Зачем нужна крыша в призме

astro-talks

Особенности использования отражательных призм в астрономических приборах

Назначение призм

излома хода световых пучков
— например, для более удобного положения головы наблюдателя при наблюдениях вверх (узлы зенит-призм)
изменения ориентации изображения
— например, для полного оборачивания (спрямляющие призмы — erecting prism)
разделения светового пучка
— например, в бинокулярных приставках или устройства автогида
дисперсии света
— например, в спектральных приборах
той или иной фильтрации светового потока
— например, в узлах солнечных телескопов для ослабления светового потока или выделения узкого спектрального диапазона
уменьшения габаритов оптических приборов
— например, призменная система в биноклях, кроме полного оборачивания существенно сокращает длину бинокля
и, значительно реже, в некоторых других целях
— к примеру, в качестве фокусировочного элемента

В большинстве отражательных призм используется явление полного внутреннего отражения в стекле. При падении светового луча на грань призмы изнутри стекла под углом менее asin(1/n), где n — значение показателя преломления стекла, происходит отражение всей энергии падающего луча практически без потерь. В то время как при отражении от наружного зеркала (например алюминированного) всегда теряется больший или меньший процент световой энергии (до 20% от алюминиевого зеркала с обычно защитой). Это позволяет производить сложные манипуляции со световыми пучками включающие многократное отражение без неизбежных потерь световой энергии, как это было бы с использованием плоских алюминированных зеркал. Иногда лучи света падают на внутреннюю отражающую грань призмы под слишком уж большим углом — явление полного внутреннего отражения не происходит, тогда эту грань серебрят (наносят зеркальное покрытие). Такое внутреннее зеркальное покрытие (подобное тому, что выполняют в бытовых зеркалах) возможно защитить от действия воздуха лаком и потери света на них также много меньше, чем у обычных наружных зеркальных покрытий.

Кроме отражательных граней призма имеет входную и выходную грани, через которые свет входит в призму. Обычно эти грани перпендикулярны осевому пучку света. На этих гранях свет преломляется и частично претерпевает обычное Френелевское отражение. Для подавления паразитного этого отражения входная и выходная грани подлежат просветлению так же как и поверхности линз оптической системы.

Виды отражательных призм

В отечественной расчетной оптике призмы классифицируются по числу внутренних отражений (А — одно отражение, Б — два и т.д), углу излома оси светового пучка (в градусах) и какому-нибудь дополнительному конструктивному признаку (например, наличию грани с крышей — к, равнобедренная форма — Р и т.д.).

