Оптическая призма своими руками

Призмами называют оптические детали или оптические системы деталей (объединенные в единый блок) с плоскими рабочими поверхностями (гранями), на которых происходит преломление или отражение оптического излучения.

В оптических приборах призмы применяют в следующих целях:

  • ? для изменения хода лучей, направления оптической оси системы и направления линии визирования;
  • ? для оборачивания изображения;
  • ? для уменьшения габаритов системы;
  • ? для разделения или объединения пучков лучей, полей или изображений;
  • ? для вращения изображения или компенсации поворота изображения;
  • ? сканирования изображения или модулирования излучения;
  • ? для разложения света в спектр;
  • ? для поляризации света;
  • ? для целей юстировки и аттестации приборов, создания измерительных баз. Призмы подразделяют обычно на две группы: отражательные и спектральные (к группе спектральных относят также поляризационные, модулирующие и отклоняющие излучение призмы на основе физических эффектов в их материалах при воздействии на них электрических или магнитных полей).

Самой многочисленной группой являются отражательные призмы, на примере которых рассмотрим некоторые аспекты их конструирования.

По своему действию на световой пучок отражательные призмы подобны зеркалам, однако в ряде случаев призмы более эффективны, чем зеркала. Преимущества отражательных призм по отношению к зеркалам:

  • ? углы между гранями призмы неизменны, тогда как углы между зеркалами должны регулироваться с большой точностью при сборке и могут разъюстироваться в процессе эксплуатации;
  • ? потери света у призм от граней с полным внутренним отражением равны нулю, тогда как при отражении от поверхностей зеркал потери довольно велики; кроме того, отражающие покрытия зеркал с течением времени могут портиться;
  • ? конструкция крепления призм в оправах, как правило, проще, чем у системы зеркал, и обладает меньшими габаритами;
  • ? для некоторых призм нет эквивалентных зеркальных систем (например, для призмы Дове, полупенты, некоторых видов спектральных призм). Замена отражательных призм зеркалами целесообразна в тех случаях, когда имеют значение вес прибора, так как зеркала значительно легче призм; при высокой стоимости оптического материала; для достижения требуемого качества изображения, так как призмы являются источниками хроматических и других аберраций, особенно в случаях их работы в сходящемся пучке лучей.

Рабочие и нерабочие поверхности (грани) призмы представляют собой плоскости (иногда одна из рабочих преломляющих поверхностей выполняется сферической — для придания призме кроме отражательного еще и фокусирующего действия).

Рабочие поверхности подразделяют на преломляющие, через которые световой пучок входит в призму или выходит из нее, и отражающие, от которых пучок отражается при прохождении внутри призмы.

Число рабочих граней и взаимное их расположение определяют ход пучка внутри призмы и все преобразования пучка, которые при этом происходят.

Если осевой луч проходит внутри призмы в одной плоскости, то такую призму называют плоской. Если осевой луч идет в двух плоскостях, то такая призма называется пространственной.

Сечение призмы плоскостью, в которой проходит осевой луч пучка, называется главным сечением призмы, у плоских призм одно главное сечение, у пространственных главных сечений столько, сколько плоскостей, в которых проходит осевой луч.

Отражательные призмы подразделяют на простые (их называют также одинарными), выполненные из одной заготовки материала (рис. 8.12), и составные (призменные блоки), представляющие собой комбинации из двух

Рис. 8.Х2 Отражательные призмы с одним (а, в) и двумя (б) отражениями

Составные призмы: а, б — башмачные; в — Пехана; г — Аббе.

Призмы с крышей: а — прямоугольная; б — пента.

или большего числа простых призм, объединенных в единый блок с помощью склейки или закрепления в оправе (рис. 8.13).

Основными целевыми характеристиками отражательных призм являются: угол отклонения светового пучка; линейное смещение пучка; оборачивание изображения, степень возможности разделения или совмещения пучков лучей.

Углом отклонения называется угол между направлениями осевого луча до и после призмы, причем промежуточные отклонения луча внутри призмы во внимание не принимаются.

Линейным смещением пучка называют расстояние между параллельными направлениями осей падающего на призму и выходящего из призмы пучка лучей. Если это расстояние равно нулю (направления осей падающего и прошедшего пучка совпадают), то такие призмы называют призмами прямого зрения (видения).

Оборачивание изображения зависит от числа отражающих граней и их расположения в пространстве.

Плоские призмы с четным числом отражающих граней дают прямое изображение. При наклоне такой призмы в главной плоскости выходящий пучок лучей не отклоняется.

Плоские призмы с нечетным числом отражающих граней дают зеркальное изображение предмета. При наклоне их в плоскости главного сечения лучи отклоняются на двойной угол.

