SE501994C2 - Optical sight with biaspheric element - with concave side of element being parabolically shaped and provided with reflecting layer - Google Patents

Abstract

In the concave-convex optical element for a parallax free sight the concave side of the elements to face the user of the sight is provided with a partially reflecting layer, in the focal point of which is arranged a light emitter. The concave side of the optical element is parabolically shaped and in that the opposite convex side of the element is elliptically or hyperbolically shaped, such that any external light beam hitting it along the optical axis of the element continues straight through the element with minimal deviation. The element is moulded in one piece from a plastics material.

Description

15 20 25 30 35 501 994 ningssättet är härvid gjutning. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att för- bättra siktets optiska egenskaper. The method of casting is casting. The object of the present invention is to improve the optical properties of the screen.

Uppfinningen Dessa och andra ändamål uppnås enligt uppfinningen genom att det optiska elementets konkava sida på ett i och för sig känt sätt är paraboliskt formad och att det optiska elementets motsatta konvexa sida är elliptiskt eller hyper- boliskt formad, så att varje yttre ljusstråle som träffar den längs elementets optiska axel fortsätter rakt igenom elementet med minimal deviation.The invention These and other objects are achieved according to the invention in that the concave side of the optical element is parabolically shaped in a manner known per se and that the opposite convex side of the optical element is elliptically or hyperbolically shaped, so that each outer light beam which strikes it along the optical axis of the element continues straight through the element with minimal deviation.

Plastmaterialet är företrädesvis polykarbonat, men andra material med tillfredsställande optiska egenskaper är också möjliga, såsom PMMA, en akrylplast.The plastic material is preferably polycarbonate, but other materials with satisfactory optical properties are also possible, such as PMMA, an acrylic plastic.

Det ovan angivna optiska elementet är huvudelementet i siktet, vilket emellertid också kan ha ett transparent fönster anordnat vid den andra änden av en ljuskanal för dess tillslutning. Det transparenta fönstret vetter mot skyttens öga. Vid vissa konstruktioner finns det emellertid ingen ljuskanal och alltså inget transparent fönster.The above-mentioned optical element is the main element in the screen, which, however, can also have a transparent window arranged at the other end of a light channel for its closure. The transparent window faces the shooter's eye. In some constructions, however, there is no light channel and thus no transparent window.

Vid tidigare konstruktioner med ljuskanaler har detta transparenta fönster utnyttjats för att korrigera optiska defekter i det optiska elementet och alltså varit försett med krökta ytor, vilket ökade priset för siktet.In previous constructions with light channels, this transparent window has been used to correct optical defects in the optical element and has thus been provided with curved surfaces, which increased the price of the sight.

Tack vare den höga optiska kvalitén hos det optiska elementet enligt uppfinningen behöver det transparenta fön- stret blott ha plana, parallella ytor.Due to the high optical quality of the optical element according to the invention, the transparent window only needs to have flat, parallel surfaces.

Ritningsförteckning Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande under hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka fig 1 är en schematisk sidovy genom ett sikte innehållande ett optiskt element framställt enligt uppfinningen, fig 2 är en förstorad sidovy genom elementet samt fig 3 och 4 är en sidovy respektive en vy framifrån av en större lins, från vilket ett optiskt element kan anses vara utskuret eller 10 15 20 25 30 35 501 994 framställt enligt uppfinningen.List of drawings The invention will be described in more detail in the following with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a schematic side view through a screen containing an optical element produced according to the invention, Fig. 2 is an enlarged side view through the element and Figs. 3 and 4 are a side view respectively a front view of a larger lens, from which an optical element can be considered to be cut out or made according to the invention.

