Введение
Призма Шмидта-Пехана — тип оптической призмы, используемый для поворота изображения на 180°. Эти призмы обычно применяются в биноклях в качестве системы для создания прямого изображения. Призма Шмидта-Пехана использует элемент в виде крышеобразной призмы (от немецкого "Dachkante", буквально "край крыши"). Конструкция биноклей с использованием призм Шмидта-Пехана может быть выполнена более компактно, чем бинокли с крышеобразными призмами Порро или Уппендаля, а также с призмами Аббе-Кёнига. Призму Шмидта-Пехана иногда называют парой призм Пехана.
Способ работы
Шмидт-Печан основан на конструкции призмы Печан: обе представляют собой композит из двух призм, разделенных воздушным зазором. Из-за воздушного зазора имеется четыре поверхности перехода стекло/воздух. Конструкция Печана инвертирует или отражает (переворачивает) изображение в зависимости от ориентации призмы, но не одновременно. В конструкции Шмидт-Пехана верхняя призма из конструкции Печана заменена призмой Шмидта с крышей, поэтому призма Шмидт-Пехан может как инвертировать, так и отражать изображение, тем самым выполняя функцию поворачивателя изображения. Нижняя призма известна как полупентапризма или призма Бауэрнфайнда. Ориентация изображения (хиральность) не изменяется призмой Шмидт-Пехан. Конструкция двух призм такова, что входной и выходной лучи коаксиальны, то есть призма Шмидт-Пехан не отклоняет луч, если он центрирован на оптической оси. "Крыша" верхней призмы отражает изображение в боковой плоскости, используя два полных внутренних отражения в горизонтальной плоскости от поверхности крыши: по одному на каждой стороне крыши. Эта последняя пара отражений может рассматриваться как одно отражение в вертикальной плоскости. Совместная инверсия и отражение вызывают поворот изображения на 180°, но при этом отклоняют траекторию на 45°. Нижняя призма компенсирует это, вводя луч под углом 45° в верхнюю призму. Нижняя призма использует одно полное внутреннее отражение, за которым следует второе отражение от нижней поверхности, чтобы направить луч во вторую призму Шмидта. Это второе отражение в нижней призме происходит под углом, меньшим критического, поэтому для практического использования призме Шмидт-Пехан требуется отражающее покрытие на этой поверхности. Это отличает ее от других крышных призм, таких как призма Аббе-Кенига, которая использует полное внутреннее отражение на всех отражающих поверхностях. Итоговый эффект шести отражений (два из которых происходят на плоскостях крыши) заключается в отражении изображения как по вертикали, так и по горизонтали.
Проблемы с призмой Шмидта-Печана
Крыша Шмидта-Пехана, с чисто технической точки зрения, представляет собой довольно сложную конструкцию призм с крышей. Свет, входящий в конструкцию Шмидта-Пехана, отражается большее количество раз и с меньшей эффективностью, чем в конструкции призмы Аббе-Кёнига.
Стеклянные и воздушные переходы
Все входные и выходные поверхности должны быть оптически покрыты для минимизации потерь, однако тип покрытия необходимо тщательно подбирать, так как одни и те же грани призмы выполняют функции как входных поверхностей (требующих эффективного антиотражающего покрытия), так и внутренних отражающих поверхностей (требующих покрытия, максимизирующего отражение). В статье "Прогресс в разработке бинокулярных устройств" Конрада Сейла из Swarovski Optik показано, что использование однослойных антиотражающих покрытий на этих поверхностях позволяет добиться максимального контраста изображения.
Потери от отражения
Поскольку угол падения на нижней поверхности нижней призмы меньше критического угла, полного внутреннего отражения не происходит. Для решения этой проблемы на этой поверхности используется зеркальное покрытие. Обычно применяют алюминиевое зеркальное покрытие (отражающая способность 87–93%) или серебряное зеркальное покрытие (отражающая способность 95–98%). Пропускание призмы можно дополнительно улучшить, используя диэлектрическое покрытие вместо металлического зеркального. Это приводит к тому, что поверхности призмы начинают функционировать как диэлектрическое зеркало. Хорошо спроектированное диэлектрическое покрытие может обеспечить отражающую способность более 99% во всем спектре видимого света. Эта отражающая способность значительно выше, чем у алюминиевого или серебряного зеркального покрытия, а характеристики призмы Шмидта-Пехана сопоставимы с характеристиками призмы Порро или призмы Аббе-Кенига. Необходимое зеркальное покрытие не только усложняет процесс производства, но и делает призму Шмидта-Пехана более подверженной потерям, чем другие системы формирования изображения, использующие призмы Порро или Аббе-Кенига, которые полагаются исключительно на полное внутреннее отражение. Диэлектрическое зеркальное покрытие обеспечивает сопоставимую эффективность отражения, но делает призму Шмидта-Пехана более дорогой.
Фазовая коррекция
Кроме того, призма Шмидта-Пехана испытывает те же проблемы с фазовой коррекцией, что и другие призмы крыши. Бинокли с призмой Шмидта-Пехана и другие бинокли с призмами крыши выигрывают от применения фазокорректирующих покрытий, которые минимизируют эти проблемы и существенно повышают разрешение и контрастность.
Коммерческая доля рынка биноклей
Несмотря на технические сложности, бинокли с призмами Шмидта-Пехана получаются легче, компактнее и дешевле, чем бинокли с призмами прямого угла (roof prism). К началу 2020-х годов бинокли с призмами Шмидта-Пехана стали доминирующей оптической конструкцией на коммерческом рынке по сравнению с другими типами призм.