eng
Выпуск #4/2023
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
Оборачивающая система прицела с переменным увеличением
Оборачивающая система прицела с переменным увеличением
Просмотры: 1036
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.4.318.324
В статье дано описание конструкции панкратической оборачивающей системы, которая позволяет расширить диапазон увеличений в оптическом прицеле до 5–8 крат и добиться качественного изображения сетки при работе с подсветкой.
В статье дано описание конструкции панкратической оборачивающей системы, которая позволяет расширить диапазон увеличений в оптическом прицеле до 5–8 крат и добиться качественного изображения сетки при работе с подсветкой.
Теги: pancratic erecting system reticle illumination variable magnification sight панкратическая оборачивающая система подсветка сетки прицел с переменным увеличением
Оборачивающая система прицела с переменным увеличением
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
В статье дано описание конструкции панкратической оборачивающей системы, которая позволяет расширить диапазон увеличений в оптическом прицеле до 5–8 крат и добиться качественного изображения сетки при работе с подсветкой.
Ключевые cлова: панкратическая оборачивающая система, прицел с переменным увеличением, подсветка сетки
Статья получена 03.04.2023
Статья принята: 24.04.2023
Введение
В последние годы производители наблюдательных приборов активно стремятся расширить линейку прицелов, пополняя ее новыми моделями с большим диапазоном переменного увеличения.
До недавнего времени диапазон увеличений 3–4 крата считался стандартным на потребительском рынке. Сегодня большинство мировых производителей освоили модели прицелов с диапазоном увеличений 5–8 крат.
Безусловными лидерами являются оптические прицелы: Штайнер M5Xi 5–25×56; Шмидт Бендер 5–25×56; Сваровски Z8i 2,3–18×56; Цайс 2,8–20×56 V8.
КОНСТРУКЦИЯ
Оптическая система линзового прицела с переменным увеличением в классическом виде содержит объектив, сетку, двухлинзовую панкратическую оборачивающую систему и окуляр. Диапазон увеличений в прицелах, построенных по такой схеме [1–2], ограничен 3–4 кратами, и для расширения диапазона необходимо найти принципиально новое решение.
Одним из решений может быть установка перед первым подвижным компонентом в оборачивающей системе неподвижной коллективной линзы [3]. Линза рассчитывается таким образом, чтобы крайние пучки лучей гарантировано попадали в оптическую систему во всем диапазоне движения компонентов оборачивающей системы. При установке коллективной линзы в фокусе объектива можно получить минимальные поперечные размеры оборачивающей системы и максимально широкое угловое поле зрения прицела.
Взаимное положение и диаметры линз оборачивающей системы должны обеспечивать прохождение пучков света с оптимальным виньетированием для получения расчетного поля зрения и удаления выходного зрачка прицела во всем диапазоне увеличений. При этом угол поворотного механизма при смене увеличения должен быть минимальным (в пределе 180°).
Геометрия и длина направляющих пазов, по которым происходит движение линз, зависят от оптического расчета. Чем меньше длина перемещения, тем легче технологически добиться точности перемещения и минимальной расфокусировки изображения в оборачивающей системе.
Виньетирование
Для того чтобы сохранить приемлемое качество изображения во всем диапазоне увеличений, намеренно прибегают к виньетированию выходного зрачка, например уменьшая световой диаметр первой подвижной линзы оборачивающей системы. Этот прием позволяет заметно уменьшить сферическую аберрацию лучей, в особенности на малых увеличениях. В то же время световой диаметр линзы делают таким, чтобы при смене увеличений не происходило срезания поля зрения.
Сетка
Сетка прицела включает дальномерную шкалу и прицельные элементы, которые позволяют оперативно оценить дистанцию до цели и ввести необходимые поправки во время стрельбы в зависимости от направления ветра, типа цели и ее перемещения. Прицельная сетка может быть установлена в заднем фокусе объектива (1‑я фокальная плоскость) или в переднем фокусе окуляра (2‑я фокальная плоскость).
Подсветка
Большинство современных прицелов оснащены светодиодной подсветкой сетки. Если сетка расположена в 1‑й фокальной плоскости, а подсветка сетки осуществляется через ее боковую грань, то диаграмма направленности светодиода должна быть согласована с числовой апертурой оборачивающей системы прицела. В прицелах с диапазоном увеличений больше 5 крат числовая апертура оборачивающей системы должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить требуемую светосилу (диаметр выходного зрачка) и поле зрения.
