DE2141337A1

DE2141337A1 - FLAT OPTICAL SYSTEM FOR ROTATING AN IMAGE

Info

Publication number: DE2141337A1
Application number: DE19712141337
Authority: DE
Inventors: Josef-Ferdinand Dipl Ing Menke
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1971-08-18
Filing date: 1971-08-18
Publication date: 1973-02-22

Description

Flaches optisches System zur Drehung eines Bildes Die Erfindung betrifft ein flaches optisches System, das zur Drehung eines Bildes benutzt werden kann. Flat Optical System for Rotating an Image This invention relates to a flat optical system that can be used to rotate an image.

Es ist eine Vielzahl sogenannter Umlenk-, Umkehr- und Wendeprismen bekannt, die dazu dienen, Strahlen nach bestimmten Vorschriften abzulenken. Derartige Prismen können im allgemeinen auch dazu benutzt werden, Strahlen, Strahlenbündel oder Bilder zu drehen. Die Drehung wird in diesen Fällen dadurch bewirkt, daß das Prisma bzw. das Prismensystem selbst um eine bestimmte Achse gedreht wird. Sie beruht darauf, daß sich bei Drehung des Systems bestimmte Flächennormalen gegenüber der optischen Achse drehen. Da die reflektierten bzw.It is a variety of so-called deflection, reversal and reversing prisms known, which are used to deflect rays according to certain regulations. Such In general, prisms can also be used to create rays, bundles of rays or to rotate pictures. The rotation in these cases is caused by the Prism or the prism system itself is rotated about a certain axis. It is based on the fact that when the system is rotated, certain surface normals are opposite to the rotate optical axis. Since the reflected or

gebrochenen Strahlen stets in der Einfallsebene bleiben, drehen auch sie sich mit den Flächennormalen.refracted rays always stay in the plane of incidence, also rotate they deal with the surface normals.

Die heute bekannten Systeme dieser Art ermöglichen jedoch praktisch keine Bauweise in flachen Scheiben. Gerade diese Bauweise ist aber in Kombination mit speziellen optischen Abbildungssystemen besonders erwünscht. Eine Kombination mehrerer Elemente aus den bereits bekannten Systemen würde dazu führen, daß verhältnismäßig große ungenutzte Zwischenräume entstehen würden, die eine beachtliche Verkleinerung des effektiven Bündeldurchmessers des Gesamtsystems zur Folge haben würden.However, the systems of this type known today make it possible in practice no construction in flat panes. However, it is precisely this construction that is combined with special optical imaging systems particularly desirable. A combination several elements from the already known systems would lead to being proportionate large unused spaces would arise, which is a considerable reduction in size the effective bundle diameter of the overall system would result.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch die Kombination mehrerer gleichartiger Elemente ein optisches System zur Drehung eines Bildes zu schaffen, das einerseits eine sehr flache Bauweise gestattet, andererseits als scheibenförmiges Gebilde großen Durchmessers gestaltet werden kann, ohne daß durch ungenutzte Räume nennenswerte Strahlungsverluste in Kauf genommen werden müssen.The object of the invention is, by combining several similar Elements to create an optical system for rotating an image on the one hand allows a very flat design, on the other hand as a disk-shaped structure large Diameter can be designed without significant through unused spaces Radiation losses have to be accepted.

Das erfindungsgemäße Prismen-System ist durch die folgenden charakteristischen Merkmale gekennzeichnet: Eine. Gruppe von vier geraden Prismen mit 3-eckigem Querschnitt ist derart mit zwei zueinander parallelen Planspiegeln kohbiniert, daß die Prismen zu einem symmetrischen, quaderförmigen Gebilde zusammengefügt sind, so, daß eine Längskante jeden Prismas in die Längsachse des Quaders fällt und die diesen Längsachsen gegenüberliegenden Basisflächen der Prismen den Mantel des Quaders bilden, wobei je zwei einander gegenüberliegende Prismen die gleiche Form und Größe tesitzen und mindestens bei einem Paar der gleiche Brechungsindex vorliegt.The prism system of the present invention is characterized by the following Features marked: One. Group of four straight prisms with a triangular cross-section is so kohbiniert with two parallel plane mirrors that the prisms Are assembled into a symmetrical, cuboid structure, so that one Longitudinal edge of each prism falls into the longitudinal axis of the cuboid and these longitudinal axes opposite base surfaces of the prisms form the shell of the cuboid, wherein two opposing prisms each have the same shape and size and sit at least one pair has the same refractive index.

