р=10 мм. Расчет аберраций производится в обратном ходе лучей со стороны выходного зрачка для трех видимых глазом линий спектра С, е и К Расчетные данные приведены в табл. 2. На фиг. 2 показан ход остаточных осевых аберраций 10-миллиметрового окуляра в плоскости оптимальной фокусировки на линию е (штриховая линия). Диаметр выходного зрачка составляет 2,5 мм. Видно, что даже при относительном отверстии 1:4 остаточные осевые аберрации окуляра в видимой области спектра не превышают 0,2λ.We will consider the image quality of the proposed eyepieces using an example of an eyepiece design with a focal length P = 10 mm. Calculation of aberrations is performed in the reverse direction of the rays from the exit pupil for the three lines of the spectrum C, e, and K visible by the eye. The calculated data are given in Table. 2. In FIG. Figure 2 shows the course of the residual axial aberrations of the 10-mm eyepiece in the plane of optimal focusing on line e (dashed line). The diameter of the exit pupil is 2.5 mm. It can be seen that even with a relative aperture of 1: 4, the residual axial aberrations of the eyepiece in the visible region of the spectrum do not exceed 0.2λ.

На фиг. 3 показан ход кривых дисторсии и хроматизма увеличения окуляра в зависимости от угла поля зрения ω. Относительная дисторсия Δ I' на угловых полях зрения 2 ω=60-65° составляет (12-13) %. Хроматизм увеличения окуляра ΔΙ^Πρ вблизи центра поля составляет -0,35%, а на краю углового поля зрения 2 ω=65° составляет +0,6%. Для наблюдения астрономических объектов эти величины вполне приемлемы.In FIG. Figure 3 shows the course of the distortion and chromatism curves of the increase in the eyepiece depending on the angle of the field of view ω. The relative distortion Δ I 'in the angular fields of view 2 ω = 60-65 ° is (12-13)%. The chromaticity of the magnification of the eyepiece ΔΙ ^ Πρ near the center of the field is -0.35%, and at the edge of the angular field of view 2 ω = 65 ° is + 0.6%. For observing astronomical objects, these values are quite acceptable.

Астигматизм и кривизна поля окуляра сравнительно небольшие (см. фиг. 4), в два-три раза меньшие, чем в окуляре - ближайшем аналоге.The astigmatism and curvature of the eyepiece field are relatively small (see Fig. 4), two to three times smaller than in the eyepiece, the closest analogue.

Поперечные аберрации для двух зон поля зрения окуляра 40 и 60° представлены в табл. 2.Transverse aberrations for two zones of the field of view of the eyepiece 40 and 60 ° are presented in table. 2.

При относительном отверстии 1:4 для углового поля зрения 2ω=60° поперечные аберрации в угловой мере составляют 27'. Это значительно меньше, чем в известной схеме окуляра и, как показывают практические испытания, позволяет боковым зрением глаза фиксировать небесные объекты, находящиеся на краях поля зрения бинокуляра. Очевидно, что при меньшем относительном отверстии 1:8-1:10 при работе с телескопами предлагаемый окуляр должен давать значительно, по крайней мере в четыре раза, лучшее качество изображения.With a relative aperture of 1: 4 for an angular field of view of 2ω = 60 °, the transverse aberrations in the angular measure are 27 '. This is significantly less than in the well-known eyepiece scheme and, as practical tests show, allows the lateral vision of the eye to fix celestial objects located at the edges of the field of view of the binocular. Obviously, with a smaller relative aperture of 1: 8-1: 10, when working with telescopes, the proposed eyepiece should give significantly, at least four times, better image quality.

Таким образом, предлагаемый окуляр расширяет возможности пятилинзовой схемы и обеспечивает совокупный технический результат улучшения качества изображения. Окуляр имеет высокую технологичность, так как первая, третья, четвертая, шестая поверхности окуляра имеют одинаковые радиусы и вторая и седьмая поверхности имеют одинаковые радиусы, а восьмая поверхность - плоская. В связи с этим для изготовления одного окуляра не требуется большого количества шлифовально-полировального инструментария и пробных стекол.Thus, the proposed eyepiece expands the capabilities of the five-lens circuit and provides the combined technical result of improving image quality. The eyepiece has high manufacturability, since the first, third, fourth, sixth surfaces of the eyepiece have the same radii and the second and seventh surfaces have the same radii, and the eighth surface is flat. In this regard, for the manufacture of one eyepiece does not require a large number of grinding and polishing tools and test glasses.