Detaljerad beskrivning av en föredragen utföringsfgrm Ett sikte enligt fig 1 har ett rektangulärt, optiskt element 1, vilket är fäst vid den främre änden av en ljus- kanal formad som ett rör 2. Detta rör har en rektangulär tvärsektion med större bredd än höjd, så att en vid vy för en skytt uppnås. Dimensionerna hos det optiska elementet kan exempelvis vara 38 x 26 m. Vid den andra änden av ljuskanalen är fäst ett transparent fönster 3, som är rik- tat mot ögat 4 hos skytten som använder det vapen på vilket siktet är monterat, företrädesvis pipan hos ett gevär.DETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT A screen according to Fig. 1 has a rectangular optical element 1, which is attached to the front end of a light channel shaped like a tube 2. This tube has a rectangular cross section with a greater width than height, so that a wide view of a shooter is achieved. The dimensions of the optical element can be, for example, 38 x 26 m. Attached to the other end of the light channel is a transparent window 3, which is directed towards the eye 4 of the shooter using the weapon on which the sight is mounted, preferably the barrel of a rifle.

En konkav sida hos det optiska elementet 1 riktad mot det transparenta fönstret 3 är paraboliskt formad. Elemen- tet är monterat i ljuskanalen på så sätt att dess bränn- punkt faller i ljuskanalen mellan det optiska elementet 1 och det transparenta fönstret 3 under ljuskanalens centrum- linje. Ljuskanalens 2 centrumlinje definieras som siktes- linjen. I brännpunkten, d v s på elementets 1 optiska axel, finns ett ljusemitterande organ, exempelvis en ljusemitte- rande diod eller lysdiod 5. Denna lysdiod 5 - riktad mot elementet l där centrumlinjen korsar elementet - alstrar en siktpunkt i form av en punkt, ett kors, en ring eller lik- nande.A concave side of the optical element 1 directed towards the transparent window 3 is parabolically shaped. The element is mounted in the light channel in such a way that its focal point falls in the light channel between the optical element 1 and the transparent window 3 below the center line of the light channel. The center line of the light channel 2 is defined as the line of sight. In the focal point, ie on the optical axis of the element 1, there is a light emitting means, for example a light emitting diode or LED 5. This LED 5 - directed towards the element 1 where the center line crosses the element - generates a point of view in the form of a point, a cross, a ring or the like.

Elementets 1 paraboliska inneryta är belagd med ett delvis reflekterande skikt la, som är reflekterande vid en viss smal frekvens, kring frekvensen 630 nm, d v s blott rött ljus, medan ljus med alla andra frekvenser passerar genom elementet huvudsakligen utan reflektion. Denna frek- vens är naturligtvis vald i beroende av frekvensen hos det ljus som emitteras från lysdioden 5 och för att inte för- störa ögats mörkeranpassning.The parabolic inner surface of the element 1 is coated with a partially reflective layer 1a, which is reflective at a certain narrow frequency, around the frequency 630 nm, i.e. only red light, while light with all other frequencies passes through the element substantially without reflection. This frequency is of course chosen depending on the frequency of the light emitted from the LED 5 and in order not to disturb the dark adaptation of the eye.

Lysdioden 5 kan drivas på vilket lämpligt sätt som helst, vilket inte behöver beskrivas närmare här. Den andra, konvexa sidan av elementet 1 är belagd med ett anti- reflexskikt lb för att undvika reflexer från denna sida av 10 15 20 25 30 35 501 994 det optiska elementet och särskilt från lysdioden 5.The LED 5 can be operated in any suitable manner, which need not be described in more detail here. The other, convex side of the element 1 is coated with an anti-reflective layer 1b to avoid reflections from this side of the optical element and in particular from the LED 5.

Med denna konstruktion kommer skyttens öga 4 att se en röd punkt tillsamans med en bild av omgivningarna eller målet genom siktet. Förutsatt att siktet är riktigt monte- rat på geväret, behöver skytten bara placera den röda punk- ten på målet för att kunna träffa det vid avfyring av gevä- ret.With this construction, the shooter's eye 4 will see a red dot together with a picture of the surroundings or the target through the sight. Provided that the sight is correctly mounted on the rifle, the shooter only needs to place the red dot on the target to be able to hit it when firing the rifle.

