RU2193790C2

RU2193790C2 - Ocular data input system

Info

Publication number: RU2193790C2
Application number: RU2000121211A
Authority: RU
Inventors: Валерий Анатольевич Городов; Евгений Владимирович Кириченко; Василий Леонидович Корнейчик; Александр Алексеевич Кудряшов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-11-27

Abstract

FIELD: observation devices. SUBSTANCE: system designed to enter service information such as range to object measured by range finder to ocular has optically coupled display unit, projection system incorporating projection lens and matching subsystem, and ocular. Newly introduced in projection system is plane-parallel strip placed in front of or behind projection lens and tilted to optical axis of projection system. Equation solved is

, where Δt is ocular astigmatism reduced to plane of objects coinciding with display unit; α₁ is correction factor; d is width of plane-parallel strip; n is refractive index of plane-parallel strip material; ε is angle of plane- parallel strip inclination to optical axis of projection system. At Δt>0 plane-parallel strip is tilted in sagittal section of projection system and at Δt<0 it is inclined in meridian section of projection system. EFFECT: improved quality of system image in data input to edge of field of vision due to ocular astigmatism correction. 5 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к системам ввода информации в окуляр, и может применяться в наблюдательных приборах, в которых необходимо в процессе наблюдения вводить в окуляр служебную информацию, например измеренную лазерным дальномером дальность до объекта. The invention relates to optical instrumentation, and in particular to systems for inputting information into the eyepiece, and can be used in observational devices in which it is necessary to enter service information, for example, the distance to the object measured by a laser range finder, in the eyepiece.

Наиболее близкой по технической сущности является система ввода информации в окуляр [1] , содержащая блок индикаторов, проекционную систему, состоящую из проекционного объектива и системы сопряжения, и окуляр. The closest in technical essence is the system for inputting information into the eyepiece [1], containing a block of indicators, a projection system consisting of a projection lens and a pairing system, and an eyepiece.

Недостатком данной системы ввода информации в окуляр является невысокое качество изображения при вводе информации на край поля зрения окуляра. The disadvantage of this system of inputting information into the eyepiece is the low image quality when entering information on the edge of the field of view of the eyepiece.

Задачей изобретения является повышение качества изображения системы ввода изображения в окуляр при вводе информации на край поля зрения за счет компенсации астигматизма окуляра. The objective of the invention is to improve the image quality of the image input system in the eyepiece when entering information on the edge of the field of view by compensating for astigmatism of the eyepiece.

Поставленная задача достигается тем, что в системе ввода информации в окуляр, содержащей оптически связанные блок индикаторов, проекционную систему, состоящую из проекционного объектива и системы сопряжения, и окуляр, в отличие от прототипа, в проекционную систему дополнительно введена плоскопараллельная пластина, расположенная до или после проекционного объектива и установленная с наклоном к оптической оси проекционной системы, и имеет место следующая зависимость:

0,5≤α₁≤2,
где Δt - приведенный астигматизм окуляра, α₁ - поправочный коэффициент, d - толщина плоскопараллельной пластины, n - показатель преломления материала плоскопараллельной пластины, ε - угол наклона плоскопараллельной пластины к оптической оси проекционной системы, причем при Δt>0 плоскопараллельная пластина наклонена в сагиттальном сечении проекционной системы, а при Δt<0 плоскопараллельная пластина наклонена в меридиональном сечении проекционной системы.The problem is achieved by the fact that in the information input system in the eyepiece containing optically coupled indicator block, a projection system consisting of a projection lens and a pairing system, and the eyepiece, in contrast to the prototype, an additional plane-parallel plate is added to the projection system located before or after projection lens and mounted with an inclination to the optical axis of the projection system, and the following relationship takes place:

0.5≤α ₁ ≤2,
where Δt is the reduced astigmatism of the eyepiece, α ₁ is the correction coefficient, d is the thickness of the plane-parallel plate, n is the refractive index of the material of the plane-parallel plate, ε is the angle of inclination of the plane-parallel plate to the optical axis of the projection system, and at Δt> 0, the plane-parallel plate is inclined in the sagittal section projection system, and when Δt <0, the plane-parallel plate is inclined in the meridional section of the projection system.

