Призменная система прямого зрения Советский патент 1984 года по МПК G02B5/04 

1 Изобретение относится к оптическому приборостроению. В современных оптических приборах в связи с возросшей автоматизацией измерения и контроля широко используются призмы прямого зрения для ска нирования изображения, компенсации, а также придания прибору компактного и удобного вида. Известна призма прямого зрения, состоящая из трех склеенных призм, две из которых выполнены прямоугольными с одним из углов ,в . Однако данная призма имеет большие продольные размеры и сложна по конструкции. Наиболее близкой по технической сущности является призменная система прямого зрения состоящая из двух ус ченных призм, разделенных воздушным промежутком 2J. Однако известная призма обладает сложной конструкцией, так как состоит из двух разных и сложных призм, а также незначительно сокращает провольную ось оптического прибора. Кроме того, призмы с нечетным числом отражающих поверхностей, используемые в качестве компенсаторов или сканаторов, создают наклон изоб- 30

ражения в плоскости анализа, что приводит к снижению его качества. Цель изобретения - сокращение габаритов оптических приборов в продольном направлении оптической оси при синхронном сканировании в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Поставленная цель достигается тем,40 что в призменнои системе прямого зре ния, состоящей из двух усеченных призм, разделенных воздушным промежутком, усеченные призмы выполнены прямоугольными с прилегающими гипотенузными гранями, образуют прямоугольный параллелепипед, при зтом большие катетные грани указанных призм расположены параллельно оптической оси, а высота Ь и длина С прямоугольного параллелепипеда связаны соотношением Ъ/С 0, при i 4U2ot 2i,

где гп предельный угол полного

внутреннего отражения; i - максимальный угол наклона лучей к оптической оси.

Геометрические размеры /Ь и С с пределяются путем расчета хода лучей цилиндрического пучка, у которого крайний луч проходит через точку D без виньетирования, а затем хода конического пучка D лучей с углом конуса лучей 2u) .

В результате геометрического расГеометрические размеры | и С легко определяются также графическим способом путем построения осевого 3 На фигч1 показана конструкция призманной системы прямого зрения, на фиг.2 - составная прямоугольная усеченная призма. Призменная система прямого зрения состоит из прямоугольных усеченных, призм 1 и 2, разделенных воздушным промежутком, образующих прямоугольиый параллелепипед ABCD. Средние грани АЦ и ВС при необходимости, могут быть выполнены с зеркальным покрытием. Высота h и длина С выбраны таким образом, что соблюдается условие Ь/С о,5 t 2с1 , (1) и 2ot может принимать значения в пределахi +1 2oi 2i. - предельный угол полного внутреннего отражения; i - максимальный угол наклона лучей к оптической оси. Левая часть неравенства i +i ограничивает углы падения лучей на входную и выходную грани от выхода, а правая часть 21, - от преломления на гипотенузной грани. Указанное неравенство и формула(1) являются условием прохождения лучей в призме. чета получим длину С и высоту ti прямоугольного параллелепипеда cosfd ) c42cjL, - половина угла конического пучка лучей после преломления, а также величину ере-за составной прямоугольной призмы C-Sifi ottg-ci 2cos 2оС и крайнего лучей после отражения от гипотенузной и средней граней, при этом осевой луч должен упастЬ в центр выходной грани, а крайний на линию пересечения гипотенуэной и выходных граней в точку D . Призменная система прямого зрения работает еледуклцим образом. На фиг.1 показан ход осевого луча в призме и ход наклоннвк крайних лучей конического пучка только до гипотенузной грани. Осевой луч падает перпендикулярно на середину входной грани АВ в точку о( и идет до гипотенузной грани, где в точке б претерпев т полное внутреннее отражение. Далее луч последовательно отражается от граней призмы в точках В, г, д,е, 01,- и возвращается в точку 3 , где вьфавнивается и выходит в точке г перпендикулярно выходной грани CD.Наклонные лучи идут симметрично осевому лучу.Крайний нижний луч преломления на входной грани в точке А(фиг.2), отражается от гипотенузной грани , затем от нижней грани AD и выходит в точке D бен виньетирования. последовательно отражается от граней призмы аналогично осевому лучу и выходит преломившись на грани CD. На стыке гипотенузнь1х граней между точками BHt , ие, ои: лучи преломляются на гипотенузных гранях так как углы падения значительно меньше предельного угла полного внут реннего отражения. Такая конструкция призменной сист мы прямого зрения, состоящей из двух одинаковых прямоугольных усеченных призм, увеличивает длину хода луча в призме путем двойного использования каждой грани. Грани АВ и CD являются одновр менно преломляющими и отражающими, гипотенузные грани трижды преломляющими и один раз отра жающими грани AD и ВС - дважды отражаклц ми. Поэтому длина хода луча в системе значительно увеличивается, что увеличиет продольное сокращение оси опт ческого прибора. Сокращение и равно разности геометрического сокращения минус продольное смещение изображени т.е.

