Оптичні призми

Оптичні призми є одним з основних елементів при створенні оптичних систем і оптичних приладів. Призми широко використовуються в оптичних приладах різного призначення, таких як наглядові оптичні прилади (телескопи, біноклі, мікроскопи та інші), оптичні прилади для реєстрації зображень на електронних приймачах, складні багатофункціональні оптичні прилади. Причому, чим складніше оптичний прилад, тим більша кількість і номенклатура оптичних призм може в ньому використовуватися. Наприклад, велике число складних оптичних призм використовується в таких оптичних приладах як спектральні оптичні прилади, інтерферометри, поляризатори і інші.

Оптичні призми залежно від їх оптичної конструкції функціонально дозволяють:

• Змінювати хід променів в оптичних приладах;
• Змінювати напрямок оптичної осі системи;
• Змінювати напрямок лінії оптичного візування;
• Обертати оптичні зображення;
• Зменшувати габарити оптичних систем;
• Розділяти пучки променів в оптичних системах;
• Об'єднувати поля в оптичних системах;
• Вирощують в оптичних системах зображення;
• Компенсувати в оптичних системах поворот зображення;
• Розкладати біле світло в спектр;
• Отримувати поляризоване світло;

Слід зазначити, що дія оптичної призми подібно до дзеркала. проте в ряді випадків використовувати оптичні призми зручніше, ніж дзеркала. Відзначимо деякі переваги призм перед дзеркалами:

• Дія однієї призми, часто, замінює дію системи дзеркал. Кути між дзеркалами повинні регулюватися з великою точністю при складанні, система дзеркал схильна раз'юстірованію. Кути між гранями призми незмінні;
• Втрати світла у призм від граней з повним внутрішнім віддзеркаленням дорівнюють нулю, тоді як при відбитті від поверхонь дзеркал втрати досить великі; крім того, що відображають покриття дзеркал з плином часу можуть псуватися;
• Конструкція кріплення призм в оправах, як правило, простіше ніж системи дзеркал, має менші габарити;
• Для деяких призм немає еквівалентних дзеркальних систем (наприклад, призма Дове, полупента, деякі види спектральних призм).

Разом з тим, зустрічаються оптичні системи й оптичні прилади, в яких заміна оптичних призм на дзеркала доцільна. Найважливішими факторами є вага приладу (дзеркала значно легше призм), а також вартість. Крім того призми в ряді випадків є джерелами хроматичних і деяких інших аберацій.

Робочі і неробочі поверхні призми - площині. Розрізняють преломляющие робочі поверхні призми, через які світловий пучок входить в призму і виходить з неї, і відображають поверхні призми, від яких пучок відбивається при проходженні всередині призми. Число робочих граней і взаємне їх розташування визначає хід пучка всередині призми і все перетворення пучка, які при цьому відбуваються.

Якщо осьової промінь проходить всередині призми в одній площині, то таку призму називають плоскою. Якщо осьової промінь йде в двох площинах, - така призма називається просторової.

Перетин призми площиною, в якій проходить осьової промінь пучка, називається головним перерізом призми; у плоских призм одне головне перетин, у просторових головних перетинів стільки, скільки площин, в яких проходить осьової промінь.

Відбивні призми. Основними характеристиками роботи відбивних призм є кут відхилення і зміщення світлового пучка, а також обертання зображення. Кутом відхилення називається кут між напрямками осьового променя до і після призми, причому, проміжні відхилення променя всередині призми до уваги не беруться.

Рис.1 Приклади відбивних призм з одним і двома відбитками

Огортання зображення залежить від числа граней, що відображають і їх розташування в просторі. Для плоских призм при парному числі граней, що відображають зображення не обертається призмою, при непарному - обертається в головному перетині. Для обертання зображення в площині, нормальної до головного перерізу, одна з граней, що відображають призми замінюється дахом, яка представляє собою дві відображають поверхні, що утворюють двогранний кут 90 °, симетрично розташовані відносно головного перетину призми (рис.2).

Рис.2 Приклади призм з дахом

Кожна оптична призма позначається двома буквами і числом, розділеними знаком тире. Перша літера вказує число граней, що відображають призми (А - одне відображення, Б - два, В - три), друга - характер її конструкції (Р - рівнобедрена, П - пента-призма, У - полупента, С - ромбічна, Л - призма Лемана ). Число позначає кут відхилення осьового променя в градусах. При цьому дах вважається за одну грань. Позначається дах індексом "до" у першій букви. Для просторових призм вказуються кути відхилення у відповідних площинах по ходу променя.