Для оборачивания изображения в плоскости, нормальной к главному сечению, одна из отражающих граней призмы заменяется крышей, которая представляет собой две отражающие поверхности, образующие двугранный угол 90°, симметрично расположенные относительно главного сечения призмы (рис. 8.14).

Степень возможности разделения или объединения пучка лучей призмой (призменным блоком) определяется способностью разделять (объединять) пучок на две, три или более составляющих (как правило, это составные призмы типа призмы-куб, Кестерса, цветоделительной). Разделение пучка происходит на светоделительном покрытии соединяемых поверхностей призм (рис. 8.15).

Типовые простые призмы имеют условное обозначение в виде двух букв и числа, разделенных знаком тире (см. [4.1]).

Первая буква указывает число отражающих граней призмы (А — одно отражение, Б — два, В — три), вторая — характер ее конструкции (Р — равнобедренная, П — пентапризма, У — полупента, С — ромбическая, Л — призма Лемана). Число обозначает угол отклонения осевого луча в градусах. При этом крыша считается за одну грань. Обозначается крыша индексом «к» у первой буквы. Например, прямоугольная призма с одним отражением и крышей обозначается: АкР-90°.

Читайте также:  Осенняя обработка почвы на поле

Для пространственных призм указываются углы отклонения в соответствующих плоскостях по ходу луча.

Типовые составные призмы имеют другие условные обозначения. Буквой обозначают тип призмы (например, А — Аббе-призма, К — куб-призма, Б — башмачная, П — Пехана-призма), цифрой — угол отклонения.

Составные призмы применяются в тех случаях, когда простые призмы не могут обеспечить необходимых целевых характеристик, или не могут быть установлены в сходящемся пучке лучей (так как разворачиваются в наклонную плоскопараллельную пластинку и вносят большие аберрации), или когда требуется уменьшить габариты системы.

На рисунке 8.16 приведены составные пространственные призмы, использующиеся как оборачивающие призменные системы — призменные системы Малафеева — Порро первого (рис. 8.16а) и второго рода (рис. 8.166).

В таблице 4.6 справочника [4.1] приведены основные типы простых и составных отражательных призм и соотношения их размеров.

Конструктивные параметры призм, так же как и для линз, подразделяют на расчетные и конструкторские.

а — склейка пентапризмы и прямоугольной призмы; б— призма-куб.

Пространственные призменные системы

К расчетным параметрам относят: оптические характеристики и показатели качества материала призмы, ее световые диаметры (О) на рабочих поверхностях, длину хода луча в призме (I), допустимые значения погрешностей изготовления рабочих оптических поверхностей (погрешности формы N, AN), погрешности углов призмы, влияющие на качество изображения, пирамидальность л, вид оптических покрытий, а также при необходимости значения допустимой фокусности fmin и предел разрешения е. Эти данные определяются при габаритном, аберрационном и светотехническом расчетах оптической системы.

К конструкторским параметрам относят габаритные размеры призмы (которые зависят от типа призмы, ее световых диаметров, запаса для крепления, юстировки), параметры фасок на ребрах и углах, допуски на углы, не влияющие на качество изображения, класс чистоты рабочих полированных поверхностей, шероховатость рабочих и нерабочих поверхностей, покрытия матовых поверхностей. Эти параметры получают в процессе разработки ее окончательной конструкции.

Расчету конструктивных параметров и допусков на них посвящено достаточно много работ [4.1, 4.14, 4.15, 4.19, 4.20].

Отметим некоторые специфические особенности определения конструктивных параметров призм.

1. Требования к материалу призм зависят от назначения прибора и расположения призмы в его оптической системе. Если призма работает в широком пучке лучей (головная призма, например), то для такой призмы ужесточаются требования к материалу по отклонению показателя преломления и средней дисперсии, однородности, двойному лучепреломлению. Чем ближе призма к плоскости изображения, тем жестче становятся требования по пу- зырности, классу чистоты полированных поверхностей.

Потери света на поглощение в стекле зависят от категории стекла по показателю ослабления, выбор категории связан с назначением прибора и особенностями его конструкции. Для ответственных приборов при большой длине хода лучей в стекле применяют стекла более высоких категорий, чем для призм неответственных приборов.

