RU2028650C1 - Eye-piece optical device - Google Patents

Abstract

FIELD: optical instrument engineering. SUBSTANCE: eye-piece of optical device has element made of light-refracting material. The first flat surface of the element is perpendicular to axis of sight of the eye-piece. The second flat surface is inclined to the first one at an angle which excesses over critical angle for total reflection. The third surface has shape of a sphere and is turned with its concavity to image. Holographic optical element is covered onto the spherical surface. The element is made in form of a set of quazieliptical rings with different optical densities. Shapes of the rings are defined by the relation given in the description of the invention. EFFECT: improved precision. 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к окулярам телескопических система и к лупам. The invention relates to optical instrumentation, namely to the eyepieces of a telescopic system and to magnifiers.

Известна зеркальная лупа, содержащая плоское и вогнутое зеркала, которые выполнены в форме вытянутых прямоугольников, длинные стороны которых расположены параллельно одна к другой. Главная оптическая ось вогнутого зеркала проходит через середину обращенной к нему длинной стороной плоского зеркала, а угол между плоским зеркалом и оптической осью, обращенный к фокусу вогнутого зеркала, составляет 45-75^о.Known mirror magnifier containing flat and concave mirrors, which are made in the form of elongated rectangles, the long sides of which are parallel to one another. The main optical axis of the concave mirror extends through the middle of it facing the long side of the plane mirror, and the angle between the flat mirror and the optical axis facing towards the focus of the concave mirror is ^about 45-75.

Известна зеркальная лупа, содержащая два зеркала, одно из которых вогнутое сферическое, причем оба зеркала выполнены в виде прямоугольников, стороны которых взаимно параллельны, между зеркалами размещены две одинаковые прямоугольные призмы, обращенные друг к другу гипотенузными гранями, на противоположные катетные грани которых наклеены одинако- вые плосковыпуклые линзы, при этом зеркала нанесены на выпуклые поверхности плосковыпуклых линз, оптические оси которых параллельны друг другу, все компоненты выполнены из стекла одной марки, прямоугольные призмы сдвинуты относительно друг друга вдоль гипотенузной грани на величину δ, в каждой из призм угол α, противолежащий зеркальной грани, другой угол β и величина δ связаны соотношениями
sin45^°< sinα <

δ ≥

· sin2(α-β) где n - показатель преломления материала призм и линз;
а - размер катетной грани каждой из призм, противолежащей углу β.Known mirror magnifier containing two mirrors, one of which is concave spherical, and both mirrors are made in the form of rectangles, the sides of which are mutually parallel, two identical rectangular prisms are placed between the mirrors, facing each other with hypotenous faces, on the opposite legs of which are glued equally flat convex lenses, while the mirrors are applied to the convex surfaces of plane convex lenses, the optical axes of which are parallel to each other, all components are made of glass of the same brand, rectangular prisms are shifted relative to each other along the hypotenuse face by a value of δ, in each of the prisms, the angle α, opposite the mirror face, the other angle β and the quantity δ are related by the relations
sin45 ^° <sinα <

δ ≥

· Sin2 (α-β) where n is the refractive index of the material of prisms and lenses;
and - the size of the cathete face of each of the prisms opposite the angle β.

В качестве прототипа выбран окуляр оптического устройства, представляющий собой элемент из светопреломляющего материала, входная поверхность которого параллельна плоскости предмета, вторая плоская поверхность расположена под углом к первой, обеспечивающим полное внутреннее отражение, третья поверхность выполнена сферической, обращенной вогнутостью к пространству изображения, вторая плоская поверхность одновременно является выходной поверхностью элемента, при этом входной и выходной визирные лучи перпендикулярны, а на сферической поверхности нанесен голографический оптический элемент. As a prototype, the eyepiece of the optical device is selected, which is an element made of light-refracting material, the input surface of which is parallel to the plane of the object, the second flat surface is located at an angle to the first, providing full internal reflection, the third surface is made spherical, facing concavity to the image space, the second flat surface at the same time is the output surface of the element, while the input and output target beams are perpendicular, and spherically the surface of the holographic optical element is applied.

Указанный окуляр оптического устройства может применяться в бинокулярных очках ночного видения. The specified eyepiece of the optical device can be used in binocular night vision goggles.

