Призма для вращения изображения

 

Использование: для вращения изображения в каналах оптических приборов при работе в параллельных пучках лучей. Сущность изобретения: призма для вращения изображения выполнена из двух одинаковых компонентов, главное сечение каждого из которых представляет собой параллелограмм. Компоненты имеют по одной отражающей и две преломляющие грани, оптически соединены между собой противолежащими отражающими гранями, в плоскости, совпадающей с оптической осью и расположены симметрично относительно этой оси, причем угол В между преломляющей и отражающей гранями определяется из уравнения 2В + arcsin(1/n cosB)=90^o, где n - показатель преломления материала призмы. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к оптическим устройствам для вращения изображения в каналах оптических приборов, отличающихся высокими требованиями по светосиле и массе при работе в параллельных пучках лучей.

Известна призма Дове для вращения изображения (см. Ю.Г.Кожевников Оптические призмы. М. Машиностроение, 1984, с. 9 [1] состоящее из одного компонента, имеющего одну отражающую и две преломляющие грани, главное сечение которого представляет собой равнобочную трапецию, а угол между преломляющей и отражающей гранями составляет 45^o.

В этой призме цилиндрический поток параллельных лучей попадает на первую преломляющую грань, отклоняется ею в направлении отражающей грани, претерпевает полное внутреннее отражение и выходит через вторую преломляющую грань в первоначальном направлении.

Несмотря на простоту построения, призма характеризуется большой геометрической длиной хода лучей для единичного диаметра светового потока, вызывающей большие потери потока излучения, и большой массой. Оба параметра особенно важны при конструировании малогабаритных приборов ИК- диапазона.

Более компактной конструкцией обладает призма Пехана (см. там же, с.12). Однако для этой призмы геометрическая длина хода лучей более чем в два раза превосходит длину хода лучей в призме Дове, а число оптических поверхностей, вызывающих потери мощности потока излучения, увеличивается в 3 раза.

Вследствие больших оптических потерь, габаритов и массы призмы Дове и Пехана невыгодны для применения в малогабаритных светосильных системах ИК-диапазона спектра.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является призма-куб для вращения изображения (см. так же, с. 26 [3] выбранная в качестве прототипа. Призма-куб выполнена из двух одинаковых компонентов, расположенных симметрично относительно оптической оси, каждый из которых имеет параллельную ей отражающую грань и две преломляющие грани. Компоненты совмещены между собой отражающими гранями. Главное сечение каждого компонента представляет собой равнобедренную трапецию, а угол между преломляющей и отражающей гранями составляет 45^o.

Призма-куб разделяет входящий цилиндрический поток параллельных лучей на два полуцилиндрических потока, каждый из которых, преломившись на входной грани, претерпевает однократное полное внутреннее отражение, инвертируется и, преломившись на выходной грани, выходит в первоначальном направлении, смыкаясь со смежным потоком по внешней полуцилиндрической образующей. Призма-куб обеспечивает наиболее короткую геометрическую длину хода лучей в материале, и соответственно наименьшую массу.

Существенным недостатком этой призмы является ее свойство разделять цилиндрический поток лучей и оборачивать образовавшиеся полуцилиндрические потоки с потерей их кругового сечения на выходе. При сопряжении такого трансформированного потока с круглым входным зрачком последующих оптических элементов теряется за счет виньетирования около 46% его первоначальной мощности. Таким образом, призма-куб также имеет низкое итоговое пропускание излучения на единицу массы.

Задачей изобретения является увеличение пропускания излучения на единицу массы призмы.

Указанная задача решается за счет того, что в призме для вращения изображения, выполненной из двух одинаковых компонентов расположенных симметрично относительно оптической оси, каждый из которых имеет параллельную ей отражающую грань и две преломляющие грани, главное сечение компонента представляет собой параллелограмм, компоненты соединены между собой гранями, противолежащими отражающими, а угол между преломляющей и отражающей гранями определяется из уравнения: где n-показатель преломления материала призмы.

На фиг. 1 представлена конструкция призмы для вращения изображения и ход лучей в ней.