  • 2. При конструировании составных призм (особенно свето- и цветоделительных) следует иметь в виду, что допуски на отклонение оптических констант их материалов должны быть весьма жесткими, поэтому их часто вынуждены изготавливать из стекла одной плавки. Кроме этого, если такая призма склеивается из нескольких, то в оправе можно закреплять только одну из них (базовую), а не все, так как от усилий закрепления возможна расклейка призменного блока. Поэтому призмы, удерживаемые только клеем, должны иметь меньшие размеры по сравнению с базовой.
  • 3. Следует избегать больших габаритов призм, так как в этом случае увеличивается вес прибора, возникают трудности с подбором больших кусков стекла без пузырей, свилей и других дефектов, ухудшается качество изображения, повышается стоимость изготовления и усложняется крепление призмы (например, из-за невозможности крепления приклеиванием к оправе). При больших габаритах призм часто бывает выгоднее заменять их системой зеркал.
  • 4. Наибольшее влияние на качество изображения оказывают погрешности углов призм, вызывающие двоение изображения. Это погрешности углов крыш, а также погрешности углов и пирамидальности составных призм, разделяющих или объединяющих пучки лучей (например, составляющих призму-куб), поэтому допуски на эти углы назначаются весьма жесткие — до 3-5 угловых секунд.

На пирамидальность призмы, а также на те погрешности углов между отражающими и преломляющими ее гранями, которые приводят к клино- видности развертки призмы, приводящей к хроматизму изображения, назначают более широкие допуски. У подвижных призм пирамидальность вызывает, кроме того, неустранимую погрешность визирования (см. п. 9.3.3).

Величины допусков на указанные углы и пирамидальность вычисляются в зависимости от допустимых величин хроматизма и требований к точности работы прибора [4.1, 4.14, 4.15, 4.21], равные в большинстве случаев нескольким угловым минутам. Требования к клиновидности развертки и пирамидальность призмы ужесточаются с увеличением угла падения пучка на входную грань.

  • 5. Заметим, что погрешности не всех углов призм влияют или влияют одинаково на клиновидность развертки (например, погрешность угла 90° у прямоугольной призмы не влияет на клиновидность, влияние оказывает разность углов 45°; у пентапризмы, напротив, погрешность угла 90° оказывает вдвое большее влияние на клиновидность развертки, чем погрешность угла 45°).
  • 6. На линейные размеры призм назначают допуски на экономическом (пониженном) уровне точности (по 10-12 квалитетам точности, так как погрешности этих размеров не влияют на качество изображения.
  • 7. Требования к точности формы рабочих поверхностей (N и AN) определяют в зависимости от допустимого искажения изображения, вызываемого этими погрешностями, а также значениями углов наклона поверхностей по отношению к падающему пучку.
Читайте также:  Как приклеить лист пенопласта к потолку

Требования к отражающим граням при этом в 4-6 раз выше, чем к преломляющим (так как при нормальном падении пучка их влияние примерно в 4 раза более сильное, чем влияние погрешностей формы преломляющих поверхностей). Допуск к погрешности N, как преломляющих, так отражающих рабочих поверхностей, быстро ужесточается с увеличением угла падения лучей на поверхность, допуски к AN преломляющим поверхностям ужесточаются, а отражающим — ослабляются (формулы для расчета допусков и графики зависимости влияния наклона поверхностей даны в работах Г. В. Погарева [4.1, 4.21]).

  • 8. При назначении класса чистоты рабочих поверхностей Р следует учитывать положение призмы относительно плоскости изображения. К чистоте граней, расположенных вблизи плоскости изображения, предъявляются повышенные требования.
  • 9. Рабочие (оптические) поверхности призм полируют (или получают другими методами) до шероховатости Rz = 0,05 мкм, на нерабочие (матовые) поверхности устанавливают допуск по параметру Ra = 2,5-10 мкм.
  • 10. Рекомендуемые параметры фасок на ребрах и углах призм даны в таблице 8.8.
  • 11. О возможных видах оптических покрытий, наносимых на рабочие преломляющие поверхности призм, покрытиях матовых поверхностей см. п. 8.1.1.

От рабочих отражающих поверхностей призмы отражение света может происходить как за счет явления полного внутреннего отражения, так и от отражающего покрытия.

Отражающие покрытия (зеркальные, светоделительные) наносят на отражающие грани призм, если угол падения луча на поверхность меньше угла полного внутреннего отражения либо когда нужно разделить (объединить) излучение.

Прямоугольная призма с крышей

Значение углов полного внутреннего отражения от гипотенузной грани прямоугольной призмы

Качественное оснащение для наглядной демонстрации физических явлений

Для глубокого понимания сущности физических явлений «сухой» теории обычно бывает недостаточно. При этом преподавателей физики очень выручает демонстрация практических экспериментов с использованием специального лабораторного оборудования.

