RU2075766C1 - Prism to rotate image - Google Patents
Prism to rotate image Download PDFInfo
- Publication number
- RU2075766C1 RU2075766C1 RU93006534A RU93006534A RU2075766C1 RU 2075766 C1 RU2075766 C1 RU 2075766C1 RU 93006534 A RU93006534 A RU 93006534A RU 93006534 A RU93006534 A RU 93006534A RU 2075766 C1 RU2075766 C1 RU 2075766C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- faces
- refracting
- reflecting
- rays
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическим устройствам для вращения изображения в каналах оптических приборов, отличающихся высокими требованиями по светосиле и массе при работе в параллельных пучках лучей. The invention relates to optical devices for image rotation in the channels of optical devices, characterized by high requirements for aperture ratio and weight when working in parallel beams of rays.
Известна призма Дове для вращения изображения (см. Ю.Г.Кожевников Оптические призмы. М. Машиностроение, 1984, с. 9 [1] состоящее из одного компонента, имеющего одну отражающую и две преломляющие грани, главное сечение которого представляет собой равнобочную трапецию, а угол между преломляющей и отражающей гранями составляет 45o.The well-known Dove prism for image rotation (see Yu.G. Kozhevnikov Optical prisms. M. Mashinostroenie, 1984, p. 9 [1] consisting of one component having one reflective and two refracting faces, the main section of which is an isosceles trapezoid, and the angle between the refractive and reflective faces is 45 o .
В этой призме цилиндрический поток параллельных лучей попадает на первую преломляющую грань, отклоняется ею в направлении отражающей грани, претерпевает полное внутреннее отражение и выходит через вторую преломляющую грань в первоначальном направлении. In this prism, a cylindrical stream of parallel rays hits the first refracting face, deflects it in the direction of the reflecting face, undergoes total internal reflection and exits through the second refracting face in the original direction.
Несмотря на простоту построения, призма характеризуется большой геометрической длиной хода лучей для единичного диаметра светового потока, вызывающей большие потери потока излучения, и большой массой. Оба параметра особенно важны при конструировании малогабаритных приборов ИК- диапазона. Despite the simplicity of construction, the prism is characterized by a large geometric path of rays for a unit diameter of the light flux, which causes large losses of the radiation flux, and a large mass. Both parameters are especially important when designing small-sized infrared devices.
Более компактной конструкцией обладает призма Пехана (см. там же, с.12). Однако для этой призмы геометрическая длина хода лучей более чем в два раза превосходит длину хода лучей в призме Дове, а число оптических поверхностей, вызывающих потери мощности потока излучения, увеличивается в 3 раза. The Pehan prism has a more compact design (see ibid., P. 12). However, for this prism, the geometric path length of the rays more than doubles the path length of the rays in the Dove prism, and the number of optical surfaces causing loss of radiation flux power increases by 3 times.
Вследствие больших оптических потерь, габаритов и массы призмы Дове и Пехана невыгодны для применения в малогабаритных светосильных системах ИК-диапазона спектра. Due to the large optical losses, dimensions and mass, the Dove and Pehan prisms are not suitable for use in small-sized aperture systems of the infrared spectrum.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является призма-куб для вращения изображения (см. так же, с. 26 [3] выбранная в качестве прототипа. Призма-куб выполнена из двух одинаковых компонентов, расположенных симметрично относительно оптической оси, каждый из которых имеет параллельную ей отражающую грань и две преломляющие грани. Компоненты совмещены между собой отражающими гранями. Главное сечение каждого компонента представляет собой равнобедренную трапецию, а угол между преломляющей и отражающей гранями составляет 45o.Closest to the claimed invention is a prism cube for image rotation (see also, p. 26 [3] selected as a prototype. The prism cube is made of two identical components located symmetrically relative to the optical axis, each of which has a parallel to it reflecting face and two refracting faces. The components are aligned with each other by reflecting faces. The main section of each component is an isosceles trapezoid, and the angle between the refracting and reflecting faces is 45 o .
