ПРИЗМА ДЛЯ ВРАЩЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02B5/04 

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.

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.

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.