Системы ввода информации в окуляр применяются в наблюдательных приборах, в которых необходимо в процессе наблюдения вводить в окуляр служебную информацию, например измеренную лазерным дальномером дальность до объекта, координаты наблюдаемого объекта или другую служебную информацию. Располагать служебную информацию желательно ближе к краю поля зрения окуляра для того, чтобы она не мешала наблюдению в прибор. Известно, что при разработке окуляров полевые аберрации, такие как астигматизм и кривизна поля, трудно поддаются исправлению. Как правило, аберрации на краю поля зрения остаются недоисправленными, а их влияние компенсируют аберрациями предшествующих компонентов (объектива, линзовой оборачивающей системы). При проецировании изображения на край поля зрения окуляра существенное влияние на качество спроецированного изображения оказывает неисправленный астигматизм окуляра. Поэтому в системе ввода информации в окуляр возникает необходимость компенсации астигматизма окуляра. Если в проекционную систему установить наклонную плоскопараллельную пластину, то при надлежащем подборе толщины и угла наклона пластины можно скомпенсировать астигматизм окуляра с помощью астигматизма пластины. Параметры плоскопараллельной пластины определяются с помощью использования следующей зависимости:

0,5≤α₁≤2,
где Δt - приведенный астигматизм окуляра, α₁ - поправочный коэффициент, d - толщина плоскопараллельной пластины, n - показатель преломления материала плоскопараллельной пластины, ε - угол наклона плоскопараллельной пластины к оптической оси проекционной системы. Пластина может быть установлена или до или после проекционного объектива. При использовании выражения для определения параметров пластины приведенный астигматизм окуляра рассчитывается как разность сагиттального и меридионального отрезков в плоскости предметов, совпадающей с блоком индикаторов, сопряженной с плоскостью изображения окуляра и совпадающей с центром сходящегося пучка, в котором установлена пластина. Если астигматизм окуляра в этой плоскости положительный, то наклон пластины производится в сагиттальном сечении проекционной системы, если астигматизм окуляра отрицательный, то наклон пластины производится в меридиональном сечении проекционной системы. Поскольку наклонная плоскопараллельная пластина вносит не только астигматизм, но также сферическую аберрацию и кому, то требуется оптимизация параметров пластины с точки зрения получения оптимального качества изображения (например, требуемых значений модуляционной передаточной характеристики или функции рассеяния точки). Поправочный коэффициент 0,5≤α₁≤2 учитывает оптимизацию параметров пластины для получения оптимального качества изображения. Если значение поправочного коэффициента α₁ не попадает в указанные пределы, это указывает на недостаточное качество изображения системы.Systems for inputting information into the eyepiece are used in observational instruments where it is necessary to enter service information into the eyepiece during the observation process, for example, the distance to the object measured by the laser range finder, the coordinates of the observed object, or other service information. It is advisable to place service information closer to the edge of the field of view of the eyepiece so that it does not interfere with the observation into the device. It is known that when developing eyepieces, field aberrations, such as astigmatism and field curvature, are difficult to correct. As a rule, aberrations at the edge of the field of view remain under-corrected, and their influence is compensated by the aberrations of the previous components (lens, lens wrapping system). When projecting an image onto the edge of the field of view of the eyepiece, the corrected astigmatism of the eyepiece has a significant effect on the quality of the projected image. Therefore, in the system of inputting information into the eyepiece, it becomes necessary to compensate for the astigmatism of the eyepiece. If an inclined plane-parallel plate is installed in the projection system, then with proper selection of the thickness and angle of inclination of the plate, the astigmatism of the eyepiece can be compensated for using the astigmatism of the plate. The parameters of a plane-parallel plate are determined using the following relationship:

0.5≤α ₁ ≤2,
where Δt is the reduced astigmatism of the eyepiece, α ₁ is the correction coefficient, d is the thickness of the plane-parallel plate, n is the refractive index of the material of the plane-parallel plate, ε is the angle of inclination of the plane-parallel plate to the optical axis of the projection system. The plate can be mounted either before or after the projection lens. When using the expression for determining the plate parameters, the reduced eyepiece astigmatism is calculated as the difference between the sagittal and meridional segments in the plane of objects, coinciding with the indicator block, conjugated with the image plane of the eyepiece and coinciding with the center of the converging beam in which the plate is mounted. If the astigmatism of the eyepiece in this plane is positive, then the slope of the plate is in the sagittal section of the projection system, if the astigmatism of the eyepiece is negative, then the slope of the plate is in the meridional section of the projection system. Since an inclined plane-parallel plate introduces not only astigmatism, but also spherical aberration and coma, it is necessary to optimize the plate parameters in terms of obtaining optimal image quality (for example, the required values of the modulation transfer characteristic or the point spread function). The correction factor 0.5≤α ₁ ≤2 takes into account the optimization of the plate parameters to obtain optimal image quality. If the value of the correction coefficient α ₁ does not fall within the specified limits, this indicates insufficient image quality of the system.