Призма .	Традиционное название .	Схема .	Параметры .	Пояснение
АР-90°	Прямоугольная		l=D	Используется для излома оптической оси на 90 градусов и вносит зеркальное оборачивание изображение в направлении перпендикуляра ребру между входной и выходной гранью. Входная и выходная грани перпендикулярны друг другу. Гипотенузная грань примыкает к входной и выходной под углом 45 градусов. Наиболее обычное использование этой призмы в любительской астрономии — зенит призма с зеркальным оборачиванием.
АкР-90°	Прямоугольная с крышей, Амичи		b=0.366D, l=1.732D	Используется для излома оптической оси на 90 градусов и полного оборачивание изображения. Подобна обычной прямоугольной призме, но гипотенузная (диагональная грань) заменена на две расположенных перпендикулярно друг к другу так что ребро между ними расположено под углом 45 градусов к входной и выходной граням. Лучи света преломляются на входной и выходной гранях и претерпевают два отражения от пары гипотенузных граней. В любительской астрономии используется в качестве зенит-призмы при получения прямого изображения в телескопах.
БР-180°	Прямоугольная		l=2D, d=1D	Форма подобна AP-90, только несколько меньше высота. Гипотенузная грань является входной и выходной, а на катетных гранях свет претерпевает дважды полное внутреннее отражение. Обычно пара этих призм используется в биноклях в составе системы Порро I рода. Возвращает ось оптического пучка назад со смещением на D и зеркальным оборачиванием.
БС-0°	Ромб-призма		l=2D, d=1D	Нерабочая грань призмы — паралеллограмм с острым углом 45 градусов и длинами сторон D и 1.41D. Призма как-бы составлена из двух АР-90 сложенных гипотенузными гранями. Эта призма используется для смещения оптической оси и в том числе подстройки расстояния между осями двух оптических каналов бинокулярных насадок без изменения ориентации изображения.
БУ-45°	Полу-пентапризма		l=1.707D	Входная грань — квадратная, затем следует грань полного внутреннего отражения — гипотенузная (45 градусов к входной), она-же выходная, вторая отражающая грань расположена под углом 22.5 градуса к выходной грани. Вторая грань работает только при ее серебении — угол падения слишком крутой для работы на полном внутреннем отражении. Ломает оптическую светового пучка ось на 45 градусов без оборачивания. Входит в состав более сложных систем призм.
БП-90°	Пентапризма		l=3.414D	Нерабочая грань имеет фигуру пятиугольника с прямым углом между входной и выходной гранями и 45 градусами между парой отражающих граней. Обе отражающие грани требуют «серебрения». Призма ломает оптическую ось на 90 градусов без изменения ориентации изображения.
БкР-180°	Уголковый отражатель		l=2.957D, d=1.225D	Это еще одна прямоугольная призма у которой гипотенуза играет роль входной и выходной грани (подобно БР-180), а один из катетов выполнен в виде крыши — пары граней под углом 90 градусов друг к другу. Отражает падающий луч строго на 180 градусов назад с полным оборачиванием изображения.
БкУ-45°	Полу-пентапризма с крышей		l=2.111D, a=1.237D	Подобна БУ-45°, только вместо зеркальной грани — «крыша» (пара граней под углом 90 градусов друг к другу). Ломает ось на 45 градусов. Меняет ориентацию пучка на зеркальную. Обычно используется в сочетании с другими призмами.
БкП-90°	Пентапризма с крышей		l=4.233D, a=1.237D	По геометрии подобна обычной пентапризме, но вместо одной из зеркальных граней она имеет «крышу» (пара граней под углом 90 градусов друг к другу, которые уже не нуждаются в серебрении). Ломает ось на 90 градусов. Вносит зеркальное оборачивание. Требует «серебрения» только одной плоской отражающей грани. Используется в зеркальных фотоаппаратах, давая совместно с диагональным зеркалом прямое изображение.
ВР-45°	Шмидта		l=2.414D, a=1.414D	Имеет очень простую геометрию: основание призмы — равнобедренный треугольник с углом при вершине 45 градусов. И входная, и выходная грани является также и отражающими. Ломает ось хода оптического пучка на 45 градусов. Из-за нечетного числа отражений вносит зеркальное оборачивание. Требует «серебрения» грани примыкающей к основанию равнобедренного треугольника.
ВкР-45°	Шмидта с крышей		l=3.04D, a=1.781D	Подобен по геометрии на обычную призму Шмидта, но вместо зеркальной грани основании — «крыша» (пара граней под углом 90 градусов друг к другу, которые уже не нуждаются в серебрении). Ломает оптическую ось на 45 градусов с полным оборачиванием. Используется в подзорных трубах и телескопах для адаптации их к наземным наблюдениям.
Ак-0°	Система Аббе с крышей		l=5.196D	Состоит из полупентапризмы с крышей и 60-градусной равносторонней призмы АР-60. Хотя возможны и варианты — «крыша» может быть размещена и на АР-60 в сочетании с «простой» полупентапризмой. Производит полное оборачивание изображения без смещения оптической оси. Используется в биноклях для получения прямого изображения, по сравнению с системой Пехана имеет преимущество — не требует зеркального покрытия, но в меньшей степени сокращает продольный габарит труб.
Пк-0°	Система Пехана с крышей		l=4.75D	Производит полное оборачивание изображения без смещения оптической оси. Требует серебрения плоской грани. Используется в биноклях для получения прямого изображения.
Система Порро I рода		l=4D, d=1.41D	Состоит из пары прямоугольных призм БР-180°. Производит полное оборачивание изображения со смещением оптической оси. Используется в биноклях для получения прямого изображения и расширения наблюдательной базы.