Die restlichen beiden prismatischen Teilvolumina des Quaders können ebenfalls den gleichen Brechungsindex haben. Sie können aber. auch verschiedene Brechungsindizes haben. Sie können durch beliebige Medien realisiert werden, sofern diese nur hinreichend homogen und für die in Betracht kommende Strahlung genügend durchlässig sind. Wenn die Prismen aus festen Substanzen bestehen, so können die Planspiegel auch einfach dadurch realisiert werden, daß jeweils die Basisfläche jedes zweiten dieser Prismen verspiegelt wird.The remaining two prismatic partial volumes of the cuboid can also have the same refractive index. But you can. also different Have refractive indices. They can be implemented through any media, provided this is only sufficiently homogeneous and sufficient for the radiation in question are permeable. If the prisms consist of solid substances, they can Planar mirrors can also be realized simply by having the base surface in each case every second of these prisms is mirrored.

Ein so beschaffenes System gestattet eine außerordentlich flache Bauweise. Mehrere gleichartige Elemente dieser Art können zu: einem scheibenförmigen Gebilde großen Durchmessers kombiniert werden, ohne daß durch ungenutzte Zwischenräume nennenswerte Strahlungsverluste in Kauf genommen werden müssen.A system designed in this way allows an extremely flat construction. Several similar elements of this kind can result in: a disk-shaped structure large diameter can be combined without significant unused spaces Radiation losses have to be accepted.

Die optischen Eigenschaften eines solchen Prismensystems hängen naturgemäß von seiner Geometrie und den Brechung sindizes der benutzten Prismenmaterialien ab.The optical properties of such a prism system naturally depend its geometry and the refraction indexes of the prism materials used away.

Ein Strahl, der durch eine Prismenbasis in das System eintritt, wird an der ersten Grenzfläche entweder total re-' flektiert oder gebrochen. Der gebrochene Strahl trifft entweder auf eine Spiegelfläche oder unmittelbar auf die brechende Fläche des gegenüberliegenden Prismas auf. Im letzteren Fäll durchsetzt er das Prismensystem (bezüglich der Einfallswinkel) im allgemeinen unsymmetrisch. Dies hät zur Folge, daß ein solcher Strahl nach dem Durchtritt durch das Prismensystem im allgemeinen nicht den gleichen Winkel zur optischen Achse besitzt wie vor dem Prismensystem. Somit würde sich für diesen Fall eine vom Gesichtsfeldwinkel abhängige Änderung des Bildfeldwinkels ergeben. Ob ein aus dem ersten Prisma austretender gebrochener Strahl noch auf die Spiegelfläche auftrifft und somit von dieser reflektiert wird oder unmittelbar auf die brechende Fläche des gegenüberliegenden Prismas auftrifft, hängt aber nicht nur vom Gesichtsfeldwinkel, sondern auch noch von der Koordinate des Schnittpunktes des in das System eintretenden Strahls mit der Prismenbasis ab.A beam entering the system through a prism base becomes either totally reflected or broken at the first interface. The broken one The ray hits either a mirror surface or directly the refracting one Face of the opposite prism. In the latter case it penetrates the prism system (with respect to the angle of incidence) generally asymmetrical. This has the consequence that such a beam after passing through the prism system in general does not have the same angle to the optical axis as in front of the prism system. In this case, there would therefore be a change that is dependent on the angle of the field of view of the field of view. Whether a broken one emerging from the first prism Beam still hits the mirror surface and is thus reflected by this or directly hits the refractive surface of the opposite prism, depends not only on the field of view angle, but also on the coordinate the intersection of the beam entering the system with the prism base.