Плоскі призми з парним числом граней, що відображають дають пряме зображення. При нахилі такої призми в головній площині виходить пучок променів не відхиляється. Плоскі призми з непарним числом граней, що відображають дають дзеркальне зображення предмета. При нахилі їх в площині головного перерізу промені відхиляються на подвійний кут.

Відбивні призми розгортаються в плоскопараллельную пластинку. Розгортка призми виконується шляхом поступового перевертання контуру головного перетину призми навколо граней, що відображають по ходу променя в призмі. Довжина розгортки призми дорівнює геометричній довжині ходу пучка в призмі (рис. 3)

Рис.3 Приклад побудови розгортки призми

Якщо призма не розгортати в плоскопараллельную пластинку, то вона діє як клин з великим заломлюючим кутом і викликає хроматизм і спотворення зображення. Такі призми застосовуються з додатковим (компенсуючим) клином.

Призми, що представляють собою комбінації з двох або більшої кількості простих типових призм, що скріплюються в єдиний блок за допомогою склеювання або закріплення в оправі, називаються складовими або складними. Вони застосовуються в тих випадках, коли типові призми не підходять для проектованої системи за габаритами або куту відхилення, або потрібно зменшити габарити системи. На рис.4 а, б наведені призми з клином, рис.4 в, г - складові призми прямого зору.

Рис.4 Приклад складових призм

На рис.5 а, б наведені складові просторові призми, що використовуються як обертаючі призьменні системи - призьменні системи Малафєєва-Порро першого і другого роду відповідно.

Рис.5 Приклади просторових призматичних систем

Звичайне призначення відбивних призм - відхилення пучка і обертання зображення. Однак в оптичних приладах часто застосовуються призми, вирішальні і інші завдання, наприклад, з'єднання або поділ пучків, поділ поля. Приклади призм, які вирішують подібні завдання, наведені на рис.6

Рис.6 Приклади светоделітельних призм

Спектральні призми. Спектральної призмою називається багатогранник, зроблений з прозорої речовини, що володіє значною дисперсією (dn / d l). Кут виходу променів з призми залежить від довжини хвилі випромінювання. Проходження променя через призму пов'язано з заломленням, залежать від матеріалу. Для виготовлення хороших спектральних призм повинен використовуватися матеріал, прозорий з досліджуваної області спектра, що володіє великою дисперсією, високою оптичною однорідністю і ізотропності, бути порівняно недорогим і добре оброблятися. Матеріал для поляризаційних призм, навпаки, повинен бути анізотропним.

Для ультрафіолетової частини спектра часто використовується природний кристалічний кварц, хоча він має подвійне променезаломлення, обертає площину поляризації, досить дорогий і недоступний у вигляді великих шматків достатньої однорідності і прозорості. Одержуваний штучним вирощуванням кварц досить однорідний і вільний від подвійного променезаломлення. Однак для видимої області кварцові призми малопридатні.

Для видимої області основним матеріалом для виготовлення спектральних призм служить скло. Як правило, спектральні призми роблять з важких стекол типу флінт, що володіють великою дисперсією. Для більшості сортів важких стекол велика дисперсія супроводжується значним поглинанням в короткохвильової частини видимого спектру.

Поверхні призм з важких Флінтів схильні до дії хімічно агресивною атмосфері. Помітні руйнування поверхні спостерігаються в призмах приладів, встановлених в хімічних лабораторіях, де в атмосфері присутні пари кислот.

Для призм з розмірами більше 100 мм важко виготовити досить однорідне скло. Хороші кристали кварцу великих розмірів зустрічаються також надзвичайно рідко. Ці обставини обмежують розміри призм в промислових приладах. Призми великого розміру виготовлені в одиничних лабораторних примірниках.

Основні властивості призми найпростіше простежити на найпростішої спектральної призмі, форма якої показана на рис.7

Рис.7 Приклад спектральної призми

Двогранний кут з ребром АВ називається заломлюючим. Площині ABCD і ABC'D 'називаються заломлюючими гранями призми. Площина, перпендикулярна ребру призми і проходить через його середину, називається площиною головного перерізу.