DE340612C - Geradsichtiges Aufrichteprisma mit fuenf totalreflektierenden Flaechen - Google Patents

Description

• Geradsichtiges Aufrichteprisma mit fünf totalreflektierenden Flächen. Die Aufrichteprismen, welche das Bild einseitig umkehren, also entweder rechts und links oder oben und unten vertauschen, werden meist in der Form geradsichtiger Prismen gebaut, d. h., die Achse des eintretenden Strahlenbüschels fällt mit der des austretenden in eine Gerade, die optische Achse des Prismas, zusammen. Gebraucht werden sie überall da, wo es sich darum handelt, ein durch einfache Spiegelung umgewendetes Bild entweder richtig zu stellen oder vollständig umzukehren. Besondere Verwendung haben sie beim Periskop und beim Rundblickfernrohr gefunden, wo dem um eine vertikale Achse drehbaren Spiegelprisma ein Aufrichteprisma mit halber Geschwindigkeit nachgedreht wird, um die Drehung des Bildes im Gesichtsfeld des Okulars aufzuheben.
• Das gebräuchlichste Aufrichteprisma ist das Zeißsche, welches neben einer zur optischen Achse parallelen totalreflektierenden Fläche zwei gegen die optische Achse um 6o' geneigte Eintrittsflächen aufweist. Die Schnittlinie der letzteren liegt parallel der spiegelnden Fläche. Ein parallel der optischen Achse eintretendes Strahlenbüschel wird an den Endflächen entgegengesetzt gleich stark gebrochen und die entgegengesetzt gleiche Farbenzerstreuung dadurch aufgehoben. Trotz seiner Einfachheit weist dieses Prisma drei wesentliche Mängel auf: 1. Das Gesichtsfeld ist sehr klein, denn für gewöhnliches Glas ist die lange Seite des Längsschnitts das 11,9 fache, die, ihr parallele kürzere Seite das 9,6 fache vom Radius des durchgehenden Lichtzylinders. 2. Durch die Schrägstellung der Eintrittsflächen gegen a die optische Achse geht viel Licht beim Eintritt durch Reflexion verloren. 3. Infolge dieser Schrägstellung tritt zwar ein achsenparalleles Strahlenbüschel wieder als solches aus, .zentrische Strahlenbüschel dagegen werden stark astigmatisiert,; deshalb wird das Bild naher Gegenstände bis zur Undeutlichkeit verzerrt, und es ist unmöglich, das Prisma zwischen Objektiv und Okular eines Fernrohrs einzubauen. Alle anderen Aufrichteprismen werden daher mit senkrecht zur optischen Achse stehenden Endflächen versehen.
• Das Aufrichteprisma von Amici hat drei totalreflektierende Flächen, deren Schnittlinien senkrecht zur optischen Achse stehen. Die erste und dritte Fläche sind gegen diese um 1/4 R und 7/4 R geneigt, die zweite liegt ihr parallel. Die Achse des durchgehenden Strahlenbüschels bleibt in einer Ebene und wird an der ersten und dritten Fläche um je il/, R, an mittleren um 1 R abgelenkt. Die Länge des Prismas zwischen den Endflächen beträgt mindestens das 9,7fache, der mittlere Lichtweg das z1,7fache vom Radius des durchgehenden Lichtzylinders, also auch hier ein kleines Gesichtsfeld.
• Ein Aufrichteprisma mit-fünf totalreflektierenden Flächen ist im Patent 3z2,315, Anspruch 2, enthalten. Auf die Endflächen -des in den Fig. 21 bis 24 dieser Patentschrift dar- _. gestellten dreiflächigen Rückkehrprismas werden zwei einfache rechtwinklig ablenkende Spiegelprismen von gleicher Größe mit voneinander abgewendeten Endflächen aufgesetzt. Dabei ist zu beachten, daß das Rückkehrprisma um eine zur SSmmetrieebene senkrechte Gerade verdreht werden kann, wenn nur die Endflächen ihre Lage beibehalten. Die Herstellung aus einem einzigen Stücke Glas ist einfach, weil die spiegelnden Teile der Aufsätze einander nicht berühren, wie dies beim Amiciprisma der Fall ist. Die Länge zwischen den Endflächen ist das 4,3 fache, der Lichtweg das ro,2 fache vom Radius des durchgehenden Lichtzylinders. Das Gesichtsfeld ist ziemlich größer als bei Zeiß und Amici, die Länge zwischen den Endflächen bedeutend kürzer, dagegen erfordert die Dachwirkung zwischen der ersten und zweiten Fläche des Rückkehrprismas besondere Sorgfalt in der Herstellung und Erhaltung der Dachkante. Auch hier bleibt der Mittelstrahl in einer Ebene.
• Auch das in den Fig. 12 bis 14 der genannten Patentschrift dargestellte Rückkehrprisma kann durch.rechtwinklig abbiegende, gleich große Aufsatzprismen mit voneinander abgewendeten Endflächen zu einem Aufrichteprisma mit fünf reflektierenden Flächen umgewandelt werden: Hier bleibt die Lichtbüschelachse nicht in einer Ebene, und es findet keine Dachwirkung statt, dagegen bietet die Herstellung aus einem einzigen Glasstück größere Schwierigkeit. Die mittlere Weglänge und die Länge des Prismas sind etwas größer als beim vorhergehenden Prisma.