Таблица 2table 2

Υ Υ Ζ Ζ ω = 30° ω = 30 ° ω = 20° ω = 20 ° С FROM е e Ρ Ρ С FROM е e Ρ Ρ б/ b / δ₂'δ ₂ ' δ»' δ "' δ_ζ'δ _ζ ' б; b; δ_ζ'δ _ζ ' бу' boo' δ_ζ'δ _ζ ' δγ δγ δζ' δζ ' δ,' δ, ' δ_ζ'δ _ζ ' 1,25 1.25 0,0 0,0 -0,079 -0.079 0,0 0,0 -0,063 -0.063 0,0 0,0 -0,039 -0.039 0,0 0,0 -0,049 -0.049 0,0 0,0 -0,053 -0,053 ο,ο ο, ο -0,051 -0.051 ο,ο ο, ο 0,88 0.88 0,0 0,0 -0,040 -0.040 0,0 0,0 -0,028 -0.028 ο,ο ο, ο -0,008 -0.008 ο,ο ο, ο -0,020 -0.020 0,0 0,0 -0,025 -0.025 0,0 0,0 -0,024 -0.024 0,0 0,0 0,00 0.00 0,0 0,0 -0,004 -0.004 0,0 0,0 0,0 0,0 ο,ο ο, ο +0,011 +0.011 0,0 0,0 +0,006 +0.006 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 -0,001 -0.001 ο,ο ο, ο -0,88 -0.88 0,0 0,0 -0,019 -0.019 0,0 0,0 -0,021 -0.021 ο,ο ο, ο -0,016 -0.016 ο,ο ο, ο -0,003 -0.003 ο,ο ο, ο -0,009 -0.009 ο,ο ο, ο -0,011 -0.011 ο,ο ο, ο -1,25 -1.25 0,0 0,0 -0,034 -0.034 0,0 0,0 -0,037 -0.037 ο,ο ο, ο -0,034 -0.034 0,0 0,0 -0,010 -0.010 ο,ο ο, ο -0,017 -0.017 0,0 0,0 -0,019 -0.019 0,0 0,0 0,00 0.00 1,25 1.25 -0,025 -0.025 -0,072 -0.072 -0,021 -0.021 -0,071 -0.071 -0,010 -0.010 -0,068 -0.068 -0,006 -0.006 -0,034 -0.034 -0,012 -0.012 -0,034 -0.034 -0,012 -0.012 -0,034 -0.034 0,00 0.00 0,88 0.88 -0,014 -0.014 -0,046 -0.046 -0,010 -0.010 -0,045 -0.045 0,001 0.001 -0,043 -0.043 0,000 0,000 -0,019 -0.019 -0,006 -0.006 -0,020 -0.020 -0,007 -0.007 -0,019 -0.019

- 2 028315- 2 028315

Claims (1)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM Широкоугольный окуляр, содержащий пять линз, объединенных в три положительных оптических компонента, первый и последний из которых выполнены в виде склеенных линз, а центральный компонент - в виде двояковыпуклой линзы, отличающийся тем, что склеенные линзы выполнены из стекла с показателем преломления п_е>1,69 при разности коэффициентов дисперсии р_е>26, а склеенная поверхность последней линзы ориентирована вогнутостью к глазу наблюдателя.A wide-angle eyepiece containing five lenses combined into three positive optical components, the first and last of which are made in the form of glued lenses, and the central component is in the form of a biconvex lens, characterized in that the glued lenses are made of glass with a refractive index of n _e > 1 69 with a dispersion coefficient difference p _e > 26, and the glued surface of the last lens is oriented by concavity to the observer’s eye.