В табл. 1 приведены параметры оборачивающей системы с 5‑кратным диапазоном увеличений для крайних значений.
Увеличение числовой апертуры в оборачивающей системе приводит к росту аберраций, что проявляется, например, при включении подсветки (двоение изображения сетки) на максимальном увеличении. Ограничение апертуры путем установки реальной диафрагмы вблизи первой линзы оборачивающей системы может привести к появлению паразитного выходного зрачка в плоскости, не совпадающей с основным выходным зрачком (изображением входного зрачка объектива). Все эти факторы необходимо учитывать при оптическом расчете.
Пятикратный перепад увеличений
На рис. 1 показаны два варианта оборачивающей системы с 5‑кратным перепадом увеличений при максимальном линейном увеличении β = –5x и числовой апертуре Na = 0,25.
На рис.1a показан вид оригинальной 3-компонентной оборачивающей системы, на рис.1b – оптимизированной оборачивающей системы. Сетка 1 установлена в 1‑й фокальной плоскости, первая линза – неподвижный коллектив 2, а два компонента (3–4) перемещаются. Варианты имеют одинаковый ход компонентов (закон изменения воздушных промежутков), длину и фокусные расстояния, но разную конфигурацию. В табл. 2 приводится результат расчета аберраций по 8 поверхностям линз (сумм Зейделя) для обоих вариантов оборачивающей системы. Расчет показывает, что значение первой суммы Зейделя, определяющей сферическую аберрацию, в оригинальном варианте, когда линзы обращены кронами друг к другу, значительно выше, чем в оптимизированном варианте.
Для оценки качества изображения в обоих вариантах оборачивающих систем используем точечную (спот) диаграмму. На диаграмме показано изображение для трех точек поля (0°, 2° и 3°). При сравнении диаграмм можно видеть, что размер точки в оптимизированном варианте как минимум в два раза меньше, чем в оригинальном.
Ахроматизация
Ахроматизация является эффективным способом коррекции аберраций в любой оптической системе. Если ахроматизировать оборачивающую систему, подобрав комбинацию стекол в одной из склеек, то можно значительно улучшить качество изображения.
На рис. 3 представлены график смещения хроматического фокуса в пределах рабочего спектра (486–656 нм). Таким образом, в ахроматизированной системе размер точки будет примерно в 3 раза меньше, чем в оригинальном варианте.
Эксперимент
Испытания опытного образца прицела подтвердили результат моделирования оборачивающей системы. На рис. 4 показано изображение сетки, полученное на установке при контроле опытного образца оригинальной (слева) и оптимизированной (справа) оборачивающих систем.
Линия визирования
Смещение линии визирования при смене увеличений является важным параметром оптического прицела. В высококачественных прицелах эта величина не превышает 0,7–1 см на 100 м. На величину смещения оказывают влияние фокусное расстояние объектива, фокусные расстояния компонентов панкратической системы, линейное увеличение. Все перечисленные параметры определяют требования к центрировке и наклону отдельных линз оборачивающей системы.
В табл. 3 представлена величина и направление смещения линии визирования в фокальной плоскости объектива в зависимости от децентрировки и наклона линз 3-х компонентной оборачивающей системы с 5‑кратным перепадом увеличений.
Приведенные в таблице значения показывают, что наибольший вклад в величину смещения вносят децентрировка и наклон коллектива (увеличение 5–25x), децентрировка и наклон 1 линзы (увеличение 25x), децентрировка и наклон 2 линзы (увеличение 5x).
Чтобы обеспечить смещение линии визирования не более 1 см на 100 м во всем диапазоне увеличений, суммарная величина ΣΔ должна быть:
ΣΔ = 0,0001 · f'об.
При фокусе объектива 250 мм ΣΔ не должна превышать 0,025 мм.
Восьмикратный перепад увеличений
Оборачивающая система с 8‑кратным перепадом увеличений, в конструкцию которой добавлена неподвижная плоско-вогнутая линза 5 со стороны окуляра, а задний фокус 1 объектива совпадает с плоскостью коллективной линзы 2, показана на рис. 5.
Заключение
Предложенная конструкция оборачивающей системы расширяет диапазон увеличений панкратических прицелов и обеспечивает качественное изображение сетки с подсветкой.
REFERENCES
US8958149. Target-field telescope with correcting lens / Helke Karen Hesse. – Pub.Date: Feb.10, 2012.