Целью изобретения является повышение качества изображения при увеличении выноса выходного зрачка и переднего рабочего отрезка. The aim of the invention is to improve image quality while increasing the removal of the exit pupil and the front working segment.

Сущность изобретения заключается в том, что окуляр оптического прибора, содержащий элемент из светопреломляющего материала, первая плоская поверхность кото- рого перпендикулярна визирной оси окуляра, вторая плоская поверхность наклонена к первой на угол, превышающий угол полного внутреннего отражения, третья поверхность - сферическая и обращена вогну- тостью к изображению, причем на сферической поверхности нанесен голографический оптический элемент, выполненный в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности, форма которых определена уравнением
A₁x+B₁y+C₁z+

= kλ где x,y,z - координаты точки в системе координат, начало которой находится в точке пересечения визирной оси со сферической поверхностью, оси x и y касательны к ней, ось z - совпадает с нормалью к ней;
R - параметр;
А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂ - коэффициенты;
К = 1,2,..., номер кольца;
λ - длина волны излучения; при этом справедливы соотношения
А₁ ² + В₁ ² + С₁ ² = А₂ ² + В₂ ² + С₂ ² = 1.The essence of the invention lies in the fact that the eyepiece of an optical device containing an element of light-refracting material, the first flat surface of which is perpendicular to the sight axis of the eyepiece, the second flat surface is inclined to the first by an angle exceeding the angle of total internal reflection, the third surface is spherical and faces concave - the ability to image, and on a spherical surface a holographic optical element is applied, made in the form of a set of quasielliptic rings of different optical density and whose shape is defined by the equation
A ₁ x + B ₁ y + C ₁ z +

= kλ where x, y, z are the coordinates of the point in the coordinate system, the origin of which is at the intersection of the sighting axis with the spherical surface, the x and y axes are tangent to it, the z axis coincides with the normal to it;
R is the parameter;
A ₁ , A ₂ , B ₁ , B ₂ , C ₁ , C ₂ are the coefficients;
K = 1,2, ..., ring number;
λ is the radiation wavelength; in this case, the relations
A ₁ ² + B ₁ ² + C ₁ ² = A ₂ ² + B ₂ ² + C ₂ ² = 1.

2f' < R < 10f',
где f' - фокусное расстояние окуляра.2f '<R <10f',
where f 'is the focal length of the eyepiece.

Оптический элемент окуляра оптического прибора служит для работы в ИК-области спектра совместно с ЭОПом. Оптическая сила этого окуляра определяется величиной радиуса сферической зеркальной поверхности. Так как оптическая система является зеркальной, то радиус зеркальной поверхности является пологим, так как f₃' =

. Поэтому поверхность окуляра работает с малым относительным отверстием, и следовательно, сферическая аберрация и кома малы.The optical element of the eyepiece of the optical device is used to work in the infrared region of the spectrum together with the image intensifier. The optical power of this eyepiece is determined by the radius of the spherical mirror surface. Since the optical system is a mirror, the radius of the mirror surface is shallow, since f ₃ '=

. Therefore, the surface of the eyepiece works with a small relative aperture, and therefore, spherical aberration and coma are small.

Вторая грань этого элемента работает как на полное внутреннее отражение для падающих лучей, так и на преломление для выходящих лучей. В данном варианте расчета угол между первой и второй гранями 50^о. Так как на первую поверхность визирный луч падает по нормали, то угол отражения от второй поверхности этого луча составляет 50^о, т.е. больше угла полного внутреннего отражения для стекла К8. Угол наклона зеркальной поверхности выбран из условия, что выходящий луч должен быть перпендикулярен лучу, падающему на первую поверхность. В данном случае угол визирного луча с нормально зеркальной отражающей поверхности 13^о05'. Так как угол γ больше 10^о, на этой поверхности возникает большой астигматизм. На зеркальную поверхность наносится голограммный элемент, который используется для ввода необходимой информации для наблюдателя. Кроме того, форма гологаммного элемента должна обеспечить исправление кривизны изображения и астигматизма. Экспериментально путем минимизации аберраций оптической системы при расчете на ЭВМ по программе для пространственных систем голографический оптический элемент выполнен в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности, форма которых определена уравнением
A₁x+B₁y+C₁z+

= kλ где x,y,z - координаты точки в системе координат, начало которой находится в точке пересечения визирной оси со сферической поверхностью, оси х и y касательны к ней, ось z совпадает с нормалью к ней; R - параметр; А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂ - коэффициенты; К = 1,2, . ..номер кольца; λ - длина волны излучения, при этом справедливы соотношения
А₁ ² + В₁ ² + С₁ ² = А₂ ²+ В₂ ² + С₂ ² = 1;
2f' < R < 10f',
где f' - фокусное расстояние окуляра.The second facet of this element works both for total internal reflection for incident rays and for refraction for outgoing rays. In this embodiment, calculating the angle between the first and second facets 50 ^of. Since the first surface sighting beam is incident along the normal, the angle of reflection from the second surface of the beam is ^about 50, i.e., more than the angle of total internal reflection for K8 glass. The angle of inclination of the mirror surface is selected from the condition that the outgoing beam should be perpendicular to the beam incident on the first surface. In this case, the angle of the target beam with a normally specular reflective surface 13 ^about 05 '. Since the angle γ is greater than 10 ^° , great astigmatism arises on this surface. A hologram element is applied to the mirror surface, which is used to enter the necessary information for the observer. In addition, the shape of the hologram element should provide correction of image curvature and astigmatism. Experimentally, by minimizing the aberrations of the optical system when calculating on a computer using the program for spatial systems, the holographic optical element is made in the form of a set of quasi-elliptic rings of different optical density, the shape of which is determined by the equation
A ₁ x + B ₁ y + C ₁ z +

= kλ where x, y, z are the coordinates of the point in the coordinate system whose origin is at the intersection of the sighting axis with the spherical surface, the x and y axes are tangent to it, the z axis coincides with the normal to it; R is the parameter; A ₁ , A ₂ , B ₁ , B ₂ , C ₁ , C ₂ are the coefficients; K = 1,2,. ..number of the ring; λ is the radiation wavelength, and the relations
A ₁ ² + B ₁ ² + C ₁ ² = A ₂ ² + B ₂ ² + C ₂ ² = 1;
2f '<R <10f',
where f 'is the focal length of the eyepiece.

Величина астигматизма по всему полю не превышает 0,4 мм. Выбор формы голографического оптического элемента определяется при большом выносе выходного зрачка. В приведенном варианте расчета вынос выходного зрачка S_p' = 25 мм.The magnitude of astigmatism throughout the field does not exceed 0.4 mm. The choice of the shape of the holographic optical element is determined with a large extension of the exit pupil. In the above calculation, the exit pupil is S _p '= 25 mm.

Данный окуляр оптического прибора может использоваться и для работы в видимой области спектра. Для этой цели к первому элементу добавляется второй оптический элемент, имеющий входную плоскую поверхность, параллельную выходной поверхности оптического элемента. Два оптических элемента действуют как плоскопараллельная пластинка, которая при рассматривании бесконечноудаленного объекта не вносит аберраций. This eyepiece of the optical device can also be used to work in the visible region of the spectrum. For this purpose, a second optical element having an input flat surface parallel to the output surface of the optical element is added to the first element. Two optical elements act as a plane-parallel plate, which, when viewed from an infinitely distant object, does not introduce aberrations.

В качестве конкретного примера рассчитан окуляр оптического прибора со следующими оптическими характеристиками:
Фокусное расстояние (f') 25 мм
Передний рабочий отрезок (S) 7 мм
Диаметр выходного зрачка (D'_вых.зр) 6 мм
Вынос выходного зрачка (S_p) 26 мм
Угловое поле (2 ω) 40^о
Окуляр оптического прибора имеет следующие аберрации:
При ω = 0^о поперечная сферическая аберрация в меридиональном сечении не превышает 0,024 мм, а астигматизм 0,276 мм, в сагиттальном сечении поперечная сферическая аберрация не превышает 0,0125 мм, а астигматизм 0,37 мм. На краю поля ω= 20^о поперечная сферическая аберрация в меридиональном сечении не превышает 0,03 мм, а астисгматизм 0,38 мм, в сагиттальном сечении поперечная сферическая аберрация не превышает 0,0078 мм, а астигматизм 0,37 мм.As a specific example, the eyepiece of an optical device with the following optical characteristics is calculated:
Focal Length (f ') 25 mm
Front working section (S) 7 mm
Exit pupil diameter (D ' _exit.sp ) 6 mm
Eye relief (S _p ) 26 mm
Angular field (2 ω) 40 ^о
The eyepiece of the optical device has the following aberrations:
At ω = 0 °, ^the transverse spherical aberration in the meridional section does not exceed 0.024 mm, and the astigmatism is 0.276 mm, in the sagittal section the transverse spherical aberration does not exceed 0.0125 mm, and the astigmatism is 0.37 mm. At the edge of the field ω = 20 ^of the transverse spherical aberration in the meridional section is not more than 0.03 mm and 0.38 mm astisgmatizm in sagittal section transverse spherical aberration is not more than 0.0078 mm, and the astigmatism is 0.37 mm.

На чертеже представлена оптическая схема окуляра оптического прибора с конструктивными данными. The drawing shows an optical diagram of the eyepiece of an optical device with structural data.

Окуляр содержит первый и второй оптические элементы 1 и 2. Первая поверхность 3 оптического элемента 1 параллельна плоскости предметов, вторая поверхность 4 этого элемента расположена под углом 50^о к поверхности 3. Зеркальная поверхность 5 этого элемента выполнена сферической и на ней нанесен голографический оптический элемент, выполненный в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности. Поверхность 6 второго оптического элемента расположена парал- лельно поверхности 4.The eyepiece includes a first and second optical elements 1 and 2. The first surface 3 of the optical element 1 is parallel to the object plane, the second surface 4 of the element is at an angle ^of 50 to the surface 3. The mirror surface 5 of the element is spherical and deposited thereon a holographic optical element, made in the form of a set of quasielliptic rings of different optical density. The surface 6 of the second optical element is parallel to the surface 4.

Claims (1)

ОКУЛЯР ОПТИЧЕСКОГО ПРИБОРА, содержащий элемент из светопреломляющего материала, первая плоская поверхность которого перпендикулярна к визирной оси окуляра, вторая плоская поверхность наклонена к первой на угол, превышающий угол полного внутреннего отражения, третья поверхность - сферическая и обращена вогнутостью к изображению, причем на сферической поверхности нанесен голографический оптический элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изображения при увеличении выноса выходного зрачка и переднего рабочего отрезка, голографический оптический элемент выполнен в виде совокупности квазиэллиптических колец разной оптической плотности, форма которых определена уравнением

где x, y, z - координаты точки в системе координат, начало которой находится в точке пересечения визирной оси со сферической поверхностью, оси x и y касательны к ней, ось z совпадает с нормалью к ней;
R - параметр;
A₁, A₂, B₁, B₂, C₁, C₂ - коэффициенты;
k - 1,2... - номер кольца;
λ - длина волны излучения,
при этом справедливы соотношения
A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ +B $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ +C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ =A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ +B $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ +C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ =1;
2f < R < 10f',
где f' - фокусное расстояние окуляра.OPular Optical Instrument Eyepiece, containing an element of light-refracting material, the first flat surface of which is perpendicular to the sight axis of the eyepiece, the second flat surface is inclined to the first by an angle exceeding the angle of total internal reflection, the third surface is spherical and faces with a concavity to the image, and is applied on a spherical surface holographic optical element, characterized in that, in order to improve image quality while increasing the removal of the exit pupil and the front working segment , The holographic optical element is a quasi-elliptic rings plurality of different optical densities, the shape of which is defined by the equation

where x, y, z are the coordinates of the point in the coordinate system, the origin of which is at the intersection of the sighting axis with the spherical surface, the x and y axes are tangent to it, the z axis coincides with the normal to it;
R is the parameter;
A ₁ , A ₂ , B ₁ , B ₂ , C ₁ , C ₂ - coefficients;
k - 1,2 ... - ring number;
λ is the radiation wavelength,
in this case, the relations
A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ + B $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ + C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ = A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ + B $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ + C $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{2}}$ = 1;
2f <R <10f ',
where f 'is the focal length of the eyepiece.

Images