Diese Abhängigkeit würde zur Folge hahen, daß Strahlen, die vor dem Prismensystem zueinander parallel sind, hinter diesem nicht mehr parallel wären, was die Bildgüte verschlechtern würde.This dependency would have the consequence that rays before the Prism system are parallel to each other, behind this would no longer be parallel, which would degrade the image quality.

Bei kontinuierlicher Variation des Gesichtsfeldwinkels zwischen 0 und 90 Grad treten an der brechenden Fläche des ersten Prismas cet. par. nacheinander Totalreflexion und Brechung auf oder aber auch gar keine Totalreflexion, wenn auch für achsenparallele Strahlen die Bedingung sin a 2 =n2/n1 bzw. sin a2 = n2*/n1 nicht erfüllt ist.With continuous variation of the field of view angle between 0 and 90 degrees occur at the refractive surface of the first prism cet. par. after another Total reflection and refraction on or no total reflection at all, even if for axially parallel rays the condition sin a 2 = n2 / n1 or sin a2 = n2 * / n1 does not is satisfied.

Der Befaich des Gesichtsfeldwinkels, in dem Strahlen, die an der brechenden Fläche des ersten Prismas gebrochen werden, auch ohne Reflexion an der Spiegelfläche auf die brechende Fläche des zweiten Prismas gelangen können, muß ausgeschaltet werden, um den hier auftretenden ungünstigen Einfluß auf die Bildgüte zu vermeiden.The befaich of the angle of the field of view, in the rays passing through the refracting Surface of the first prism are refracted, even without reflection can reach the refracting surface of the second prism at the mirror surface, must be switched off to avoid the unfavorable influence on the image quality that occurs here to avoid.

Beschränkt man sich aus naheliegenden Gründen auf den Bereich des Gesichtsfeldwinkels, in dem Totalreflexion an der brechenden Fläche des ersten Prismas auftritt, so liefert die Bedingung für die Totalreflexion sin a2 > n2/nl (a2: Einfallswinkel auf die brechende F-läche des ersten Prismas) bzw.If, for obvious reasons, one restricts oneself to the area of the Field of view angle, in which total reflection at the refracting surface of the first prism occurs, the condition for total reflection yields sin a2> n2 / nl (a2: Angle of incidence on the refracting F-surface of the first prism) or

sin CH2 a => n2*/n1 mit sin a /sin al = n1 (α'1: Brechungswinkel an der Prismenbasis des ersten Prismas) und cx' = y = a2 als Bestimmungsungleichung für die zulässigen Gesichtsfeldwinkel al die Beziehung cxi < arc sin | nlsint y - arc sin (n2/nl) bzw. 1L arc art sin nl n1 IY- arc sin (n2)t/nl'3 wobei y den Winkel zwischen der Basis und der brechenden Fläche des ersten (gleichschenkligen) Prismas bedeutet. Die Erfüllung der Bestimmungsgleichungen für die zulässigen Gesichtsfeldwinkel α1 ist jedoch nicht hinreichend dafür, daß ein Strahlenbündel, das in das Prismensystem eintritt, keine Vignettierung erfährt.sin CH2 a => n2 * / n1 with sin a / sin al = n1 (α'1: angle of refraction at the prism base of the first prism) and cx '= y = a2 as a determination inequality for the permissible field angles al the relationship cxi <arc sin | nlsint y - arc sin (n2 / nl) or 1L arc art sin nl n1 IY- arc sin (n2) t / nl'3 where y is the angle between the base and the refractive surface of the first (isosceles) prism. However, the fulfillment of the equations for determining the permissible field angles α1 is not sufficient to ensure that a bundle of rays entering the prism system does not experience any vignetting.

Eine notwendige Bedingung dafür, daß beispielsweise für den Spezialfall n2 ç n2 zeine Vignettierung auftritt, besteht darin, daß alle Strahlen, die in das System eintreten, auch au£ das dem ersten Prisma gegenüberliegende Prisma auftreffen.A necessary condition for that, for example, for the special case n2 ç n2 z a vignetting occurs because all rays entering the Enter system, too except the one opposite the first prism Hit the prism.