Призма-куб разделяет входящий цилиндрический поток параллельных лучей на два полуцилиндрических потока, каждый из которых, преломившись на входной грани, претерпевает однократное полное внутреннее отражение, инвертируется и, преломившись на выходной грани, выходит в первоначальном направлении, смыкаясь со смежным потоком по внешней полуцилиндрической образующей. Призма-куб обеспечивает наиболее короткую геометрическую длину хода лучей в материале, и соответственно наименьшую массу. The prism-cube divides the incoming cylindrical stream of parallel rays into two semi-cylindrical flows, each of which, having refracted on the input face, undergoes a single total internal reflection, is inverted and, having refracted on the output face, leaves in the original direction, closing with the adjacent flow along the external semicylindrical generatrix . Prism-cube provides the shortest geometric path length of the rays in the material, and accordingly the smallest mass.
Существенным недостатком этой призмы является ее свойство разделять цилиндрический поток лучей и оборачивать образовавшиеся полуцилиндрические потоки с потерей их кругового сечения на выходе. При сопряжении такого трансформированного потока с круглым входным зрачком последующих оптических элементов теряется за счет виньетирования около 46% его первоначальной мощности. Таким образом, призма-куб также имеет низкое итоговое пропускание излучения на единицу массы. A significant drawback of this prism is its ability to separate the cylindrical stream of rays and wrap the resulting semi-cylindrical flows with the loss of their circular cross section at the exit. When pairing such a transformed stream with a round entrance pupil of subsequent optical elements, about 46% of its initial power is lost due to vignetting. Thus, the prism-cube also has a low total radiation transmission per unit mass.
Задачей изобретения является увеличение пропускания излучения на единицу массы призмы. The objective of the invention is to increase the transmission of radiation per unit mass of the prism.
Указанная задача решается за счет того, что в призме для вращения изображения, выполненной из двух одинаковых компонентов расположенных симметрично относительно оптической оси, каждый из которых имеет параллельную ей отражающую грань и две преломляющие грани, главное сечение компонента представляет собой параллелограмм, компоненты соединены между собой гранями, противолежащими отражающими, а угол между преломляющей и отражающей гранями определяется из уравнения:
где n-показатель преломления материала призмы.This problem is solved due to the fact that in the prism for rotation of the image made of two identical components located symmetrically relative to the optical axis, each of which has a reflecting face parallel to it and two refracting faces, the main section of the component is a parallelogram, the components are interconnected by faces , opposite reflecting, and the angle between the refracting and reflecting faces is determined from the equation:
where n is the refractive index of the prism material.
На фиг. 1 представлена конструкция призмы для вращения изображения и ход лучей в ней. In FIG. 1 shows the construction of a prism for image rotation and the path of rays in it.
Призма для вращения изображения выполнена из двух одинаковых компонентов 1 и 1', главное сечение каждого из которых представляет собой параллелограмм. Компоненты 1 и 1' имеют по одной отражающей 2 и 2' и по две преломляющие 3, 3' и 4, 4' грани, оптически соединены между собой гранями 5, 5' в плоскости, совпадающие с оптической ось 00', и расположены симметрично относительно этой оси. Угол В между преломляющей гранью 3(3') и отражающей гранью 2(2') определяется из выражения:
Соединение компонентов 1 и 1' между собой может быть осуществлено либо склейкой (оптический клей выбирается в зависимости от материала призмы), либо по технологии глубокого оптического контакта.The prism for image rotation is made of two
The connection of
Минимальная длина оптического пути луча, входящего в призму параллельно оптической оси, будет соответствовать условию, когда он после отражения от грани 2(2') пойдет параллельно плоскости входной грани 3(3'), что эквивалентно условиям взаимной параллельности противоположных сторон в четырехугольнике ABCD и равенству углов при основаниях треугольников ABC и ACD, параллельных оптической оси. The minimum length of the optical path of the beam entering the prism parallel to the optical axis will correspond to the condition when it, after reflection from the face 2 (2 '), goes parallel to the plane of the input face 3 (3'), which is equivalent to the conditions of mutual parallelism of opposite sides in the quadrangle ABCD and equal angles at the bases of triangles ABC and ACD parallel to the optical axis.