На фиг. 1 представлена система ввода информации в окуляр с наклоном плоскопараллельной пластины в сагиттальном сечении. In FIG. 1 shows a system for inputting information into an eyepiece with a slope of a plane-parallel plate in a sagittal section.

На фиг.2 представлено сечение А-А фиг.1. Figure 2 presents a section aa of figure 1.

На фиг.3 представлен пример выполнения блока индикаторов. Figure 3 presents an example of a block of indicators.

На фиг.4 представлен вид поля зрения окуляра с индикацией информации от системы ввода информации в окуляр. Figure 4 presents a view of the field of view of the eyepiece with an indication of information from the information input system into the eyepiece.

На фиг. 5 представлены графики модуляционной передаточной функции в обратном ходе лучей в центре поля зрения системы ввода информации в окуляр, а также идентичной системы, но без наклонной пластины. In FIG. Figure 5 shows graphs of the modulation transfer function in the reverse ray path in the center of the field of view of the information input system into the eyepiece, as well as of an identical system, but without an inclined plate.

Система ввода информации в окуляр (см. фиг.1, фиг.2) содержит оптически связанные блок индикаторов 1, состоящий из индикатора 2 и зеркала 3, проекционную систему, включающую плоскопараллельную пластину 4, проекционный объектив 5 и систему сопряжения 6, состоящую из коллектива 7 и зеркала 8, и окуляр 9. Плоскопараллельная пластина 4 может быть установлена до или после проекционного объектива 5. Угол наклона пластины 4 и ее толщина выбраны в соответствии с выражением

где Δt - астигматизм окуляра, приведенный к плоскости предметов, совпадающей с блоком индикаторов, α₁ - поправочный коэффициент, d - толщина плоскопараллельной пластины, n - показатель преломления материала плоскопараллельной пластины, ε - угол наклона плоскопараллельной пластины к оптической оси проекционной системы. При Δt>0 плоскопараллельная пластина наклонена в сагиттальном сечении проекционной системы, а при Δt<0 плоскопараллельная пластина наклонена в меридиональном сечении проекционной системы.The system for inputting information into the eyepiece (see Fig. 1, Fig. 2) contains an optically coupled block of indicators 1, consisting of an indicator 2 and a mirror 3, a projection system including a plane-parallel plate 4, a projection lens 5, and an interface system 6, consisting of a team 7 and mirrors 8, and the eyepiece 9. A plane-parallel plate 4 can be installed before or after the projection lens 5. The angle of inclination of the plate 4 and its thickness are selected in accordance with the expression

where Δt is the eyepiece astigmatism reduced to the plane of objects that coincides with the indicator block, α ₁ is the correction coefficient, d is the thickness of the plane-parallel plate, n is the refractive index of the material of the plane-parallel plate, ε is the angle of inclination of the plane-parallel plate to the optical axis of the projection system. At Δt> 0, the plane-parallel plate is inclined in the sagittal section of the projection system, and at Δt <0, the plane-parallel plate is inclined in the meridional section of the projection system.

