Оптические призмы

Оптические призмы являются одним из основных элементов при создании оптических систем и оптических приборов. Призмы широко используются в оптических приборах различного назначения, таких как наблюдательные оптические приборы (телескопы, бинокли, микроскопы и другие), оптические приборы для регистрации изображений на электронных приёмниках, сложные многофункциональные оптические приборы. Причём, чем сложнее оптический прибор, тем большее количество и номенклатура оптических призм может в нём использоваться. Например, большое число сложных оптических призм используется в таких оптических приборах как спектральные оптические приборы, интерферометры, поляриметры и другие.

Оптические призмы в зависимости от их оптической конструкции функционально позволяют:

• Изменять ход лучей в оптических приборах;
• Изменять направление оптической оси системы;
• Изменять направление линии оптического визирования;
• Оборачивать оптические изображения;
• Уменьшать габариты оптических систем;
• Разделять пучки лучей в оптических системах;
• Объединять поля в оптических системах;
• Вращать в оптических системах изображения;
• Компенсировать в оптических системах поворот изображения;
• Разлагать белый свет в спектр;
• Получать поляризованный свет;

Следует отметить, что действие оптической призмы подобно зеркалу. однако в ряде случаев использовать оптические призмы удобнее, чем зеркала. Отметим некоторые преимущества призм перед зеркалами:

• Действие одной призмы, часто, заменяет действие системы зеркал. Углы между зеркалами должны регулироваться с большой точностью при сборке, система зеркал подвержена разъюстированию. Углы между гранями призмы неизменны;
• Потери света у призм от граней с полным внутренним отражением равны нулю, тогда как при отражении от поверхностей зеркал потери довольно велики; кроме того, отражающие покрытия зеркал с течением времени могут портиться;
• Конструкция крепления призм в оправах, как правило, проще чем системы зеркал, имеет меньшие габариты;
• Для некоторых призм нет эквивалентных зеркальных систем (например, призма Дове, полупента, некоторые виды спектральных призм).

Вместе с тем, встречаются оптические системы и оптические приборы, в которых замена оптических призм на зеркала целесообразна. Важнейшими факторами являются вес прибора (зеркала значительно легче призм), а также стоимость. Кроме того призмы в ряде случаев являются источниками хроматических и некоторых других аберраций.

Рабочие и нерабочие поверхности призмы - плоскости. Различают преломляющие рабочие поверхности призмы, через которые световой пучок входит в призму и выходит из нее, и отражающие поверхности призмы, от которых пучок отражается при прохождении внутри призмы. Число рабочих граней и взаимное их расположение определяет ход пучка внутри призмы и все преобразования пучка, которые при этом происходят.

Если осевой луч проходит внутри призмы в одной плоскости, то такую призму называют плоской. Если осевой луч идет в двух плоскостях, - такая призма называется пространственной.

Сечение призмы плоскостью, в которой проходит осевой луч пучка, называется главным сечением призмы; у плоских призм одно главное сечение, у пространственных главных сечений столько, сколько плоскостей, в которых проходит осевой луч.

Отражательные призмы. Основными характеристиками работы отражательных призм являются угол отклонения и смещение светового пучка, а также оборачивание изображения. Углом отклонения называется угол между направлениями осевого луча до и после призмы, причем, промежуточные отклонения луча внутри призмы во внимание не принимаются.

Рис.1 Примеры отражательных призм с одним и двумя отражениями

Оборачивание изображения зависит от числа отражающих граней и их расположения в пространстве. Для плоских призм при четном числе отражающих граней изображение не оборачивается призмой, при нечетном - оборачивается в главном сечении. Для оборачивания изображения в плоскости, нормальной к главному сечению, одна из отражающих граней призмы заменяется крышей, которая представляет собой две отражающих поверхности, образующие двугранный угол 90°, симметрично расположенные относительно главного сечения призмы (рис.2).

Рис.2 Примеры призм с крышей

Каждая оптическая призма обозначается двумя буквами и числом, разделенными знаком тире. Первая буква указывает число отражающих граней призмы ( А - одно отражение, Б - два, В - три), вторая - характер ее конструкции (Р - равнобедренная, П - пента-призма, У - полупента, С - ромбическая, Л - призма Лемана). Число обозначает угол отклонения осевого луча в градусах. При этом крыша считается за одну грань. Обозначается крыша индексом "к" у первой буквы. Для пространственных призм указываются углы отклонения в соответствующих плоскостях по ходу луча.

