Оборачивающая призма

Оборачивающая призма — отражательная призма, предназначенная для изменения положения или зеркального отражения вдоль оси передаваемого изображения, или для того и другого одновременно.

Оборачивающую призму не следует путать с отклоняющей, которая предназначена для изменения направления пучка света на некоторый угол путём отражения, и от преломляющей, которая отклоняет пучок света путём преломления.

Ход лучей в призмах

Рис. 1. Ход лучей в оборачивающей призме Дове

Рис. 2. Ход лучей в оборачивающей призме Порро

Рис. 3. Ход лучей в оборачивающей призме Шмидта-Печана

Термин «оборачивающая призма» не является общепринятым в геометрической оптике, поэтому им часто называют более широкий класс призм, функциональность которых выходит за рамки определения, данного выше. Несмотря на это, выделяют следующие функции оборачивающих призм:

«Переворот изображения» с помощью осевого зеркального изображения;

«Разворот изображения» в виде поворота изображения на 180° вокруг перпендикуляра изображения.

Призмы, в которых происходит только осевое отражение оптического изображения, меняют местами две противоположные стороны изображения друг на друга, при этом изображение переворачивается относительно только одной оси симметрии, вверх или в сторону. Такие призмы иногда называют «реверсивными призмами». Примером подобной призмы является призма Дове (ход лучей в призме Дове см. рисунок 1).

В главном сечении призма представляет собой равнобедренную трапецию, боковые стороны которой наклонены к основанию под углом 45°. Свет, вошедший в одну из наклонных граней, преломляется и испытывает полное внутреннее отражение от длинного основания. Отразившись, он выходит через вторую наклонную грань в том же направлении, в котором шёл до попадания в призму.

Призмы второго типа поворачивают оптическое изображение на угол, равный 180°, что соответствует полной инверсии изображения. Ход лучей в такой призме, называемой призмой Порро, показан на рисунке 2. За счёт четырёх отражений от граней двух призм, имеющих оптический контакт друг с другом и развёрнутых друг относительно друга под прямым углом, оптическое изображение переворачивается точно на 180° относительно горизонтальной оси. При этом возникает параллельное смещение изображения, что можно исправить добавлением пары крышечных поверхностей, как показано на рисунке 3. Модифицированная таким образом призма Печана называется призмой Шмидта-Печана.

Относительно компактной оборачивающей призмой является призма Аббе-Кёнига, ход лучей в которой показан на рисунке 4. Призма состоит из двух стеклянных призм, которые оптически склеены вместе, образуя симметричную неглубокую V-образную форму. Свет падает на одну из граней под прямым углом, испытывает внутреннее отражение от грани с наклоном 30°, а затем отражается от секции «крыши» (нем. Dach) (состоящей из двух граней, встречающихся под углом 90°) в нижней части призмы. Затем свет отражается от противоположной грани под углом 30° и выходит снова при нормальном падении. Этот тип призмы переворачивает изображение по вертикали, но не по горизонтали, изменяя направленность изображения в противоположную сторону.

Оборачивающая призма Амичи, ход лучей в которой показан на рисунке 5, не только поворачивает оптическое изображение, но и изменяет ход лучей на 90°. Призма Амичи состоит из трёх треугольных призм, две крайние из которых изготавливаются из стекла кронгласс с малым показателем преломления и малой дисперсией, а средняя из стекла флинтглас с большим показателем преломления и большой дисперсией.

Иногда к оборачивающим призмам относят призмы, которые представляют собой отражательные призмы с зеркальными поверхностями, как на рисунке 6, где показан ход лучей в системе призм Аппендаля. Эта система призм состоит из трёх склеенных призм с двумя поверхностями перехода стекло / воздух. Проходя через первую призму, пучок лучей (красный) сначала отражается на поверхности, покрытой металлическим или диэлектрическим покрытием (зеркальным), и имеет поверхность полного внутреннего отражения, аналогичную той, которая используется в призме Шмидта-Печана, только свет входит и выходит через противоположные концы призмы. Остальные отражения луча происходят за счёт полного внутреннего отражения без потерь. Вторая призма отражает под углом 90° и не имеет зеркального покрытия. Чтобы добиться полного разворота изображения, в третью призму (зелёную) встроен край крыши. Кроме того, луч выходит из инверсионной системы без какого-либо осевого смещения, вот почему призма Аппендаля считается одной из призм с крышей и прямым обзором.

Применение

Рис. 4. Ход лучей в оборачивающей призме Аббе-Кёнига

Рис. 5. Ход лучей в оборачивающей призме Амичи

Рис. 6. Траектория луча в призме Уппендаля (вид сверху); зеркальная поверхность заштрихована синим цветом, край крыши — зелёным

Призмы, с помощью которых получают полный переворот изображения, используются, например, в телескопах, где важно, чтобы оптическая ось сложной оптической системы телескопа не отклонялась или отклонялась на небольшой угол.

Оборачивающие призмы применяются в зеркальных фотоаппаратах, оптических микроскопах, спектроскопах и других оптических приборах.

Призмы, оборачивающие изображения или изменяющие ход лучей на 180°, используются в ретрорефлекторах и угловых отражателях, ретрорефлектометрах и других приборах для измерения световозвращения.

Литература

• Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2008.
• Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М. : Наука, 1982.
• Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
• Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — М. : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
• Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — М. : Физматлит, 2003.
• Михеенко А. В. Геометрическая оптика : учебное пособие. — Хабаровск : Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2018.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М. : Физматлит, 2014.

Ссылки

• Дисперсия света
• Оптические призмы

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Оборачивающая призма», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Оборачивающая_призма» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».