h-1

л-е Благодаря небольшим поперечным размерам и значительному продольному где г---j--геометрический ход осевого луча от точки Б до точКИ 3 . полный ход осевого луча - в системе. л г/ 2h-1 Ucos2 i n при n 1,5 и d Л 1,52 С. Например, при d , г 1,5 конструктивные параметры призменной системы следующие; длина С- . высота Ъ 0,ЗС; величина среза m 0,04С, длина хода луча в системе Е 3,8С; сокращение 4 1,52С. Так как при oL ,5 осевой луч падает на внешние грани под углом 45° а наклонные лучи могут доходить до 41° (предельный угол полного внутреннего отражения), то призменную систему можно выполнить без зеркальных покрытий. Иногда выгодно вьтолнить призменную систему в форме куба, т.е. когда С 11 , из формулы (1) d 32°. У такой системы грани призм, параллельные оптической оси, следует выполнить с зеркальным покрытием. Пример. В качестве материала составных призм выбирается стекло КЗ ,5163, ot 22°30, а диаметр входного конического пучка равен 24 мм с углом конуса ) 5° Половина угла конического пучка лучей после преломления uJ Конструктивные параметры данной системыгдлина мм, h 34 мм, величина среза т 2,7 мм, длина хода лучей в призме i 258,4 мм, продольное сокращение л 103,4 мм. Таким образом, ход лучей в предлагаемой системе, продольное сокращение и чувствительность к заклонам по сравнению с известными более чем в два раза больше, Благодаря повышенной чувствительности предлагаемая система позволяет повысить точность измерения. Особенность ее в сравнении с известными еще и в том, что она может работать (например, при ct ) одновременно в двух перпендикулярных направлениях, т.е. смещать один пучок с повышенной чувствительностью,а другой - в С/п раз меньшей, что расширяет еефункциональные возможности. $ сокращению оси прибора, предлагаема система позволяет уменьшить габариты оптического прибора в целом, снизить его вес и сделать компактным. Так как во многих современных оптических устройствах, предназначенных для автоматического измерения и контроля размеров, используются лазерные источники света, то хроматические аберрацииотсутствуют Благддаря большому ходу лучей в сте ле предлагаемая призменная система найдет широкое применение в качестве эффективного малогабаритного ком пенсатора или сканатора. Высокая 3 чувствительность к заклонам позволит использовать ее также в оптических датчиках угловых перемещений. Призменная система разворачивается в плоскопараллельную пластинку, имеет четное число отражений, дает прямое изображение и работает в параллельных и сходящихся пучках. Кроме этого, ее наклоны не вызывают наклоны изображения, а смещают изображение параллельно самому себе в плоскости анализа. Предпагаемая призменная система прямого зрения позволяет также экономить оптическое стекло почти в четыре раза.

ПРИЗМЕННАЯ СИСТЕМА ПРЯМОГО ЗРЕНИЯ, состоящая из двух усеченных призм, разделенных воздушным промежутком, обличающаяся тем , что с целью сокращения габаритов оптических приборов в продольном направлении оптической оси при синхронном сканировании в двух взаимно перпендикулярных направлениях, усеченные призмы выполнены прямоугольными с прилегающими гипотенузными гранями и образуют прямоугольный параллелепипед, при этом большие катетные грани указанных призм расположены параллельно оптической оси, а высота Ъ и длина С прямоугольного параллелепипеда связаны соотношением Ь/С 0, , при , где t - предельный угол полного внутреннего отражения; 1 - максимальный угол наклона лучей к оптической оси. 00 со

Фиг.г