Обозначения:
D — максимальный диаметр светового пучка, который пропускает призма (а таже, обычно высота призмы — ширина по нерабочим граням)
l — полная длина хода осевого луча в призме — толщина эквивалентной плоскопараллельной стеклянной пластины — развертки призмы
d — смещение оси светового пучка
b — дополнительный размер

Расчетные параметры призм

Главный параметр отражающей призмы это ее оптическая длина L или толщина равной по действию плоскопараллельной стеклянной пластинки вдоль оптической оси.
С точки зрения расчета аберраций и положения изображения призма «разворачивается» в стеклянную пластину. См. рисунок-схему ниже: по ходу света последовательной в каждой отражающей грани отражаем остающуюся часть призмы и изображение до выхода света из выходной грани. Получается стеклянная пластина длиной L, действие которой в плане аберрационной коррекции, хода световых лучей на выходе, положения и ориентации изображения относительно выходной грани, в точности равно действию призмы. При этом входная и выходная грань призмы обычно перпендикулярны оптической оси на входе и выходе света.
Длина хода осевого луча в призме равна L, оптическая длина хода L*n (где n — показатель преломления стекла призмы), толщина эквивалентной (редуцированной) воздушной пластины (которая заменяет стеклянную с сохранением расстояний от вых. грани до изображения) составит L/n. Таким образом замена стеклянной пластины — развертки призмы — на редуцированную воздушную пластину приводит к смещению положения изображения на L*(1-1/n) — ближе к объективу (что, например, произойдет при замене призмы системой зеркал).
[align=center][/align]
Поперечной характеристикой призмы является ее апертура D — световой диаметр ее входной и выходной грани (диаметр трубки световых лучей, который может пропустить призма).
И, наконец, важной габаритной характеристикой является расстояние от плоскости изображения (может быть промежуточного) до ближайшей грани призмы S’. Чем меньше эта величина, тем заметнее будут на изображении пыль, царапины и прочие дефекты на поверхности призмы.

Для исключения зеркального оборачивания при полном внутреннем отражении в некоторых призмах плоская грань заменяется на пару граней под углом 90 градусов друг к другу. За характерную форму этой пары граней ее называют «крышей», а призмы в которых она используется — призмами с крышей. Крыша позволяет добиваться явления полного внутреннего отражения с использованием стекла с меньшим показателем преломления. Для исключения двоения (крышеобразной формы волнового фронта после отражения от «крыши») угол между гранями «крыши» должен быть равен 90 градусам с очень большой точностью (примерно 30″/D, где D — диаметр светового пучка при отражении).

Какова цена использования призм?

Ограничения связанные с полным внутренним отражением

asin(1/n)

Значение термина призмы с крышей (призмы аббе-кёнига) в словаре Четыре глаза

Призмы с крышей (призмы Аббе-Кёнига) — Применяются в биноклях, объективы и окуляры которых находятся на одной прямой. Бинокли на призмах с крышей обычно более компактны. Качество изображения биноклей на призмах с крышей не самое лучшее из-за конструкции призм, хотя самые дорогие модели на призмах с крышей дают качество, не уступающее биноклям на призмах Порро. Прямые трубы биноклей на призмах с крышей позволяют сделать бинокль очень компактным, что особенно ценно для спортсменов. У таких биноклей половинки обычно соединяются в двух точках, поэтому их немного сложнее регулировать под межзрачковое расстояние. Как правило, хорошие бинокли на призмах с крышей имеют немалую стоимость, поэтому не рекомендуется особенно экономить при покупке такого бинокля, иначе можно получить малоудовлетворительное качество.

© 2023 Discovery, а также соответствующие логотипы и торговые марки являются товарными знаками компании Discovery, а также ее дочерних предприятий и филиалов. Используется по лицензии. Все права защищены. Discovery.com.

Данный веб-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ.

Призмы с крышей. (Цуканова стр 31.)

Д ля оборачивания изображения в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа, на одну из отражательных граней призмы наносят крышу: одну из отражающих граней заменяют двумя перпендикулярными друг другу плоскостями, ребро которых лежит в главном сечении призмы (рис. 2.29).