Наглядная демонстрация оптических опытов позволяет лучше понять суть процесса преломления света – изменения направления светового луча, которое возникает на границе двух сред, через которые он проходит. Еще в XVII веке Исаак Ньютон проводил оптические эксперименты со стеклянными призмами для доказательства существования определенных физических явлений.

До наших дней дошел знаменитый эксперимент Ньютона с отображением на стене семи цветов радуги. Суть опыта заключалась в следующем: известный физик полностью затемнил помещение, проделав маленькое отверстие в оконных ставнях для возможности пропускания потока солнечного света в нужном количестве.

Для проведения эксперимента Ньютон использовал треугольную призму, поверхности которой он тщательно отшлифовал самостоятельно. Солнечный свет, проходя сквозь призму, преломлялся с отображением на стене эффектой радуги из семи ярких цветов. Для проведения оптических экспериментов используют призмы самых разных размеров и конфигураций. С их помощью юные «эйнштейны» с удовольствием постигают тонкую суть физических явлений, с интересом наблюдая за полученными результатами.

Акриловые призмы для оптических экспериментов на заказ

Наша компания изготавливает на заказ акриловые призмы для проведения оптических экспериментов самых разных размеров и форм – треугольной или прямоугольной, шести- или восьмиугольной. При изготолении изделий мы используем передовое оборудование с программным управлением и инновационные технологии обработки оргстекла – фрезеровку, шлифовку и полировку. Наша главная цель – получение на выходе качественных изделий с тщательно отполированными поверхностями, идеально пропускающими свет.

Оргстекло прекрасно зарекомендовало себя в области изготовления призм для демонстрации оптических экспериментов. Оно отличается повышенной механической прочностью и устойчивостью к разрушающему воздействию влаги и ультрафиолетовых лучей.

Благодаря уникальным светопропускающим свойствам оргстекло прекрасно подходит для изготовления прозрачных призм. Изделия из оргстекла не требуют особого ухода – для удаления следов загрянений достаточно протереть их тканью, смоченной в специальном средстве с активными моющими компонентами.

Наша компания обеспечивает профессиональное изготовление конструкций из оргстекла на собственном производстве и оперативную доставку изделий в любой уголок России. Для уточнения всех деталей заказа акриловых призм для оптических экспериментов свяжитесь с нашим менеджером по телефону +7 (495) 151-84-17.

Это изображение является "обычным" уличным фото. Эстакады ведут взгляд к изображению. сквозь призму

Ключевым элементом любой фотосъемки является то, как вы используете свет. В этой статье вы узнаете, как его разделить. Применение призмы при фотографировании дает новые возможности и является еще одним способом использования преломления света.

Читайте дальше, чтобы узнать о призменной фотографии, о том, как создать радугу, а также просто красивые изображения, которые выглядят как многократные экспозиции, а сделаны одним взмахом пальца!

Что призма делает со светом?

Поскольку призма является стеклянным объектом, свет преломляется при прохождении через нее, создавая несколько эффектов, которые вы можете использовать в фотографии.

Есть два способа использования призмы.

  • Проецирование радуги – призма, а в частности ее треугольная форма, действуют, разделяя свет и раскрывая волны различной длины в виде радуги. А уже ее вы можете сфотографировать.
  • Перенаправление света – свет может резко изменить направление при прохождении через призму. Это означает, что когда вы будете смотреть сквозь нее, сможете увидеть картину под углом 90 градусов к себе. Этот фактор дает возможность создавать двойную экспозицию.

На снимке хорошо виден радужный свет из призмы, а также остатки света, испускаемые под разными углами

Использование хрустальной призмы для создания радуги

Отличный способ использования призмы – создание радуги. Чем больше призма, тем больше в итоге получается радуга. Другой способ увеличить ее размер заключается в том, чтобы увеличить расстояние между призмой и поверхностью, на которую вы проецируете радугу. Отличие этих вариантов в том, что с увеличением вышеупомянутого расстояния радужный свет становится более рассеянным и менее интенсивным.

Читайте также:  Заборы из кирпича и евроштакетника фото

С помощью призмы можно создать собственную радугу

Обратите также внимание на то, как высоко в небе находится солнце. Угол падения солнечного света на призму влияет на угол проецируемой радуги. Легче спроецировать радугу на землю в полдень. Чтобы проецировать радугу горизонтальнее, необходимо фотографировать, когда солнце находится ниже в небе, то есть после восхода солнца или до его захода.

Радуга, как деталь фото

Радужный свет очень красочный, и при проецировании на поверхность это может создать интересный эффект. Ищите поверхность, которая имеет нейтральный цвет (например, серый или белый). Обратите внимание на поверхности с приятной текстурой.