Проекционный объектив 5 строит изображение от блока индикаторов в передней фокальной плоскости окуляра 9. При этом проекционный объектив должен иметь такое увеличение, чтобы обеспечить требуемый масштаб изображения от блока индикаторов в фокальной плоскости окуляра. Проекционный объектив должен также быть исправлен в отношении как осевых, так и внеосевых аберраций в спектральном диапазоне излучения блока индикаторов. В качестве проекционного объектива может быть использован объектив типа триплет. Система сопряжения 6 сопрягает зрачки окуляра 9 и проекционного объектива 5, размещает изображение от блока индикаторов на заданной высоте в передней фокальной плоскости окуляра и обеспечивает пересечение оптической оси проекционной системы с центром выходного зрачка окуляра. Коллектив 7 сопрягает зрачки окуляра 9 и проекционного объектива 5 и может быть выполнен в виде одиночной линзы. Зеркало 8 установлено таким образом, чтобы изображение от блока индикаторов, построенное проекционным объективом? разместить на заданной высоте в передней фокальной плоскости окуляра, и имеет угол наклона такой, чтобы оптическая ось проекционной системы проходила через центр выходного зрачка окуляpa. Окуляр 9 должен иметь требуемое увеличение, поле зрения и диаметр выходного зрачка, а также требуемую коррекцию аберраций, чтобы обеспечить качество изображения в оптической системе, в которой он используется. Окуляр 9 выполнен из двух склеенных линз и двух одиночных линз. Блок индикаторов 1 (фиг. 3) может состоять из двух параллельных индикаторов 10 и 11, расположенных в плоскости предметов, между которыми установлен зеркальный клин 12. Индикаторы могут быть цифровыми или знакосинтезирующими. Такое выполнение блока индикаторов позволяет совместить изображения от двух отдельных индикаторов и расположить их относительно друг друга в поле зрения окуляра как показано на фиг.4. The projection lens 5 builds an image from the indicator block in the front focal plane of the eyepiece 9. In this case, the projection lens must have such an increase to provide the desired image scale from the indicator block in the focal plane of the eyepiece. The projection lens should also be corrected for both axial and off-axis aberrations in the emission spectral range of the indicator unit. As a projection lens, a triplet lens can be used. The conjugation system 6 matches the pupils of the eyepiece 9 and the projection lens 5, places the image from the indicator block at a given height in the front focal plane of the eyepiece and ensures the intersection of the optical axis of the projection system with the center of the exit pupil of the eyepiece. The team 7 matches the pupils of the eyepiece 9 and the projection lens 5 and can be made in the form of a single lens. Mirror 8 is installed so that the image from the block of indicators built by the projection lens? placed at a given height in the anterior focal plane of the eyepiece, and has an angle of inclination such that the optical axis of the projection system passes through the center of the exit pupil of the eyepiece. The eyepiece 9 must have the required magnification, the field of view and the diameter of the exit pupil, as well as the required correction of aberrations to ensure image quality in the optical system in which it is used. The eyepiece 9 is made of two glued lenses and two single lenses. The block of indicators 1 (Fig. 3) can consist of two parallel indicators 10 and 11 located in the plane of objects, between which a mirror wedge 12 is installed. The indicators can be digital or sign-synthesizing. This embodiment of the indicator block allows you to combine images from two separate indicators and arrange them relative to each other in the field of view of the eyepiece as shown in Fig.4.

Такое исполнение системы ввода информации в окуляр позволяет получить систему с характеристиками, указанными в таблице. Such a design of the system for inputting information into the eyepiece allows one to obtain a system with the characteristics indicated in the table.

Размер матрицы индикаторов 6.8•4.7 мм. Числовая апертура системы в пространстве предметов 0.02. Астигматизм окуляра, приведенный к плоскости предметов, совпадающей с блоком индикаторов, составляет 2.65 мм. Толщина плоскопараллельной пластины d= 11.1 мм, материал плоскопараллельной пластины - стекло К8 с показателем преломления n=1.51389 на длине волны 656 нм. При угле наклона 45^o в сагиттальном сечении системы пластина обеспечивает уменьшение астигматизма системы до -0.34 мм в упомянутой плоскости. Поправочный коэффициент α₁ = 1,13. Выигрыш в качестве, который обеспечивается наклонной пластиной, иллюстрируется на фиг.5. На фиг.5 кривые 13 и 14 - графики меридиональной и сагиттальной модуляционной передаточной функции предлагаемой системы, а кривые 15 и 16 - графики меридиональной и сагиттальной модуляционной передаточной функции системы без наклонной пластины. Модуляционные передаточные функции рассчитаны в плоскости индикаторов в центре поля зрения. Из графиков видно, что применение наклонной пластины позволяет существенно улучшить сагиттальную составляющую модуляционной передаточной функции. При этом число Штреля для системы с наклонной пластиной составляет 0.72, тогда как для системы без пластины - только 0.21.The size of the matrix of indicators is 6.8 • 4.7 mm. The numerical aperture of the system in the space of objects 0.02. The astigmatism of the eyepiece reduced to the plane of objects that coincides with the indicator block is 2.65 mm. The thickness of the plane-parallel plate is d = 11.1 mm, the material of the plane-parallel plate is K8 glass with a refractive index of n = 1.51389 at a wavelength of 656 nm. When the angle of inclination of 45 ^o in the sagittal section of the system, the plate provides a reduction in astigmatism of the system to -0.34 mm in the aforementioned plane. Correction factor α ₁ = 1.13. The quality gain provided by the inclined plate is illustrated in FIG. 5. In Fig. 5, curves 13 and 14 are graphs of the meridional and sagittal modulation transfer functions of the proposed system, and curves 15 and 16 are graphs of the meridional and sagittal modulation transfer functions of the system without an inclined plate. Modulation transfer functions are calculated in the plane of indicators in the center of the field of view. The graphs show that the use of an inclined plate can significantly improve the sagittal component of the modulation transfer function. In this case, the Strehl number for a system with an inclined plate is 0.72, while for a system without a plate, it is only 0.21.