För att uppnå ett parallaxfritt sikte är det viktigt att alla ljusstrålar som emitteras från lysdioden 5 reflek- teras från det optiska elementet 1 mot ögat 4 parallellt med ljuskanalens centrumlinje, vilket betyder att denna sida av elementet idealt måste vara paraboliskt formad.In order to achieve a parallax-free sight, it is important that all light beams emitted from the LED 5 are reflected from the optical element 1 towards the eye 4 parallel to the center line of the light channel, which means that this side of the element must ideally be parabolically shaped.

Lika viktigt för att uppnå ett parallaxfritt sikte, vid vilket bilden av målet rör sig tillsammans med den röda punkten åstadkommen av lysdioden 5, är att de yttre ljus- strålarna passerar genom det optiska elementet 1 utan några bilddistorderande deviationer. Eftersom människoögat är ett mycket känsligt instrument, måste noggrannheten vara ex- tremt hög. Enligt nuvarande krav skall noggrannheten vara bättre än en milliradian.Equally important for achieving a parallax-free sight, in which the image of the target moves together with the red dot provided by the LED 5, is that the outer light beams pass through the optical element 1 without any image-distorting deviations. Since the human eye is a very sensitive instrument, the accuracy must be extremely high. According to current requirements, the accuracy must be better than a milliradian.

Om det optiska elementet l kan framställas till denna noggrannhet, behöver det transparenta fönstret 3 blott tjänstgöra som en tillslutning för ljuskanalen och kan ha enkla parallella ytor istället för krökta ytor, vilket hit- tills varit nödvändigt för att kompensera för vissa devia- tioner i elementet 1, normalt bestående av två eller flera sub-element. Det transparenta fönstret 3 är också försett med antireflexbehandling.If the optical element 1 can be manufactured to this accuracy, the transparent window 3 only needs to serve as a closure for the light channel and can have simple parallel surfaces instead of curved surfaces, which has hitherto been necessary to compensate for certain deviations in the element. 1, normally consisting of two or more sub-elements. The transparent window 3 is also provided with anti-reflection treatment.

Med nuvarande tillverkningstekniker är det möjligt att forma ett optiskt element av plast med hög noggrannhet.With current manufacturing techniques, it is possible to form an optical element of plastic with high accuracy.

Det föredragna materialet för elementet l är polykarbonat, som ofta används för sådana element. Alternativa plastmate- rial, såsom PMMA, är emellertid också möjliga.The preferred material for element 1 is polycarbonate, which is often used for such elements. However, alternative plastic materials, such as PMMA, are also possible.

Siktet har hittills beskrivits som varande innehållet i ett hus, där en ljuskanal 2 vid sin ena ände är försedd 10 15 20 25 30 501 994 med det optiska elementet l och vid den andra änden med det transparenta fönstret 3. Det optiska elementet l, fram- ställt enligt uppfinningen, kan emellertid lika gärna ut- nyttjas utan något hus, ljuskanal eller transparent fön- ster, d v s stående på ett vapen. Det optiska elementet 1 kan också ha vilken lämplig form som helst, såsom cirkulär, och behöver inte vara rektangulärt.The sight has hitherto been described as being the contents of a housing, where a light channel 2 is provided at its one end with the optical element 1 and at the other end with the transparent window 3. The optical element 1, front - set according to the invention, can just as easily be used without any house, light channel or transparent window, ie standing on a weapon. The optical element 1 can also have any suitable shape, such as circular, and need not be rectangular.

Fig 2 är en sektion genom det optiska elementet l, där 0 representerar den optiska axeln hos elementet och A - F nivåer från den optiska axeln med steg av vardera 5 mm, vilket exempelvis betyder att nivån D är 20 mm från den op- tiska axeln 0. De streckade linjerna representerar sfäriska ytor, medan de heldragna linjerna indikerar den form som valts för elementytorna. De respektive avstånden mellan de streckade linjerna och heldragna linjerna betecknas a' och a" för nivå A, b' och b" för nivån B och så vidare.Fig. 2 is a section through the optical element 1, where 0 represents the optical axis of the element and A - F levels from the optical axis with steps of 5 mm each, which for example means that the level D is 20 mm from the optical axis 0. The dashed lines represent spherical surfaces, while the solid lines indicate the shape selected for the element surfaces. The respective distances between the dashed lines and solid lines are denoted a 'and a "for level A, b' and b" for level B and so on.