• Dem im folgenden beschriebenen Aufrichteprisma liegt die Forderung zugrunde, sowohl die Herstellung aus einem Glasstück zu ermöglichen dadurch, daß bei einspringenden Winkeln die zur Reflexion dienenden Flächenteile,genügenden Abstand voneinander haben, als auch den Lichtweg im Glase zu verkleinern und damit das Gesichtsfeld zu vergrößern, indem die Lichtachse an allen spiegelnden Flächen gleich große Einfallswinkel bildet. Außerdem soll die Länge zwischen den Endflächen möglichst kurz sein.
• Um eine leichte Übersicht über den Zusammenhang der reflektierenden Flächen zu geben und zugleich die Herstellung eines Modells zu erleichtern, dienen die Fig. i und ?- Diese stellen in Grund- und Aufriß eine symmetrische fünfseitige Säule dar, aus welcher durch zwei gegen die Säulenachse und zugleich gegen die Symmetrieebene der Säule entgegengesetzt gleich geneigte Ebenen ein keilförmiges Stück herausgeschnitten ist. Die Grundflächen der Säule bilden die Endflächen, die beiden Ebenen des Keils die erste und fünfte, die drei durch den Ausschnitt nicht berührten Mantelflächen die zweite, dritte und vierte spiegelnde Fläche. In Fig. i ist C D E F G der Querschnitt der Säule mit Symmetrielinie C Y. Bedeutet u den durch die Gleichung sin 6 as + sing 5 u - o bestimmten Winkel von 49"50'35,5"*, ferner j einen Winkel von 50°.¢8'i7" bestimmt durch die Gleichung 2 sin f . cos u = i, so ist im Fünfeck C D E F G Winkel E = F = 2u, Winkel D = G = go ° + u und Winkel C = 36o°-6u. Ein Kreis A, welcher einerseits die Seiten C D und C G, anderseits die durch E und F zu ihnen gezogenen Parallelen berührt, stellt den Grundriß von Ein- und Austrittskreis dar. Wird der Radius dieses Kreises mit y bezeichnet, so ist DE = EF = FG = 2y/cosu, ferner die Höhe C Cl (Fig. 2) = 4rtgi. Werden (in der Figur nicht gezeichnet) an Kreis A Tangenten senkrecht C D und C G gezogen, die einander auf C Y in 0 schneiden und durch 0 eine zu C Y senkrechte Ebene gelegt, so liegt in dieser die Kante K KI des Einschnittes, welche im Aufriß mit C Cl den Winkel KI 0 C = 58'9'13" bildet, bestimmt durch die Gleichung ctg K 10C = sin 3 u - tgi. Auf den Grundflächen sind die Punkte MN und Ml NI gegeben durch Tangenten an Kreis A senkrecht zu C D und C G; also ist die erste Spiegelfläche M N KI K, die fünfte Ml NI KKI. Die Achse des in E, durch die obere Endfläche eindringenden Lichtzylinders vom Radius r wird an der ersten Fläche in Al (Fig. 3 und 4, die das ausgeführte Prisma in Grund- und Aufriß darstellen), an der zweiten Fläche (D E E1 Dl Fig. i und 2) in A 2, an der dritten Fläche (E F F' El) in A3, an der vierten (F G G" F1) in A4 und an der fünften Fläche in A ° reflektiert und geht dann in El senkrecht durch die untere Endfläche. Sämtliche Reflexionswinkel haben die Größe j, daher haben die Lichtachsenstücke Al A 2, A 2 A 3, A3A4, A4A6 sämtlich die gleiche Neigung von 2 y - go ° gegen die Grundebene, und die auf jeder Fläche zur Reflexion des zylindrischen Lichtraums benötigten Flächenstücke sind kongruente Ellipsen mit den Halbachsen y cos y und y. Der Abstand der Mittelpunkte A 2 und A4 von der mittleren Querschnittsebene ist z y - tgii - tg (2 9 - go). Die großen Achsen der Ellipsen A2, A3, A4 sind gegen die Querschnittsebene um einen Winkel geneigt, dessen Cosinus gleich tg u - ctg j ist.
• Zeichnet man diese Ellipsen auf das in den Fig. i und 2 dargestellte Modell so auf, daß Ellipse A1 (A b) die KanteMN (MIN') im Scheitel der großen und die Kante M K (Ml KI) im Scheitel der kleinen Achse berührt, ferner jede der drei Ellipsen A2, A3, A4 je zwei der Säulenkanten DDI, EEI, FF', GGI, und denkt man sich die Öffnungskreise und Reflexionsellipsen der Reihe nach durch Zylinderstücke vom Radius y verbunden, so bilden diese Stücke das Skelett des Prismas. Aus dem Säulenmodell erhält man das Modell für das Glas, wenn das außerhalb der Zylinderstücke gelegene Material so weggenommen wird, daß einspringende Ecken ausgefüllt bleiben, einspringende Kanten durch Hohlkehlen abgerundet werden und die einspringende Kante E KI durch eine im Zwischenraum zwischen den Ellipsen Al und A,5 laufende, etwas vertiefte Hohlkehle ersetzt wird. Der große Winkel zwischen der ersten und fünften Fläche und die letztere Hohlkehle gestatten leicht den Schliff aus einem einzigen Glasstück. In den Fig. 3 und 4 sind an Stelle der abgerundeten Begrenzungen ebene Begrenzungsflächen gewählt, welche die einzelnen Zylinderstücke berühren und teils zur optischen Achse parallel gehen, teils auf der Symmetrieebene der Säule senkrecht stehen. Dabei sind die Buchstaben M, N, Ml, NI durch die Zahlen i, 2, il, 21 ersetzt. Es bedeuten