Призма для вращения изображения выполнена из двух одинаковых компонентов 1 и 1', главное сечение каждого из которых представляет собой параллелограмм. Компоненты 1 и 1' имеют по одной отражающей 2 и 2' и по две преломляющие 3, 3' и 4, 4' грани, оптически соединены между собой гранями 5, 5' в плоскости, совпадающие с оптической ось 00', и расположены симметрично относительно этой оси. Угол В между преломляющей гранью 3(3') и отражающей гранью 2(2') определяется из выражения: Соединение компонентов 1 и 1' между собой может быть осуществлено либо склейкой (оптический клей выбирается в зависимости от материала призмы), либо по технологии глубокого оптического контакта.

Минимальная длина оптического пути луча, входящего в призму параллельно оптической оси, будет соответствовать условию, когда он после отражения от грани 2(2') пойдет параллельно плоскости входной грани 3(3'), что эквивалентно условиям взаимной параллельности противоположных сторон в четырехугольнике ABCD и равенству углов при основаниях треугольников ABC и ACD, параллельных оптической оси.

Сумма внутренних углов в равнобедренном треугольнике ABC определится равенством 2В+А=180^o Используя связь между углами A и B в треугольнике ABC с углами падения i и преломления r луча, параллельного оптической оси OO', на преломляющую поверхность 3 призмы, получаем: где n показатель преломления материала призмы, можно выразить угол A через угол B
Подстановка (2) и (1) приводит к искомому выражению:

где n показатель преломления материала призмы.

Уравнение может быть решено относительно параметра B методом последовательных приближений или графоаналитическим методом. Так для материала ПО-4 (n≈2,4) угол B составит величину B≈39^o. Точность определения угла B может быть ограничена величиной порядка 1 угл.мин. вследствие того, что призма работает в параллельных пучках лучей.

Устройство работает следующим образом.

Цилиндрический параллельный поток лучей входит в устройство и, преломившись на гранях 3, 3' разделяется на два симметричных полуцилиндрических потока. Преломившись полуцилиндрические потоки претерпевают однократное полное внутреннее отражение с инвертированием на гранях 2, 2', переходят через плоскость соединения 5, 5' в сопряженные компоненты и замещают друг друга. После повторного преломления на гранях 4, 4' полуцилиндрические потоки выходят из устройства.

Вследствие однократного полного внутреннего отражения, инвертирования и взаимного замещения, полуцилиндрические потоки, складываясь на выходе устройства, сохраняют цилиндрическое сечение выходного пучка с вращением изображения.

Геометрическая длина хода луча в устройстве для потока диаметром d оценится по формуле

где r угол преломления луча, определяемый по формуле

Площадь главного сечения устройства оценится по формуле

а масса призмы оценится по формуле
M = ρ·d·S = ρd³[tg i+ctg (i-r)],
где ρ-плотность вещества призмы.

Для материала ПО 4 (n 2,4) длина хода лучей в призме составит
l≃ 1,8 d
Пропускание потока излучения (без учета отражения на входной и выходной гранях) для d=3 см и удельного показателя поглощения κ = 0,01 см^-1 составит

Масса призма для плотности материала ПО-4 ρ=5,27 г/см³ составит 178 г.

Величина отношения пропускания призмы к ее массе, как критерий сравнения, для предлагаемого устройства оценится величиной

Сравнительные технические характеристики предлагаемой и рассмотренных призм для материала ПО-4 и диаметра светового потока d=3 см приведены в таблице.

Таким образом, призма предлагаемой конструкции обеспечивает достижение максимального пропускания излучения на единицу массы среди известных призм для вращения изображения в параллельных пучках лучей за счет сохранения цилиндрического сечения потока лучей при относительно коротком геометрическом ходе лучей.

Формула изобретения

Призма для вращения изображения, выполненная из двух одинаковых компонентов, расположенных симметрично относительно оптической оси, каждый из которых имеет параллельную ей отражающую грань и две преломляющие грани, отличающаяся тем, что главное сечение компонента представляет собой параллелограмм, компоненты соединены между собой гранями, противолежащими отражающим, а угол В между преломляющей и отражающей гранями определяется из уравнения

где n показатель преломления материала призмы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2