Плоские призмы с четным числом отражающих граней дают прямое изображение. При наклоне такой призмы в главной плоскости выходящий пучок лучей не отклоняется. Плоские призмы с нечетным числом отражающих граней дают зеркальное изображение предмета. При наклоне их в плоскости главного сечения лучи отклоняются на двойной угол.

Отражательные призмы развертываются в плоскопараллельную пластинку. Развертка призмы выполняется путем постепенного перевертывания контура главного сечения призмы вокруг отражающих граней по ходу луча в призме. Длина развертки призмы равна геометрической длине хода пучка в призме (рис. 3)

Рис.3 Пример построения развертки призмы

Если призма не развертывается в плоскопараллельную пластинку, то она действует как клин с большим преломляющим углом и вызывает хроматизм и искажение изображения. Такие призмы применяются с дополнительным (компенсирующим) клином.

Призмы, представляющие собой комбинации из двух или большего числа простых типовых призм, скрепляемых в единый блок с помощью склейки или закрепления в оправе, называются составными или сложными. Они применяются в тех случаях, когда типовые призмы не подходят для проектируемой системы по габаритам или углу отклонения, или требуется уменьшить габариты системы. На рис.4 а,б приведены призмы с клином, рис.4 в,г - составные призмы прямого зрения.

Рис.4 Пример составных призм

На рис.5 а,б приведены составные пространственные призмы, использующиеся как оборачивающие призменные системы - призменные системы Малафеева-Порро первого и второго рода соответственно.

Рис.5 Примеры пространственных призменных систем

Обычное назначение отражательных призм - отклонение пучка и оборачивание изображения. Однако в оптических приборах часто применяются призмы, решающие и другие задачи, например, соединение или разделение пучков, разделение поля. Примеры призм, решающих подобные задачи, приведены на рис.6

Рис.6 Примеры светоделительных призм

Спектральные призмы. Спектральной призмой называется многогранник, сделанный из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией (dn/d l ). Угол выхода лучей из призмы зависит от длины волны излучения. Прохождение луча через призму связано с преломлением, зависящим от материала. Для изготовления хороших спектральных призм должен использоваться материал, прозрачный с исследуемой области спектра, обладающий большой дисперсией, высокой оптической однородностью и изотропностью, быть сравнительно недорогим и хорошо обрабатываться. Материал для поляризационных призм, напротив, должен быть анизотропным.

Для ультрафиолетовой части спектра часто используется природный кристаллический кварц, хотя он обладает двойным лучепреломлением, вращает плоскость поляризации, достаточно дорог и недоступен в виде больших кусков достаточной однородности и прозрачности. Получаемый искусственным выращиванием кварц достаточно однороден и свободен от двойного лучепреломления. Однако для видимой области кварцевые призмы малопригодны.

Для видимой области основным материалом для изготовления спектральных призм служит стекло. Как правило, спектральные призмы делают из тяжелых стекол типа флинт, обладающих большой дисперсией. Для большинства сортов тяжелых стекол большая дисперсия сопровождается значительным поглощением в коротковолновой части видимого спектра.

Поверхности призм из тяжелых флинтов подвержены воздействию химически агрессивной атмосфере. Заметные разрушения поверхности наблюдаются в призмах приборов, установленных в химических лабораториях, где в атмосфере присутствуют пары кислот.

Для призм с размерами более 100 мм трудно изготовить достаточно однородное стекло. Хорошие кристаллы кварца больших размеров встречаются также чрезвычайно редко. Эти обстоятельства ограничивают размеры призм в промышленных приборах. Призмы большого размера изготовлены в единичных лабораторных экземплярах.

Основные свойства призмы проще всего проследить на простейшей спектральной призме, форма которой показана на рис.7

Рис.7 Пример спектральной призмы

Двугранный угол с ребром АВ называется преломляющим. Плоскости ABCD и ABC'D' называются преломляющими гранями призмы. Плоскость, перпендикулярная ребру призмы и проходящая через его середину, называется плоскостью главного сечения.

Определение размеров призм, допусков на изготовление и характеристики материалов