Лучи, идущие от горизонтальной (красной) стрелки, расположенной перпендикулярно ребру крыши, попадают, соответственно, на левую и правую отражающие поверхности крыши, затем пучки перекидываются на противоположные стороны крыши и направляются на выходную грань призмы. Происходит оборачивание стрелки справа налево.

Лучи, идущие от параллельной оси стрелки (синей), проходят через призму с крышей так же, как и через призму без крыши. y

Крышу наносят на отражающую грань, но эта грань не должна быть одновременно входной или выходной. Если одна из отражающих граней призмы требует нанесения отражающего покрытия, то крышу выгоднее наносить на эту грань, т.к. крыша не требует нанесения зеркального покрытия.

Отражательные призмы.(72)

Призмой называется оптическая деталь, ограниченная преломляющими (не менее двух) и отражающими плоскостями, расположенными под углом друг к другу. По своему действию призмы бывают преломляющими и отражательными. В отражательных призмах углы падения луча на входной грани и преломления того же луча на выходной грани равны

Отражательные призмы в оптических приборах применяются для следующих целей: 1) изменения направления линии визирования (качающиеся призмы, расположенные перед объективом); 2) изменения направления оптической оси («ломаные» трубы); 3) оборачивания изображения (призменные оборачивающие системы); 4) разделения поля.

Действие отражательных призм аналогично действию плоских зеркал, однако призмы имеют ряд преимуществ, поскольку они конструктивно устойчивее зеркал, не вносят двоения изображения, а на призменных отражающих гранях при использовании полного внутреннего отражения нет необходимости наносить зеркальные покрытия. Кроме того, некоторые призмы могут работать в условиях, неприемлемых для зеркал, когда луч направлен параллельно отражающей поверхности. При полном внутреннем отражении в призмах отсутствуют потери света.

Отражательные призмы бывают одинарные (изготовленные из одного куска стекла) и составные. Каждая призма условно обозначается двумя буквами и числом через знак тире. Первая буква указывает на число отражений в призме, вторая — на ее конструкцию. Число показывает угол отклонения осевого луча призмой.. При отклонении осевого луча внутри призмы в двух плоскостях цифры условного обозначения указывают на эти отклонения. Приняты следующие обозначения: первая буква А — одно отражение, Б — два отражения, В — три отражения.

Вторая буква характеризует конструкцию призмы: Р — равнобедренная, П — пента, У — полупента, С — ромбическая, Л — Лемана, М — призма дальномерного типа. Таким образом, имеем: АР — 90° — прямоугольная призма, БП—90° — пентапризма.

Каждую составную призму обозначают начальной буквой ее названия и числом градусов, на которое отклоняется осевой луч: д_0° — призма Аббе, П—0° — призма Пехана, К—0° — куб-призма.

Призма должна иметь минимальные габариты и массу, поэтому ее следует устанавливать вблизи наименьшего сечения световой трубки.

Необходимо использовать явление полного внутреннего отраже ния, при котором отсутствуют световые потери, т. е. выполнять условие, когда , где . Если призма находится в воздухе, то .

При габаритных расчетах отражательных призм, связанных с определением их размеров, зависящих от диаметров пучков лучей, проходящих через призмы, удобно выпрямить ход лучей. Этот прием называется разверткой призмы и выполняется следующим образом. Последовательно, по ходу осевого луча, в каждой отражающей поверхности строится изображение призмы и отра женного луча (рис. 143). Таким образом, отражательная призма разворачивается в эквивалентную плоскопараллельную пластинку, толщина которой равна длине хода луча в призме, а входная и выходная грани — перпендикулярны к осевому лучу. В некоторых случаях устанавливается оптический клин, дополняющий развертку до плоскопараллельной пластинки (в башмачной приме). Затем для упрощения расчетов эквивалентную плоскопараллельную пластинку редуцируют, т. е. приводят к воздуху, . Определив световые диаметры на входной и выходной гранях редуцированной пластинки, решают обратную задачу — переходят к эквивалентной пластинке, а от нее — к призме.

Отражательную призму характеризует коэффициент призмы с, представляющий собой отношение длины d хода лучей в призме к световому диаметру D входной грани: с = dID.