Сумма внутренних углов в равнобедренном треугольнике ABC определится равенством
2В+А=180o
Используя связь между углами A и B в треугольнике ABC с углами падения i и преломления r луча, параллельного оптической оси OO', на преломляющую поверхность 3 призмы, получаем:
где n показатель преломления материала призмы, можно выразить угол A через угол B
Подстановка (2) и (1) приводит к искомому выражению:
где n показатель преломления материала призмы.The sum of the internal angles in an isosceles triangle ABC is defined by the equality
2B + A = 180 o
Using the relationship between the angles A and B in the triangle ABC with the angles of incidence i and the refraction r of the beam parallel to the optical axis OO 'on the refractive surface 3 of the prism, we obtain:
where n is the refractive index of the prism material, angle A can be expressed in terms of angle B
Substitution (2) and (1) leads to the desired expression:
where n is the refractive index of the prism material.
Уравнение может быть решено относительно параметра B методом последовательных приближений или графоаналитическим методом. Так для материала ПО-4 (n≈2,4) угол B составит величину B≈39o. Точность определения угла B может быть ограничена величиной порядка 1 угл.мин. вследствие того, что призма работает в параллельных пучках лучей.The equation can be solved with respect to parameter B by the method of successive approximations or by the graphoanalytical method. So for the PO-4 material (n≈2.4), the angle B will be B≈39 o . The accuracy of determining the angle B can be limited to about 1 arcmin. due to the fact that the prism operates in parallel beams of rays.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Цилиндрический параллельный поток лучей входит в устройство и, преломившись на гранях 3, 3' разделяется на два симметричных полуцилиндрических потока. Преломившись полуцилиндрические потоки претерпевают однократное полное внутреннее отражение с инвертированием на гранях 2, 2', переходят через плоскость соединения 5, 5' в сопряженные компоненты и замещают друг друга. После повторного преломления на гранях 4, 4' полуцилиндрические потоки выходят из устройства. A cylindrical parallel beam stream enters the device and, being refracted on the faces 3, 3 ', is divided into two symmetric semi-cylindrical flows. Refracting semi-cylindrical flows undergo a single total internal reflection with inversion on the
Вследствие однократного полного внутреннего отражения, инвертирования и взаимного замещения, полуцилиндрические потоки, складываясь на выходе устройства, сохраняют цилиндрическое сечение выходного пучка с вращением изображения. Due to a single total internal reflection, inversion, and mutual substitution, semi-cylindrical flows, folding at the output of the device, retain the cylindrical section of the output beam with image rotation.
Геометрическая длина хода луча в устройстве для потока диаметром d оценится по формуле
где r угол преломления луча, определяемый по формуле
Площадь главного сечения устройства оценится по формуле
а масса призмы оценится по формуле
M = ρ•d•S = ρd3[tg i+ctg (i-r)],
где ρ-плотность вещества призмы.The geometric path length of the beam in the device for flow with a diameter d is estimated by the formula
where r is the angle of refraction of the beam, determined by the formula
The main cross-sectional area of the device is estimated by the formula
and the mass of the prism is estimated by the formula
M = ρ • d • S = ρd 3 [tg i + ctg (ir)],
where ρ is the density of the prism substance.
Для материала ПО 4 (n 2,4) длина хода лучей в призме составит
l≃ 1,8 d
Пропускание потока излучения (без учета отражения на входной и выходной гранях) для d=3 см и удельного показателя поглощения κ = 0,01 см-1 составит
Масса призма для плотности материала ПО-4 ρ=5,27 г/см3 составит 178 г.For material PO 4 (
l≃ 1,8 d
The transmittance of the radiation flux (excluding reflection on the input and output faces) for d = 3 cm and specific absorption coefficient κ = 0.01 cm -1 will be
The mass of the prism for the density of the PO-4 material ρ = 5.27 g / cm 3 will be 178 g.