Если приведенный астигматизм окуляра Δt<0, система ввода информации в окуляр будет также содержать оптически связанные блок индикаторов 1, проекционную систему, включающую плоскопараллельную пластину 4, проекционный объектив 5 и систему сопряжения 6, состоящую из коллектива 7 и зеркала 8, и окуляр 9. При этом плоскопараллельная пластина 4 должна быть наклонена в меридиональном сечении проекционной системы. If the reduced astigmatism of the eyepiece is Δt <0, the information input system in the eyepiece will also contain optically coupled indicator block 1, a projection system including a plane-parallel plate 4, a projection lens 5, and an interface system 6 consisting of a team 7 and a mirror 8 and an eyepiece 9. In this case, the plane-parallel plate 4 should be inclined in the meridional section of the projection system.

Система ввода информации в окуляр работает следующим образом. Излучение от индикатора 2 отражается зеркалом 3, проходит через наклонную пластину 4 и фокусируется проекционным объективом 5 в плоскость предметов окуляра 9. При этом пластиной 4 вносится астигматизм, равный по абсолютной величине, но обратный по знаку астигматизму окуляра. Коллектив 7 направляет внеосевые пучки от блока индикаторов в выходной зрачок окуляра. Зеркало 8 направляет излучение в требуемую зону поля зрения окуляра. При прохождении световых пучков через окуляр астигматизм, введенный наклонной плоскопараллельной пластиной, компенсирует астигматизм окуляра, чем обеспечивается качество изображения. При использовании блока индикаторов, состоящего из двух индикаторов и зеркального клина, излучение от индикаторов 10 и 11 направляется зеркальным клином 12 в оптический тракт проекционной системы. The system for entering information into the eyepiece operates as follows. The radiation from the indicator 2 is reflected by the mirror 3, passes through the inclined plate 4 and is focused by the projection lens 5 into the plane of the objects of the eyepiece 9. At the same time, astigmatism is introduced by the plate 4, which is equal in magnitude but opposite in sign to the astigmatism of the eyepiece. Team 7 directs off-axis bundles from the indicator block to the exit pupil of the eyepiece. The mirror 8 directs the radiation into the desired area of the field of view of the eyepiece. When light beams pass through the eyepiece, the astigmatism introduced by the inclined plane-parallel plate compensates for the astigmatism of the eyepiece, which ensures image quality. When using the indicator block, consisting of two indicators and a mirror wedge, the radiation from the indicators 10 and 11 is directed by the mirror wedge 12 into the optical path of the projection system.

Источник информации
1. Leica geovid 7•42 BD. Проспект фирмы Leica.Sourse of information
1. Leica geovid 7 • 42 BD. Prospectus of the company Leica.

Claims

A system for inputting information into an eyepiece containing an optically coupled block of indicators, a projection system consisting of a projection lens and a pairing system, and an eyepiece, characterized in that a plane-parallel plate is added to the projection system located before or after the projection lens and mounted with an inclination to the optical axis of the projection system, and the following relationship takes place

0.5≤α ₁ ≤2,
where Δt is the eyepiece astigmatism reduced to the plane of objects that coincides with the indicator block;
α ₁ - correction factor;
d is the thickness of the plane-parallel plate;
n is the refractive index of the material of a plane-parallel plate;
ε is the angle of inclination of the plane-parallel plate to the optical axis of the projection system,
moreover, at Δt> 0, the plane-parallel plate is inclined in the sagittal section of the projection system, and at Δt <0, the plane-parallel plate is inclined in the meridional section of the projection system.