Brytningsindex för polykarbonat - vilket är olika för olika våglängder, d v s färger - har ett värde av 1,585 vid 589 nm. Baserat därpå och en krökningsradie av 192 mm för den konkava ytan hos det optiska elementet 1 är det rela- tivt enkelt, särskilt med en dator, att beräkna formen hos den ideala paraboliska ytan som vetter mot ljuskanalen. I nästa steg kan formen hos den andra ytan hos det optiska elementet beräknas för uppnående av det önskade resultatet att en inkommande ljusstråle passerar genom elementet utan deviation eller åtminstone med minimal deviation, oberoende av varpå elementet strålen träffar. Det framgår att medan den konstant som skall användas i en viss formel för att beräkna krökta ytor är -1,000 för den ideala paraboliska ytan, har den fastställts att vara -1,443 för den motsatta sidan av det optiska elementet 1. Med denna konstant erhål- ler denna yta en huvudsakligen hyperbolisk form. 10 15 20 25 30 35 501 994 Den beräkningsformel som används för båda sidor eller ytor är 2 + YZ) z= r (1+\/1 - (1 - (1/r)2 (c + 1) (x5*y7)- (x där x Y z en x-koordinat på ytan en y-koordinat på ytan en z-koordinat längs den optiska axeln r = dubbel brännvidd, motsvarande radien hos den krökta ytan c = beräknad, s k konisk konstant för ytan.The refractive index for polycarbonate - which is different for different wavelengths, ie colors - has a value of 1,585 at 589 nm. Based on this and a radius of curvature of 192 mm for the concave surface of the optical element 1, it is relatively easy, especially with a computer, to calculate the shape of the ideal parabolic surface facing the light channel. In the next step, the shape of the second surface of the optical element can be calculated to achieve the desired result that an incoming light beam passes through the element without deviation or at least with minimal deviation, regardless of where the element hits the beam. It can be seen that while the constant to be used in a particular formula for calculating curved surfaces is -1,000 for the ideal parabolic surface, it has been determined to be -1.443 for the opposite side of the optical element 1. With this constant, this surface a mainly hyperbolic shape. 10 15 20 25 30 35 501 994 The calculation formula used for both sides or surfaces is 2 + YZ) z = r (1 + \ / 1 - (1 - (1 / r) 2 (c + 1) (x5 * y7 ) - (x where x Y z an x-coordinate on the surface a y-coordinate on the surface a z-coordinate along the optical axis r = double focal length, corresponding to the radius of the curved surface c = calculated, so-called conical constant for the surface.

Såsom nämnts är c den s k koniska konstanten och är < - 1 för en hyperbolisk yta = - 1 för en parabolisk yta > - 1 för en elliptisk yta.As mentioned, c is the so-called conical constant and is <- 1 for a hyperbolic surface = - 1 for a parabolic surface> - 1 for an elliptical surface.

För den paraboliska, konkava ytan är c sålunda - l, vilket betyder att ekvationen eller formeln ovan i detta fall reduceras till 2+Y2) 2 r (x Brännvidden f hos den paraboliska ytan bestäms i för- hållande till de geometriska omständigheterna och är 96 mm i föreliggande fall, vilket ger en radie r för den parabo- liska ytan av 192 mm, eftersom r = 2 f. Detta resulterar i en matematisk relation, som beskriver den exakta geome- triska formen hos den konkava, paraboliska ytan eller sidan.For the parabolic, concave surface, c is thus - 1, which means that the equation or formula above in this case is reduced to 2 + Y2) 2 r (x The focal length f of the parabolic surface is determined in relation to the geometric circumstances and is 96 mm in the present case, giving a radius r for the parabolic surface of 192 mm, since r = 2 f. This results in a mathematical relation, which describes the exact geometric shape of the concave, parabolic surface or side.