US8699149. Reversing system for a sighting telescope / Hasselbach Dieter et al. – Pub.Date: Apr,15.2014.
EA040505. Optical sight with variable magnification / Shyshkin I. P., Shkadarevich A. P./ Pub.Date: Jun.14, 2022.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т. н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. ф.‑м. н., НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь
В статье дано описание конструкции панкратической оборачивающей системы, которая позволяет расширить диапазон увеличений в оптическом прицеле до 5–8 крат и добиться качественного изображения сетки при работе с подсветкой.
Ключевые cлова: панкратическая оборачивающая система, прицел с переменным увеличением, подсветка сетки
Статья получена 03.04.2023
Статья принята: 24.04.2023
Введение
В последние годы производители наблюдательных приборов активно стремятся расширить линейку прицелов, пополняя ее новыми моделями с большим диапазоном переменного увеличения.
До недавнего времени диапазон увеличений 3–4 крата считался стандартным на потребительском рынке. Сегодня большинство мировых производителей освоили модели прицелов с диапазоном увеличений 5–8 крат.
Безусловными лидерами являются оптические прицелы: Штайнер M5Xi 5–25×56; Шмидт Бендер 5–25×56; Сваровски Z8i 2,3–18×56; Цайс 2,8–20×56 V8.
КОНСТРУКЦИЯ
Оптическая система линзового прицела с переменным увеличением в классическом виде содержит объектив, сетку, двухлинзовую панкратическую оборачивающую систему и окуляр. Диапазон увеличений в прицелах, построенных по такой схеме [1–2], ограничен 3–4 кратами, и для расширения диапазона необходимо найти принципиально новое решение.
Одним из решений может быть установка перед первым подвижным компонентом в оборачивающей системе неподвижной коллективной линзы [3]. Линза рассчитывается таким образом, чтобы крайние пучки лучей гарантировано попадали в оптическую систему во всем диапазоне движения компонентов оборачивающей системы. При установке коллективной линзы в фокусе объектива можно получить минимальные поперечные размеры оборачивающей системы и максимально широкое угловое поле зрения прицела.
Взаимное положение и диаметры линз оборачивающей системы должны обеспечивать прохождение пучков света с оптимальным виньетированием для получения расчетного поля зрения и удаления выходного зрачка прицела во всем диапазоне увеличений. При этом угол поворотного механизма при смене увеличения должен быть минимальным (в пределе 180°).
Геометрия и длина направляющих пазов, по которым происходит движение линз, зависят от оптического расчета. Чем меньше длина перемещения, тем легче технологически добиться точности перемещения и минимальной расфокусировки изображения в оборачивающей системе.
Виньетирование
Для того чтобы сохранить приемлемое качество изображения во всем диапазоне увеличений, намеренно прибегают к виньетированию выходного зрачка, например уменьшая световой диаметр первой подвижной линзы оборачивающей системы. Этот прием позволяет заметно уменьшить сферическую аберрацию лучей, в особенности на малых увеличениях. В то же время световой диаметр линзы делают таким, чтобы при смене увеличений не происходило срезания поля зрения.
Сетка
Сетка прицела включает дальномерную шкалу и прицельные элементы, которые позволяют оперативно оценить дистанцию до цели и ввести необходимые поправки во время стрельбы в зависимости от направления ветра, типа цели и ее перемещения. Прицельная сетка может быть установлена в заднем фокусе объектива (1‑я фокальная плоскость) или в переднем фокусе окуляра (2‑я фокальная плоскость).
Подсветка
Большинство современных прицелов оснащены светодиодной подсветкой сетки. Если сетка расположена в 1‑й фокальной плоскости, а подсветка сетки осуществляется через ее боковую грань, то диаграмма направленности светодиода должна быть согласована с числовой апертурой оборачивающей системы прицела. В прицелах с диапазоном увеличений больше 5 крат числовая апертура оборачивающей системы должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить требуемую светосилу (диаметр выходного зрачка) и поле зрения.
В табл. 1 приведены параметры оборачивающей системы с 5‑кратным диапазоном увеличений для крайних значений.