Diese Bedingung kann durch eine funktionale Beziehung in der Form F(n1, n2, γ, α1, y/ymax) # 0 dargestellt werden, worin y1 die zur optischen Achse senkrechte Koordinate des Schnittpunktes zwischen dem in das System eIntretenden Strahl und der Basis des ersten Prismas und Ymax = g die halbe Länge der Basis dieses Prismas bedeuten.This condition can be through a functional relationship in the form F (n1, n2, γ, α1, y / ymax) # 0, where y1 is the optical Axis vertical coordinate of the point of intersection between the one entering the system Ray and the base of the first prism and Ymax = g half the length of the base of this Prism mean.

Statt der impliziten Form dieser notwendigen Bedingung für den Fall verschwindender Vignettierung kann man die Vignettierung auch durch die explizite Beziehung = f(cxl, = f(α1, n1, n21 y) ausdrücken.Instead of the implicit form of this necessary condition for the case Vanishing vignetting can also be described by explicit vignetting Express relation = f (cxl, = f (α1, n1, n21 y).

Der Quotient y/y ist dabei ein Maß für die Vignettierung.The quotient y / y is a measure of the vignetting.

Diese Beziehung gestattet es somit, die Vignettierung des Bündels als Funktion des Gesichtsfeldwinkels al mit nl, n2 und y als Parameter zu berechnen, so daß man die geeignetsten Parameter aus dem realisierbaren Wertevorrat auswählen kann. Dabei ist insbesondere noch zu berücksichtigen, daß man den Prismenwinkel y im allgemeinen möglichst klein wählen wird-, um ein möglichst flaches System zu erhalten. Ferner wird man insbesondere auch danach trachten, die geometrischen Weglängen der Strahlen möglichst gering zu halten, um Streu- und Absorptionseffekte weitgehend zu unterbinden und das Gewicht klein zu halten. Die aus der expliziten Beziehung für die Vignettierung abkeitbaren Funktionen gestatten es, das die Erfindung betreffende Prismensystem für den jeweils betrachteten Fall der Anwendung mit andersartigen Systemen zu vergleichen, wobei auch noch die geometrischen Weglängen der Strahlen in den Medien zu berücksichtigen sind.This relationship thus allows the beam to be vignetted as a function of the field of view angle al with nl, n2 and y as parameters, so that you can select the most suitable parameters from the realizable range of values can. In particular, it must be taken into account that the prism angle y will generally choose as small as possible - in order to achieve a system that is as flat as possible obtain. Furthermore, one will in particular also strive for the geometric path lengths to keep the rays as low as possible in order to largely reduce scattering and absorption effects to prevent and to keep the weight small. The ones from the explicit relationship Functions that can be used for the vignetting allow that which is concerned with the invention Prism system for the particular case under consideration of the application with different types Systems to compare, with the geometric path lengths of the rays to be considered in the media.

Insbesondere soll ein wesentliches Merkmal der Erfindung gerade darin bestehen, durch Kombination mehrerer schmaler Einzelelemente dieser Art zu einem flachen scheibenförmigen Gebilde gemäß Fig. 1 die geometrischen Wege der Strahlen in den optischen Medien, die geometrischen Dimensionen und die Massen gering halten zu können.In particular, an essential feature of the invention should be precisely therein exist by combining several narrow individual elements of this type into one flat disk-shaped structures according to FIG. 1, the geometric Paths of rays in the optical media, the geometric dimensions and the To be able to keep the masses low.

Werden mehrere Elemente dieser Art gemäß Fig. 2 miteinander kombiniert, so ist es zweckmbßig, dieses System mit Hilfe zweier Planparallelplatten zu einem kompakten Ganzen zusammenzufügen.If several elements of this type are combined with one another according to FIG. 2, so it is useful to combine this system with the help of two plane-parallel plates to put together a compact whole.