  i, 2, 3, 4, 5, 6. 7 die obere Endfläche mit dem Eintrittskreis Eo,

  i, 2, 8, 2o, 2o1, 171, i61, 12 erste Spiegelfläche mit der Ellipse Al,

  13, 14, i8, i91, i51, i61 zweite - - - - A2,

  18, ig, 181, igl dritte - - - - A3,

  i31, i41, i81, 19, 15, i6 vierte - - - - A4>

  il, 21, 81, 201, 20, 17, 16, 12 fünfte - - - - A 6,

  il, 21, 31, 41, 51, 61, 71 die untere Endfläche mit dem Austrittskreis El.

  Begrenzungsebenen sind: i, 7, 12; 5, 6, 11, io ; 4, 5, 10, 9 ; 2, 3, 8 als Berührungsebenen an das erste Zylinderstück; 7, 6, 11, 131, 161, 12; 3, 4, 9, 17, 8 an das erste und zweite Zylinderstück; 9, io, ir, 13, 14, 15, 16, 17 an das zweite Zylinderstück; 14, i5, i9 an das Stück zwischen A 2 und A 3. Weitere Begrenzungsebenen als Berührungsebenen der drei letzten Zylinderstücke ergeben sich aus den schon genannten durch Vertauschung der Indizes. Als Abstand der Endflächen ergibt sich 4,90 y, als Länge des Lichtweges 8,44 y.- Der letztere Wert ist noch ziemlich kleiner als der bei dem an dritter Stelle genannten Prisma, das unter allen bisher bekannten Aufrichteprismen den kürzesten Lichtweg aufwies, sehr bedeutend kleiner als bei den Prismen von Zeiß und Amici. Der seitliche Abstand der dritten Fläche von der Achse ist 4,61 y.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Geradsichtiges, einseitig bildwendendes Aufrichteprisma mit fünf totalreflektierenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und fünfte Fläche einerseits, die zweite und vierte Fläche anderseits gegen eine durch die optische Achse gehende Meridianebcne entgegengesetzt gleiche Neigung haben, und daß die erste und fünfte Fläche auch gegen die optische Achse entgegengesetzt gleich geneigt sind. Die zweite, dritte und vierte Fläche liegen zur optischen Achse parallel. Die Achse des durch das Prisma geleiteten Lichtbüschels hat von der ersten bis zur fünften Fläche zur optischen Achse gleiche Neigung und an allen fünf Flächen gleiche Einfallswinkel.