Увеличение числовой апертуры в оборачивающей системе приводит к росту аберраций, что проявляется, например, при включении подсветки (двоение изображения сетки) на максимальном увеличении. Ограничение апертуры путем установки реальной диафрагмы вблизи первой линзы оборачивающей системы может привести к появлению паразитного выходного зрачка в плоскости, не совпадающей с основным выходным зрачком (изображением входного зрачка объектива). Все эти факторы необходимо учитывать при оптическом расчете.
Пятикратный перепад увеличений
На рис. 1 показаны два варианта оборачивающей системы с 5‑кратным перепадом увеличений при максимальном линейном увеличении β = –5x и числовой апертуре Na = 0,25.
На рис.1a показан вид оригинальной 3-компонентной оборачивающей системы, на рис.1b – оптимизированной оборачивающей системы. Сетка 1 установлена в 1‑й фокальной плоскости, первая линза – неподвижный коллектив 2, а два компонента (3–4) перемещаются. Варианты имеют одинаковый ход компонентов (закон изменения воздушных промежутков), длину и фокусные расстояния, но разную конфигурацию. В табл. 2 приводится результат расчета аберраций по 8 поверхностям линз (сумм Зейделя) для обоих вариантов оборачивающей системы. Расчет показывает, что значение первой суммы Зейделя, определяющей сферическую аберрацию, в оригинальном варианте, когда линзы обращены кронами друг к другу, значительно выше, чем в оптимизированном варианте.
Для оценки качества изображения в обоих вариантах оборачивающих систем используем точечную (спот) диаграмму. На диаграмме показано изображение для трех точек поля (0°, 2° и 3°). При сравнении диаграмм можно видеть, что размер точки в оптимизированном варианте как минимум в два раза меньше, чем в оригинальном.
Ахроматизация
Ахроматизация является эффективным способом коррекции аберраций в любой оптической системе. Если ахроматизировать оборачивающую систему, подобрав комбинацию стекол в одной из склеек, то можно значительно улучшить качество изображения.
На рис. 3 представлены график смещения хроматического фокуса в пределах рабочего спектра (486–656 нм). Таким образом, в ахроматизированной системе размер точки будет примерно в 3 раза меньше, чем в оригинальном варианте.
Эксперимент
Испытания опытного образца прицела подтвердили результат моделирования оборачивающей системы. На рис. 4 показано изображение сетки, полученное на установке при контроле опытного образца оригинальной (слева) и оптимизированной (справа) оборачивающих систем.
Линия визирования
Смещение линии визирования при смене увеличений является важным параметром оптического прицела. В высококачественных прицелах эта величина не превышает 0,7–1 см на 100 м. На величину смещения оказывают влияние фокусное расстояние объектива, фокусные расстояния компонентов панкратической системы, линейное увеличение. Все перечисленные параметры определяют требования к центрировке и наклону отдельных линз оборачивающей системы.
В табл. 3 представлена величина и направление смещения линии визирования в фокальной плоскости объектива в зависимости от децентрировки и наклона линз 3-х компонентной оборачивающей системы с 5‑кратным перепадом увеличений.
Приведенные в таблице значения показывают, что наибольший вклад в величину смещения вносят децентрировка и наклон коллектива (увеличение 5–25x), децентрировка и наклон 1 линзы (увеличение 25x), децентрировка и наклон 2 линзы (увеличение 5x).
Чтобы обеспечить смещение линии визирования не более 1 см на 100 м во всем диапазоне увеличений, суммарная величина ΣΔ должна быть:
ΣΔ = 0,0001 · f'об.
При фокусе объектива 250 мм ΣΔ не должна превышать 0,025 мм.
Восьмикратный перепад увеличений
Оборачивающая система с 8‑кратным перепадом увеличений, в конструкцию которой добавлена неподвижная плоско-вогнутая линза 5 со стороны окуляра, а задний фокус 1 объектива совпадает с плоскостью коллективной линзы 2, показана на рис. 5.
Заключение
Предложенная конструкция оборачивающей системы расширяет диапазон увеличений панкратических прицелов и обеспечивает качественное изображение сетки с подсветкой.
REFERENCES
US8958149. Target-field telescope with correcting lens / Helke Karen Hesse. – Pub.Date: Feb.10, 2012.
US8699149. Reversing system for a sighting telescope / Hasselbach Dieter et al. – Pub.Date: Apr,15.2014.
EA040505. Optical sight with variable magnification / Shyshkin I. P., Shkadarevich A. P./ Pub.Date: Jun.14, 2022.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т. н, shipoflens@mail.ru, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. ф.‑м. н., НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