Härefter definieras ungefär 20 parallella ljus- strålar; dessa ljusstrålar är parallella med den optiska axeln och vid ökande avstånd därifrån. De kan alla vara i samma plan, eftersom det optiska elementet är rotationssym- metriskt. Med hjälp av det använda materialets brytningsin- 10 15 20 25 30 35 501 994 dex, ekvationen eller formeln ovan och brytningslagen är det möjligt att beräkna hur ljusstrålarna kommer att brytas vid passerandet av det optiska elementet. Eftersom det op- tiska elementets tjocklek liksom krökningsradien r och den koniska konstanten c hos den konvexa sidan eller ytan hos elementet är okända, kan ekvationssystemet inte lösas.Hereinafter, approximately 20 parallel light beams are defined; these light beams are parallel to the optical axis and at increasing distances therefrom. They can all be in the same plane, since the optical element is rotationally symmetrical. By means of the refractive index of the material used, the equation or formula above and the refractive law, it is possible to calculate how the light rays will be refracted as the optical element passes. Since the thickness of the optical element as well as the radius of curvature r and the conical constant c of the convex side or surface of the element are unknown, the system of equations cannot be solved.

Genom användning av minsta kvadratmetoden och genom ut- nyttjande av en kraftfull dator är det emellertid möjligt att finna de lösningar vid vilka ljusstrålarna avböjs så lite som möjligt vid passagen genom det optiska elementet.However, by using the least squares method and by using a powerful computer, it is possible to find the solutions in which the light beams are deflected as little as possible during the passage through the optical element.

Det visar sig fördelaktigt att utnyttja ett optiskt element som är så tunt som möjligt och ett plastmaterial med ett brytningsindex som är så lågt som möjligt.It proves advantageous to use an optical element which is as thin as possible and a plastic material with a refractive index which is as low as possible.

Om de två sidorna eller ytorna har sama radie, fram- går det att den minimala deviationen för ljusstrålarna all- tid uppträder, då den konvexa sidan är hyperbolisk, obero- ende av brytningsindex.If the two sides or surfaces have the same radius, it appears that the minimum deviation of the light rays always occurs, as the convex side is hyperbolic, independent of the refractive index.

Om emellertid också krökningsradien r för den konvexa sidan optimeras, framgår det att den minimala deviationen uppträder då r för den konvexa sidan är 0,5 % längre än för den konkava sidan. I detta fall komer c att vara > - 1, vilket betyder att den optimala konvexa ytan är elliptisk.However, if the radius of curvature r for the convex side is also optimized, it appears that the minimum deviation occurs when r for the convex side is 0.5% longer than for the concave side. In this case, c will be> - 1, which means that the optimal convex surface is elliptical.

Denna lösning är ungefär S gånger bättre än den tidigare.This solution is about 5 times better than the previous one.

Med de ovan beskrivna beräkningarna kommer avstånden mellan de streckade och heldragna linjerna i fig 2 att er- hålla de värden som framgår av tabellen nedan för en para- boliskt formad konkav sida eller yta och en hyperboliskt formad konvex sida eller yta: Nivå Avstånd från optisk axel, mm A 5 a' = 0,02 pm a" = 0,02 pm B 10 b' = 0,25 pm b" = 0,17 pm C 15 c' = 1,29 pm c" = 0,89 pm D 20 d' = 4,09 pm d" = 2,84 pm E 25 e' = 10,00 pm e" = 6,96 pm F 30 f' = 20,78 pm f" = 14,48 pm 1994-07-28 P 201-1011 SP/IH 10 15 20 25 501 994 Såsom angivits ovan betraktas en noggrannhet av 1 milliradian som acceptabel, vilket är ett mycket bättre värde än vad nu använda optiska element kan ge. Med parabo- liska och hyperboliska elementytor beräknade enligt de ovan angivna metoderna kommer noggrannheten att vara 0,16 milli- radianer med extremt små avvikelser för olika våglängder eller färger.With the calculations described above, the distances between the dashed and solid lines in Fig. 2 will obtain the values shown in the table below for a parabolically shaped concave side or surface and a hyperbolically shaped convex side or surface: Level Distance from optical axis, mm A 5 a '= 0.02 pm a "= 0.02 pm B 10 b' = 0.25 pm b" = 0.17 pm C 15 c '= 1.29 pm c "= 0.89 pm D 20 d '= 4.09 pm d "= 2.84 pm E 25 e' = 10.00 pm e" = 6.96 pm F 30 f '= 20.78 pm f "= 14.48 pm 1994 -07-28 P 201-1011 SP / IH 10 15 20 25 501 994 As stated above, an accuracy of 1 milliradian is considered acceptable, which is a much better value than what optical elements now used can give. With parabolic and hyperbolic element surfaces calculated according to the methods given above, the accuracy will be 0.16 billion radians with extremely small deviations for different wavelengths or colors.