Крутите призму до тех пор, пока не сможете увидеть радугу, проецируемую на поверхность, которую вы фотографируете. Можно, конечно, сделать снимок, удерживая призму и камеру. Но хорошо, если у вас есть друг, который поможет. Поскольку это детальное фото, лучше использовать макрообъектив, но можно отыскать не менее интересные композиции, используя и другие объективы.

Радуга в портретной фотографии

Несомненно, одна из самых популярных форм призменной фотографии – проецирование радуги на лицо модели. Радуга в итоге не будет большой, и было бы, снова-таки, хорошо, если бы другой человек держал призму, пока вы фотографируете.

Три изображения в одном кадре

Можно снимать через стекло те предметы, которые появляются внутри призмы. Поднимите призму и поверните ее. Вы увидите изображения внутри. При этом они не будут являться теми же, что находятся прямо перед вами. В зависимости от того, как вы повернете стеклянную призму, можно будет увидеть одно или два изображения. Именно с ними вы можете работать, чтобы создать уникальные мультиэкспозиции одним нажатием кнопки затвора.

Выбор объектива

Лучшие объективы для призменной фотографии – широкоугольные и макрообъективы.

  • Широкоугольный объектив позволяет добавить фоновое изображение в фотографию. Тем не менее, край призмы становится более заметным в кадре. Нелегко размыть изображение с помощью диафрагмы, доступной на большинстве широкоугольных объективов.
  • Макрообъектив. Большая часть призменной фотографии выполняется с его использованием, так как этот объектив позволяет фокусироваться близко к призме и избежать захвата руки в кадре. Переход от фона к изображению в призме также сложнее обнаружить.

Изображение снято макрообъективом с призмой, и в итоге оно выглядит как оптическая иллюзия

Диафрагма для призменной фотографии

Диафрагма, которую вы используете для таких фотографий, в основном зависит от того, что вы планируете сделать с фоном, и того, насколько четким вы хотите получить изображение в призме.

Открытая диафрагма f/2,8 или больше, безусловно, сработает для размытия заднего плана. Большинству фотографий нужен такой фон, чтобы добиться ощущения множественной экспозиции. Это означает, что апертура около f/8 является правильным балансом между фоном и деталями и позволяет избежать слишком резкой линии призмы при переходе к заднему плану.

Фоновое изображение

В силу небольшой ширины призмы даже с макрообъективом задний план занимает большую часть кадра. Так что же работает в роли фона для этого типа фотографии?

  • Ведущие линии – фон, который привлекает внимание к изображениям внутри призмы используется эффективно. Это может быть туннель или дорога, уходящая в бесконечность.
  • Текстурный фон – больше пустого холста для изображений в призме. Это может быть кирпичная стена или листья и цветы.
  • Симметрия. Поскольку призма разделяет ваше изображение посередине, использование симметрии с обеих сторон этого разделения является довольно-таки эффективной стратегией.

Использование симметрии заднего плана может хорошо работать в призменной съемке

Изображение в стекле

Теперь самое сложное – получить хорошее изображение внутри призмы. Изображения в ней могут располагаться под углом 90 градусов к тому, как вы смотрите, или, возможно, под углом 60 градусов к краю и спереди относительно того, где стоит фотограф. Включение этого в композицию фона – сложный аспект призменной фотографии.

  • Композиция – у вас уже есть хорошая композиция для вашего фона. Теперь нужно сохранить ее, одновременно добавляя точку интереса, которая бы хорошо смотрелась сквозь призму. Просто используйте метод проб и ошибок. Измените угол наклона призмы или поверните ее; можно также попробовать отойти вперед и назад.
  • Добавление модели. Более простой способ добавить интерес к изображению в призме – сделать его портретной фотографией. Преимущество в том, что вы можете просто попросить модель стоять в нужном положении, из которого преломленный свет проходит через призму.

Добавление модели в композицию этого изображения сделало фотографию сакуры гораздо интереснее

Используйте фракталы

Фракталы – это еще один элемент, использующий преломление в фотографии. Они производят призменные эффекты, но сами по себе не имеют треугольной формы. Вы можете фотографировать через них, не беспокоясь о том, чтобы изображения находились под углом 90 градусов к вам. Фракталы часто используются для создания креативных портретных фотографий с мягкими краями или других абстрактных снимков.

Время идти и делить свет!

Если вы хотите попробовать что-то новое в фотографии, вам определенно понравится хрустальная призма. С ней немного сложно фотографировать, но это то, что делает процесс по-настоящему интересным. Именно сейчас пришло время взять хрустальную призму в руки и отправиться навстречу экспериментам!

Видеоканал Фотогора

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector