SE467941B - Saett att arrangera straalgaang i ett optiskt instrument - Google Patents

Description

467 941 2-3 25 30 35 2) För största enkelhet ska endast 4 plana speglar användas för bildvändning. i 3) Inga takspegelpar bör användas. 4) För bra optiska prestanda bör objektivbrännvidden vara relativt stor men instrumentets ytterstorlek bör vara relativt liten, dvs strålgàngen ska möjliggöra ett kompakt instrument. 5) Instrumenthöljet kan vara relativt brett vilket ger god grepp- barhet med bàda händerna, men längden bör ej väsentligt överstiga bredden, vilket bl.a. ger sämre ergonomi. Samtidigt bör instru- mentet vara så. tunt som möjligt. 6) Eftersom okularet i de flesta praktiska fall har relativt stor ytterdiameter. bör detta vara beläget relativt nära instrument- höLiets symmetriplan. I annat fall sticker okularet ut f rån in- strumentet, vilket f ördärvar instrumentets utseende och hanterbar- het. Ett exempel på denna defekt visas i f ig 6a. Som .jämförelse visas symmetrin hos exteriören av ett instrument enligt f örhanden- varande uppfinning i fig 6b. 7) Det är också önskvärt att ingående speglar så små. som möj- ligt, vilket minimerar storlek, vikt och tillverkningskostnad för dessa.

Det visar sig att ingen av hittills kända principer för bildvänd- ning motsvarar alla ovan ställda krav. Syftet med f örhandenvarande uppfinning är därför att möjliggöra ett instrument som motsvarar alla krav ovan. Ett instrument enligt föreliggande uppfinning kan jämföras med ett instrument utfört enligt ovan nämnda US pat. 3.298.770 med avseende på storlek och övriga egenskaper, men har fördelen att- dyra takspegelpar ej behövs.

Ficgrbeskrivning härmed att beskrivas nedan i samband med där f ig 1 visar instrumentets stràlgàng i perspek- tiv, fig 2 visar en ändvy och fig 3 visar en sidvy, f ig 4 visar en ovanvy, Fig S visar ett tunneldiagram av strâlgàngen, fig Sa visar i sidvy ett oregelbundet instrumenthölje och fig 6b visar i sidvy den symmetri som möjliggörs hos ett instrument med en strål- gång enligt uppfinningen.

Uppfinningen kommer figurerna 1-6, Vissa vanliga optiska begrepp förklaras ej här, men referens sker till US MIL. HDBK 141, där många designreglgr finns.

Beskrivning av en utföringsf orm där en monokulär kikare 7 med summariskt. Centralstrålen Referens sker nu först till fig 1. optik enligt uppfinningen nu beskrivs \\ U] \|| .H 467 941 (CS hädanefter) definieras som en till kikare 7 inkommande ljus- strâle, vilken innan inträde i instrumentet är koaxial med optiska axeln för objektiv 6. Centralstråle CS passerar objektiv 6, ref- lekteras i spegel 1, 2, 3 och 4 i tur och ordning, innan den slutligen utträder genom okular 5. Optiska axeln för okular 5 är för bästa resultat enligt normal optisk design koaxial med cen- tralstråle CS, där denna utträder ur instrumentet. Via okular 5 kan en rättvänd bild betraktas, precis som i en konventionell kikare. Det reflekterande planet för spegel I benämns hädanefter f, det reflekterande planet för spegel 2 benämns 2: för spegel 3 3,' och för spegel 4, 4.' För att underlätta nedanstående beskrivning, definieras nu ett plan i kikaren, SP. Plan SP innehåller optiska axeln för objektiv 6 och en punkt P, vilken ligger precis mittemellan de punkter där centralstråle CS infaller pà spegel 2 respektive 3.

Kikarens hölje 8 kan lämpligen utföras symmetriskt med avseende på planet SP. Okularets optiska axel är i det beskrivna fallet, men behöver inte vara det, parallell med optiska axeln för objektiv 6.

Alla optiska element är i normalfallet fästa till hölje 8.

Det intressanta för uppfinningen och det som möjliggör att alla krav (1 - 7) ovan samtidigt kan uppfyllas är det unika sätt som speglarna 1-4 är arrangerade på inne i hölje 8, varför referens nu sker till tunneldiagrammet i fig 5. Ett antal prism-tunneldiagram finns i nämnda Mil. HDBK 141. Tunneldiagrammet använt här i fig 5 är principiellt likadant; den enda skillnaden är att ytfolierade planspeglar här motsvarar prismornas reflekterande ytor.

En vanlig designregel för handhållna teleskop är att så mycket som 50% vignettering accepteras i bildfältets utkant. Om denna regel tillämpas, tillsammans med det självklara kravet att allt ljus från objektivet ska nå bildfältets mitt, erhålles vid dimensione- ring av optiken begränsningslinjerna BLI och BL2 i fig S. Var och en av speglarna I - 4 måste dimensioneras så stora att de i tun- neldiagrammet når från linje BLI till BL2, för att ombesörja att minst 50 % av l.juset från objektiv 6 når bildfältets utkant och att allt ljus från objektivet når bildfältets mitt.

Den observationen kan göras i fig 4 att avståndet mellan spegel 1 och objektiv 6 (längd L) väsentligen bestämmer. kikarens totala längd. Stort L innebär en lång kikare, men å andra sidan bör avstånd L inte vara för litet, eftersom spegel 1 då måste utföras onödigt stor (avståndet mellan linjerna BLI och BLZ i f ig 5 ökar med minskande avstånd till objektiv 6). Följaktligen bör längd L väljas så stor som praktiskt är lämpligt utan att instrumentet blir för långt. En bra kompromiss kan vara att mått L utgör ca 40% av objektivbrännvidden.

Vidare: tunneldiagrammet i f ig 5 visar att avståndet mellan lin- jerna BLI och BL2 är litet, långt från objektiv 6. Speglarna 2, 3 och 4 bör därför befinna sig långt från objektiv 6, mätt längs centralstrålen CS, eftersom de då inte behöver vara så stora. Vid det visade utföringsexemplet enligt uppfinningen har spegel 2 - 4 alla små mått. eftersom de befinner sig relativt långt f rån objek- tiv 6. mätt längs centralstrålen CS. Denna möjlighet att minimera 467 LJ] h.) kJ 25 (n ll| 941 speglarnas mått är en klar fördel jämfört med det första Porro- systemet, där två av de fyra reflekterande ytorna normalt måste utföras relativt stora.

Krav 5) ovan angav att kikaren av ergonomiska skäl ska vara så tunn som möjligt, dvs kikarens minsta yttermått ska vara så litet som möjligt. Det är of rånkomligt av allmänna optiska skäl vid f örhandenvarande design att speglarna 2 och 3 hamnar "ovanför" varandra, och dessa två speglar bör därför vara så små som möj- ligt. Om speglarna 2 och 3 i tunneldiagrammet befinner sig nära punkt P1, där avståndet mellan linjerna BL1 och BL2 når ett mini- mum, minimeras också den höjd i kikaren som dessa speglar upptar. Även detta kan tillgodoses med en optik enligt uppfinningen, vilket visas av tunneldiagrammet i fig 5, där det framgår att spegel 2 och 3 befinner sig nära punkt P1. Av kravet på minimihöjd följer också att speglarna 2 och 3 huvudsakligen ska befinna sig på var sin sida om instrumenthöljets symmetriplan, och att ingen av dessa speglar placeras onödigt långt f rån plan SP. Detta krav kan uppfyllas och är uppfyllt, vilket framgår av fig 2 och 3.

Krav 6) ovan stipulerade att optiska axeln för okular 5 ska befin- na sig i eller nära plan SP. Det visar sig att även detta krav kan uppfyllas med en optik enligt uppfinningen. Knepet för att åstad- komma detta är att linje CS efter reflektion i spegel 3, vinklas nedåt mot plan SP, varigenom spegel 4 och därmed okular 5 kan placeras nära plan SP. Att okularets optiska axel och den punkt där CS infaller på spegel 4, ska placeras på samma avstånd L1 från kikarens plan SP, följer av krav 1) ovan. I det visade fallet har Ll = ca 5 mm valts, men Ll = 0 kan mycket väl gälla. Fig 6b visar i sidvy den symmetri som instrumentets ytterhölje kan uppvi- sa när Ll = U.

Det har nu- visats att de platser som speglarna 1 - 4 finns på inne i kikarhölje 8, ger ett för given objektivbrännvidd mycket kompakt och framförallt tunt instrument, där måtten på ingående speglar kan minimeras och där okularet är beläget på bästa ställe. Krav 1- 7 är därmed uppfyllda.

Som en sammanfattning med några realistiska mått nämnda, kan sägas: sett ifrån okularsidan av kikaren reflekteras centralstråle CS av spegel 1 snett framåt-nedåt i kikaren, så att CS infaller på spegel 2 ca 12 mm under plan SP. Spegel 2 reflekterar CS framåt- uppåt i kikaren så att CS infaller på spegel 3 ca 12 mm över plan SP. Spegel 3 kastar i sin tur CS snett framåt-nedåt i kikaren så attt CS infaller på spegel 4 -nära eller i plan SP. Om CS infaller på spegel 4 på en punkt liggande i plan SP, ska okularets optiska axel enligt krav 1) ovan också befinna sig i plan SP, varför kikarens exteriör då med fördel kan utföras helt symmetrisk.

Vinkelläget för spegel 4 måste således injusteras så att CS efter reflektion i spegel 4 är parallell med in i instrumentet ingående CS. och därmed plan SP.

Ett problem återstår, nämligen att in.justera optiken så att bild- lutning (falling lines) ej finns. Om bildlutning finns, ses t.ex. en iakttagen horisontlinje i kikaren ej helt horisontell utan lutande åt något håll. l | ui M 'AJ l'~ (H (f) ål] v: il] 467 941 För klarhet i beskrivningen definieras nu en vinkel GÅ. och axel AX, samt en linje RL.

Linje RL (roof line) är en tänkt skärningslinje mellan reflekteran- de plan 2 och 3.

En Vinkel Oš plan SP. definieras som den vinkel som linje RL bildar mot AX definieras som den axel som skär punkt P och bildar vinkel mot det reflekterande planet 2 som mot reflekterande 3, och som är vinkelrät mot skärningslin.je RL. samma plan Det visar sig att bildlutningen kan varieras och således injuste- ras till noll medelst justering av vinkeln 04 , vilket i praktiken lämpligen går till på så sätt att speglarna 2 och 3 som en enhet justeras med små vinkelrörelser omkring den tänkta axeln AX, tills rätt värde på vinkel har uppnåtts.

Av den i figur 3 visade redan injusterade kikaren framgår att RL lutar en vinkel X i förhållande till plan SP. I praktiken krävs det i den visade kikaren att spegel 2 och 3 är orienterade så att linJê RL lutar åt det håll som visas i fig 3. Det kan nämnas att i en prototyp framtagen enligt ovanstående koncept blev värdet på vinkel Gå ca 15f' Detta värde kan självfallet variera, beroende på vilka mått optiken i övrigt har, men i praktiken måste värdet på vinkel 0< ligga någonstans mellan 3:' och 5D? Värden utanför detta intervall är inte lämpliga i praktiken.

Slutligen måste spegel 4 ef terjusteras så att från spegel 4 ut- gående CS är parallell med in i instrumentet ingående CS. Denna sista justering påverkar även denna bildlutningen något, varför injustering av spegel 2 och 3 enligt ovan på nytt måste utföras, osv.

En metod att manuellt, genom successiva inställningar injustera optiken är därmed påvisad. Denna metod fungerar, men beräkning, lämpligen via dator, kan vara att föredra. Metoden given ovan kan då simuleras, varvid en iterativ beräkningsmetod erhålles.

Prismor är i regel ej lämpliga i en kikare enligt föreliggande uppfinning eftersom strålgången är oregelbunden; ytfolierade plan- _ speglar är att föredra. Med en högreflekerande beläggning kan den allmänna transmissionen hos kikaren närma sig 100%, och en annan praktisk fördel är att "spökref lektioner". som glasytorna hos prismor i strålgången kan ge upphov till. helt saknas.

Det ska noteras att den monokulära optiken beskriven ovan mycket väl kan tillämpas i en dubbelkikare. Två liknande men ej nödvän- digtvis lika system kombineras då.

Självfallet kan strålgången "spegelvändas“, så att CS, sett i' vy f rån okularsidan av kikaren, speglas f ramàt-uppåt av spegel 1, kastas nedåt av spegel 2. och framåt - uppåt av spegel 3. Vinklar- na ß och I' kan också självfallet ändras från sina i figur 4 visade värden. 467 941 r Även andra modifikationer kan utföras enligt uppfinningen. En tänkbar sådan är att någon del eller några delar av optiken kan utföras rörliga eller .justerbara relativt instrumenthöljet, för att möjliggöra t.ex. optisk bildstabilisering. Denna .justerbarhet 5 eller rörlighet för någon del av optiken är bara meningsfull om den sker omkring ett centralläge, vilket ska anses definiera stràlgàngen enligt f örhandenvarande uppfinning.

En annan modifikation kan vara att optiska axeln hos okularet 5 inte är parallell med optiska axeln hos objektivet 6. Detta rekom- menderas ej generellt, men kan vara en fördel i vissa fall. Linser mellan speglarna kan om så önskas tillsättas, och dylika modifika- tioner, erhållna genom tillsatta optiska element, ska anses omfat- tas av uppfinningen så. länge som det i patentkraven beskrivna f. grundkonceptet tillämpas. v Okular 5 kan utelämnas och ersättas med ett filmplan el. dyl.

Claims (4)

10 15 20 25 30 35 467 941 PATENTKRAV

1. Sätt att arrangera strålgången i ett optiskt instrument såsom teleskop, teleobjektiv eller liknande (7), i vilket ingående och utgå- ende optiska axlar är huvudsakligen parallella, innefattande åtmins- tone hölje (8), objektiv (6) och speglar (1-4) med första l 1 ' l, andra ( 2' ), tredje l 3' l och fjärde l 4' ) plana reflekterande ytor där de reflekterande ytorna ( 1 ' - 4' ) ger bildvändning, och där centralstrå- len (CS) reflekteras i tur och ordning i den första l 1 ' l, andra ( 2 ' ), tredje l 3' ), och fjärde ( 4' ) plana reflekterande ytan, varvid den andra l 2' l och tredje l 3' ) reflekterande ytan tillsammans med optiska axeln för objektivet (6) definierar ett plan (SP) på så sätt att planet (SP) innehåller optiska axeln för objektivet (6) samt en punkt (P), vilken ligger mittemellan de två punkter där centralstrålen (CS) infaller på den andra ( 2' ) respektive den tredje l 3 ' ) reflekterande ytan, k ä n n e t e c k n a t av att centralstrålen (CS) infaller på den andra l 2' ) respektive den tredje ( 3' ) reflekterande ytan på punkter som var och en ligger minst fyra millimeter från, och på var sin sida om planet (SP), och att 3°< o! < 50°gäller, där ot utgör den vinkel som skärningslinjen (HL) för den andra l 2' ) och den tredje ( 3 ' l reflekterande ytan bildar mot planet (SP).

2. Sätt enligt krav 1, kä n n e te c k n at av att vinkeln l ß) mellan infallande stråle till, och utgående stråle från den första re- flekterande ytan är mindre än 85.'

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att symmetriplanet hos exteriören för höljet (8) hos nämnda optiska instrument huvud- sakligen sammanfaller med nämnda plan (SP).

4. Sätt enligt något av kraven 1--3, k ä n n e t e c k n a t av att någon eller några delar av optiken (1-7) för bildstabiliseringsändamål är rörlig eller justerbar omkring ett centralläge eller normalläge i för- hållande till instrumenthöljet (8), varvid centralläget eller normalläget definierar strâlgången enligt patentkrav 1-4.