De angivna värdena kan betraktas som idealiska. Om exempelvis en defekt uppträder, uttryckt som en avvikelse av 0,1 hos konstanten för den hyperboliska ytan, d v s - 1,543 istället för - 1,443, kommer noggrannheten fortfa- rande att vara helt acceptabel eller 0,27 milliradianer.The values given can be considered ideal. For example, if a defect occurs, expressed as a deviation of 0.1 of the constant for the hyperbolic surface, i.e. - 1.543 instead of - 1.443, the accuracy will still be completely acceptable or 0.27 milliradians.

Fig 3 och 4 är illustrativa för de möjliga resultat som uppnås genom beräkningsmetoden enligt uppfinningen och visar en hypotetisk konkav-konvex lins beräknad enligt upp- finningen. Från denna lins med en parabolisk, konkav sida la och en elliptisk eller en hyperbolisk, konvex sida lb kan ett optiskt element l för användning i ett parallax- fritt sikte tagas. Detta optiska element kan ha vilken lämplig form som helst (fastän en rektangulär form visas), och oberoende var på linsen det tas, kommer det att ha de önskade egenskaperna i förhållande till linsens brännpunkt och i förhållande till alla yttre ljusstrålar som träffar den konvexa sidan. Ett linselement 1 för användning i arrangemanget enligt fig 1 visas med heldragna linjer, medan ett linselement visat med streckade linjer i fig 4 exempelvis kan användas för ett visst vapen med ett förskjutet sikte.Figures 3 and 4 are illustrative of the possible results obtained by the calculation method according to the invention and show a hypothetical concave-convex lens calculated according to the invention. From this lens with a parabolic, concave side 1a and an elliptical or a hyperbolic, convex side 1b, an optical element 1 for use in a parallax-free sight can be taken. This optical element can have any suitable shape (although a rectangular shape is shown), and regardless of where on the lens it is taken, it will have the desired properties in relation to the focal point of the lens and in relation to all external light rays hitting the convex side . A lens element 1 for use in the arrangement according to Fig. 1 is shown in solid lines, while a lens element shown in broken lines in Fig. 4 can, for example, be used for a certain weapon with an offset sight.

Claims (1)

1. 0 501 994 PATENTKRAV Konkav-konvext optiskt element (1) för ett parallax- fritt sikte, vilket element företrädesvis är format i ett stycke av ett plastmaterial, varvid elementets mot använda- ren av siktet vettande, konkava sida är försedd med ett delvis reflekterande skikt (la), i vars brännpunkt är anordnat ett ljusemitterande organ (5), k ä n n e t e c k- n a t därav, att det optiska elementets (1) konkava sida på i och för sig känt sätt är paraboliskt formad och att elementets motsatta, konvexa sida (lb) är elliptiskt eller hyperboliskt formad, så att varje yttre ljusstråle som träffar den längs elementets optiska axel fortsätter rakt igenom elementet med minimal deviation.A concave-convex optical element (1) for a parallax-free screen, which element is preferably formed in one piece of a plastic material, the concave side of the element facing the user of the screen being provided with a partial reflective layer (1a), in the focal point of which is arranged a light-emitting member (5), characterized in that the concave side of the optical element (1) is parabolically shaped in a manner known per se and that the opposite of the element, convex side (lb) is elliptically or hyperbolically shaped, so that each outer ray of light hitting it along the optical axis of the element continues straight through the element with minimal deviation.