Призмы с одной и двумя отражающими поверхностями. Полное внутреннее отражение.

Призма – простейший оптический прибор, представляющий однородное прозрачное тело, ограниченное плоскими поверхностями, расположенными относительно друг друга под определенными углами. Ребра призмы параллельны.

Отражающее действие призмы основано на явлении полного внутреннего отражения.

Отражающие призмы применяются в кинооптике в следующих случаях:

• Для изменения направления оптической оси прибора.
• Для оборачивания изображения.

В обоих случаях вместо призм можно применять зеркала, но призмы имеют перед зеркалами следующие преимущества:

1. В призмах отсутствуют потери света при отражении, тогда как в каждом зеркале эти потери составляют, примерно, 5 или 10 %.
2. Поверхности призм не требуют серебрения. Это существенно, потому что амальгама зеркала не прочна и часто подвергается техническим повреждениям.
3. Призмы конструктивно устойчивее, чем зеркала: угол между отражающими поверхностями у призм постоянен, тогда как в зеркальных системах – вследствие температурных воздействий на оправу, толчков при транспортировке и т.д. – углы между зеркалами могут изменяться.
4. При применении призм отсутствует двоение изображения. В зеркалах с внутренним серебрением всегда бывает два изображения: основное, отраженное от плоскости амальгамы, и второе, слабое, отраженное от поверхности стекла. Избежать этого возможно, применяя зеркала с наружным серебрением, но такое серебрение еще менее прочно.

Основное правило отражающей призмы:

Угол падения луча на отражающую поверхность призмы всегда должен быть больше предельного угла того сорта стекла, из которого призма сделана.

Если угол падения луча на отражающую грань призмы будет меньше предельного угла, то этот луч не отразится от грани, а пройдет ее и, соответственно преломившись, выйдет в воздух.

Чаще всего в конструкциях приборов с отражающими призмами применяется угол падения луча, равный 45^о.

Коэффициент преломления стекла в этом случае должен быть больше 1,414, так как n = 1 / sin a; 1 / sin45^o = 1 / 0,707 = 1,414.

Обычно берется стекло с коэффициентом преломления около 1,6. В этом случае предельный угол получается 35^о – 40^о.

Стекла с большим коэффициентом преломления для отражающих призменных систем обычно не применяются, так как они в большинстве случаев менее прозрачны. Если в обычном оптическом стекле потери света на поглощение составляют примерно 1% на 1 сантиметр хода луча в стекле, то в тяжелых стеклах потери доходят до 3%.

Чтобы легче разбираться в действии оптического прибора с применением призм полного отражения, есть еще 2 правила:

1. Если луч проходит через призму или систему призм, и число его отражений – не четное, то изображение будет зеркальным, неконгруэнтным, то есть в изображении будет перемещение правой и левой стороны. В случае же четного числа отражений изображение будет прямое.

2. Если в призме 2 отражающие грани, то призма отклоняет луч от первоначального направления на угол, в два раза больший, чем угол между отражающими гранями, причем угол отклонения не зависит от угла падения луча на первую отражающую грань.

Оба эти правила остаются верными также и для зеркальных систем.

Трехгранные призмы с одной отражающей гранью:

1. Прямоугольная призма:

Прямоугольная призма применяется вместо плоского зеркала и дает отклонение луча на 90^о. Изображение при этом получается зеркальное, неконгруэнтное.

1. Призма Дове:

Если лучи падают на прямоугольную призму параллельно ее гипотенузной грани, то мы имеем случай Дове. Прямой угол в таких призмахчасто срезается, и образуется грань, параллельная гипотенузной грани.

Призма Дове не отклоняет и не смещает лучей. Она дает зеркальное изображение.

Трехгранные призмы с двумя отражающими гранями:

1. Прямоугольная призма:

Если в прямоугольной призме входной гранью сделать гипотенузную грань, то лучи будут притерпевать двукратное полное внутренне отражение от катетных граней.

При таком ходу луча призма отклоняет его на 180^о (угол между отражающими поверхностями 90^о).

Изображение будет конгруэнтное, не зеркальное (число отражений в ходе луча четное).

В некоторых устройствах применяются 2 призмы, однако принцип действия и правила остаются теми же.

1. Призма-ромб:

Дает прямое изображение предмета, так как число отражений четное.

Отклонения луча призма не дает (угол между отражающими гранями равен нулю: они параллельны), но дает некоторое смещение оптической оси. Величина смещения зависит от расстояния между отражающими гранями.

Чтобы увеличить смещение, призм иногда (как в случае прямоугольной призмы с двумя отражениями) расщепляют на две прямоугольные призмы.

Именно таково визирное устройство в киносъемочной камере «Москва». Прямоугольную призму, размещенную за кадровым окном, и прямоугольную призму лупы можно рассматривать как расщепленную призму-ромб.

Пентапризмы:

Имеют угол между отражающими гранями 45^о, поэтому отклоняют луч на 90^о.

Изображение прямое (число отражений - два).

Применяются для визирования кадра в малоформатных зеркальных камерах.

Поскольку гол падения луча на отражающую грань призмы, всего лишь 22,5^о,то есть значительно меньше, предельного угла, то полного внутреннего отражения наблюдаться не будет.Поэтому 2 отражающие грани пентапризмы серебрят.

По существу, эти две отражающие грани являются зеркалами, то есть призма работает по принципу двух зеркал, стоящих под углом.

Серебрение отражающих граней в призмах применяется в практике довольно часто, но призмы в этих случаях теряют одно из своих преимуществ: изображение в силу потерь света будет менее яркое, чем при полном внутреннем отражении.

Дополнения:

Внутреннее отражение — явление отражения электромагнитных или звуковых волн от границы раздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость ее распространения меньше (в случае световых лучей это соответствует бо́льшему показателю преломления).

Неполное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения меньше критического угла. В этом случае луч раздваивается на преломлённый и отражённый.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

В оптике это явление наблюдается для широкого спектра электромагнитного излучения, включая рентгеновский диапазон.

В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снелла. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», которая экспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

Дата добавления: 2015-08-17