Fig. 3 zeigt den auf das wesentlichste beschränkten Strahlengang durch ein solches in Fig. 1 dargestelltes optisches Bauelement.Fig. 3 shows the most essential limited beam path through such an optical component shown in FIG.

Legt man ein Koordinatensystem mit seinem Ursprung in die Mitte des Prismensystems, so gilt im Falle n2 = nZ für den Schnittpunkt x5 eines Strahls mit der optischen Achse, der beim Eintritt in das System die Basis des ersten Prismas in der Einfallshöhe y1 (y Koordinate senkrecht zur optischen Achse schneidet, die Beziehung X5 y1 sin sin sincx1 max . sin 42-y+arc 1 + (1 ym1ax) . sin y . sin { arc (sin ns}ncxi )l) (tgy tg 1 {w/2-y+are sin < ) sin 3-arc sin sind' 3 nl sin1 -2tg/2-y+arc sin n2 sin zu3y-arc sin dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: n2 1.) sincximax - n1 sin (y-arc sin ) , n1 d.h. Totalreflexion an der zweiten brechenden Flächenund 2.) sina' <t , d.h. keine Totalreflexion an der dritten brechenden Fläche.If a coordinate system is placed with its origin in the center of the prism system, then in the case of n2 = nZ for the intersection x5 of a ray with the optical axis, which, when entering the system, forms the base of the first prism at the incidence height y1 (y coordinate perpendicular to the optical axis intersects the relationship X5 y1 sin sin sincx1 Max . sin 42-y + arc 1 + (1 ym1ax). sin y. sin {arc (sin ns} ncxi) l) (tgy tg 1 {w / 2-y + are sin <) sin 3-arc sin are' 3 nl sin1 -2tg / 2-y + arc sin n2 sin to 3y-arc sin the following conditions must be met: n2 1.) sincximax - n1 sin (y-arc sin), n1 ie total reflection on the second refractive surface and 2.) sina '<t, ie no total reflection on the third refractive surface.

Die Zahl 5 als Index bedeutet, daß dieser Strahl bis dahin in dem System insgesamt vier Brechungen und Reflexionen (zwei Brechungen, eine Totalreflexion und eine Reflexion an einem Spiegel) erfahren hat. Dabei ist zur Vereinfachung vorausgesetzt, daß zwischen der Reflexion am Spiegel und dem Schnitt mit der optischen Achse keine weitere Brechung mehr erfolgt ist.The number 5 as an index means that this ray has been in the System a total of four refractions and reflections (two refractions, one total reflection and a reflection on a mirror). For the sake of simplicity, it is assumed that that between the reflection on the mirror and the intersection with the optical axis none further refraction has occurred.

Der Ausdruck für x5/ymaX (Ymax: halbe Basislänge des ersten Prismas) muß die notwendige Bedingung x5/ymax # O erfüllen.The expression for x5 / ymaX (Ymax: half the base length of the first prism) must meet the necessary condition x5 / ymax # O.

Die weitere davon unabhängige notwendige Bedingung dafür, daß an-der dritten brechenden Fläche des ersten Prismas keine Totalreflexion auftritt; sincx'3 = n1/n2 . sin { 3y-arc sin (sinal/nl)-w j < 1 sina3 = nl 2 - stellt eine Bestimmungsgleichung für den zulässigen minimalen Prismenwinkel y bei vorgegebenen Brechungsindizes n1 und n2 und dem absoluten Betrag des maximal erforderlichen Bildwinkels α1max dar.The further independent necessary condition for the fact that no total reflection occurs on the third refractive surface of the first prism; sincx'3 = n1 / n2. sin {3y-arc sin (sinal / nl) -wj <1 sina3 = nl 2 - represents a determining equation for the permissible minimum prism angle y with given refractive indices n1 and n2 and the absolute amount of the maximum required angle of view α1max.