Величина отношения пропускания призмы к ее массе, как критерий сравнения, для предлагаемого устройства оценится величиной
Сравнительные технические характеристики предлагаемой и рассмотренных призм для материала ПО-4 и диаметра светового потока d=3 см приведены в таблице.The ratio of the transmission of the prism to its mass, as a comparison criterion, for the proposed device is estimated by the value
Comparative technical characteristics of the proposed and considered prisms for the PO-4 material and luminous flux diameter d = 3 cm are given in the table.
Таким образом, призма предлагаемой конструкции обеспечивает достижение максимального пропускания излучения на единицу массы среди известных призм для вращения изображения в параллельных пучках лучей за счет сохранения цилиндрического сечения потока лучей при относительно коротком геометрическом ходе лучей. Thus, the prism of the proposed design ensures maximum transmission of radiation per unit mass among the known prisms for image rotation in parallel beams of rays due to the preservation of the cylindrical section of the beam flux with a relatively short geometric path of the rays.
Claims (1)
где n показатель преломления материала призмы.A prism for rotating an image made of two identical components located symmetrically with respect to the optical axis, each of which has a reflecting face parallel to it and two refracting faces, characterized in that the main section of the component is a parallelogram, the components are interconnected by faces that are opposite to the reflecting, and the angle B between the refracting and reflecting faces is determined from the equation
where n is the refractive index of the prism material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93006534A RU2075766C1 (en) | 1993-02-01 | 1993-02-01 | Prism to rotate image |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93006534A RU2075766C1 (en) | 1993-02-01 | 1993-02-01 | Prism to rotate image |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93006534A RU93006534A (en) | 1995-04-30 |
| RU2075766C1 true RU2075766C1 (en) | 1997-03-20 |
Family
ID=20136714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93006534A RU2075766C1 (en) | 1993-02-01 | 1993-02-01 | Prism to rotate image |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2075766C1 (en) |
-
1993
- 1993-02-01 RU RU93006534A patent/RU2075766C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Кожевников Ю.Г. Оптические призмы. - М.: Машиностроение, 1984, с.9. 2. Там же, с.12. 3. Там же, с.26. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5285318A (en) | Illumination system having an aspherical lens | |
| US8210689B2 (en) | Projection system | |
| US5016980A (en) | Systems for deviating and (optionally) converging radiation | |
| WO2001075492A2 (en) | Optical system including coupler for transmitting light between a single fiber light guide and multiple single fiber light guides | |
| WO1999008144A1 (en) | Optical device for modifying the angular and spatial distribution of illuminating energy | |
| US4128308A (en) | Optical system for changing the cross sectional dimensions of a collimated beam of light | |
| US20060233492A1 (en) | Optical beam combiner/concentrator | |
| US5842765A (en) | Tricolor lighting system | |
| RU2075766C1 (en) | Prism to rotate image | |
| US8511876B2 (en) | On-axis monolithic ellipsoidal lens for optical coupling systems | |
| ES462434A1 (en) | Prism combination periscope | |
| US4119980A (en) | Prism camera | |
| US7837340B2 (en) | Telescope multiple discrete segment primary mirror | |
| US1975302A (en) | Finder for photographic cameras | |
| SU1401425A1 (en) | Reflecting prism | |
| US2464209A (en) | Reflex sight with large exit pupil | |
| SE467941B (en) | SETTING UP ARRANGEMENTS IN AN OPTICAL INSTRUMENT | |
| SU718818A2 (en) | Optical filter | |
| RU93006534A (en) | PRISM FOR IMAGE ROTATION | |
| SU1755243A1 (en) | Prism telescope | |
| SU1644064A1 (en) | Optical element with abnormal total internal reflection | |
| RU1793411C (en) | Telephoto lens | |
| SU1727094A1 (en) | Optical element of disturbed total internal reflection | |
| SU1658109A1 (en) | Adjustable optical filter | |
| SU693749A1 (en) | Light scattering device |