Mit Hilfe des Diagramms in Fig. 4 kann man prüfen , für welche Prismenwinkel y und für welche Quotienten n2/nl der Brechungsindizes die Bedingung dafür, daß Totalreflexion an der zweiten breciieiiden Fläche und keine Totalreflexion an der dritten brechenden Fläche auftritt, erfüllt ist, wobei die Parameterwerte der Kurven vom Eintrittswinkel a1 und dem Brechungsindex n1 abhängen.With the help of the diagram in Fig. 4 you can check for which prism angles y and for which quotients n2 / nl of the refractive indices the condition for Total reflection on the second broad surface and no total reflection on the third refractive surface occurs, is met, where the parameter values the Curves depend on the entrance angle a1 and the refractive index n1.

Ein Prismensystem, bestehend aus zwei Silizium- und zwei Lithiumfluorid-Prismen, stellt ein Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung dar. Betrachtet man beispielsweise infrarote Strahlenbündel bei der Wellenlänge Ä # 3,4 Um, so ergeben sich mit den Brechungsindizes nl = 3,428 und n2 = 1,36 die folgenden Daten für dieses System: γmin = 60° 40' und α1 = 5°, wobei Ymin der minimale Prismenwinkel ist, bei dem für alle Strahlen, die unter dem Bildwinkel cx = +5 bis cx1 = TO in das Prisma eintreten, keine Vignettierung auftritt.A prism system consisting of two silicon and two lithium fluoride prisms, illustrates one embodiment of the present invention. Consider for example infrared bundles of rays at the wavelength λ # 3.4 μm, result in this with the refractive indices nl = 3.428 and n2 = 1.36 the following data for this System: γmin = 60 ° 40 'and α1 = 5 °, where Ymin is the minimum prism angle is, in which for all rays that are at the angle of view cx = +5 to cx1 = TO in enter the prism, no vignetting occurs.

Fig. -5 zeigt an Hand eines Ausführungsbeispiels, wie ein System aus mehreren Einzelelementen fertigungstechnisch zweckmäßig ausgeführt werden kann. In diesem Falle werden jeweils die eine planparallele Platte und die an diese anschließenden Prismen aus einem Rohling angefertigt, in den dann die aus dem anderen Material gefertigten Prismen auf einfache Weise eingepaßt werden können. Anschließend kann dann die zweite sägezahnförmige Platte aufgesetzt und mit der ersten Platte verbunden werden.Fig. -5 shows on the basis of an embodiment how a system from several individual elements can be carried out expediently from a manufacturing point of view. In this case, the one plane-parallel plate and the one adjoining it are in each case Prisms made from a blank, in which then those made from the other material manufactured prisms can be fitted in a simple manner. Then can then the second sawtooth-shaped plate is placed and connected to the first plate will.

- Patentansprüche - - patent claims -

Claims

Claims) prism system consisting of a group of four straight prisms with a triangular cross-section in combination with two parallel prisms Mirror surfaces, characterized in that the prisms (2, 3) form a symmetrical one cuboid structures are assembled that a longitudinal axis of each prism in the longitudinal axis of the cuboid falls and the base surfaces opposite these longitudinal axes of the prisms form the shell of the cuboid, furthermore that two opposite one another Prisms have the same shape and size.

2. Prism system according to claim l, characterized in that two each opposing prisms (2 or 3) each made of the same materials exist whose refractive indices in the spectral scope differ from those differentiate which the material of the other two prisms possesses.

3. prism system according to claims 1 and 2, characterized in that that two opposing prisms (2 or 3) consist of air.

4. prism system according to claims l to 3, characterized in that that media are selected that are within a given angular range only result in total reflection at each refractive surface of the front prism.

5. prism system according to claims 1 to 4, characterized in that that the assembled individual elements are supported by two transparent plane-parallel plates ~ (4 and 5) held together to form a compact, closed system results.

6. prism system according to claims 1 to 5, characterized in that that one of the four prisms or a total of two prisms (2 or 3) through a transparent one Liquid can be realized.

7. prism system according to claims 1 to 6, characterized in that that the mirror surfaces by steaming two or only one of the prism base surfaces will be realized.