Пентапризма: как устроена, почему отклоняет луч на 90° и где применяется

Содержание

Пентапризма — отражательная призма с пятиугольным главным сечением, которая отклоняет луч на 90° двумя отражениями от граней, расположенных под углом 45° друг к другу. Из пяти боковых граней пятиугольной призмы работают четыре: две отражают луч, две его пропускают.

Угол отклонения пентапризмы не меняется при повороте призмы в плоскости главного сечения, поэтому её ставят там, где прямой угол нужно задать без точной юстировки детали относительно пучка. Изображение в пятиугольной призме после двух отражений остаётся прямым, а при замене одной отражающей грани крышей становится зеркальным по одной оси.

Обе отражающие грани пентапризмы металлизируют или покрывают диэлектриком: осевой луч падает на них под углом 22,5°, а полное внутреннее отражение (ПВО) в стекле К8 наступает только при угле падения больше критического угла 41,2°. В отечественной системе обозначений обычная пентапризма записывается как БП-90°, а вариант с крышей как БкП-90°. Для БП-90° коэффициент призмы равен 3,414: во столько раз длина хода осевого луча в стекле больше размера входной грани.

Пентапризмы применяют в видоискателях зеркальных фотоаппаратов, геодезических эккерах, оптических и ротационных лазерных нивелирах, схемах контроля перпендикулярности станков по ГОСТ 22267-76 и стендах проверки крупных зеркал телескопов. Материал призм БП-90° и БкП-90° выбирают по рабочему спектральному диапазону: оптическое стекло К8 для видимого света и визуальных приборов, кварцевое стекло КУ-1 для ультрафиолета, спектроскопии и лазерной техники.

Устройство пентапризмы и ход лучей

Ход осевого луча в БП-90°: два отражения под углом падения 22,5° поворачивают луч на 90°, как пара зеркал, расположенных под углом 45°

В главном сечении у БП-90° пять боковых граней: входная, выходная, две отражающие и одна нерабочая. Нерабочая грань срезает острый угол 45°, в котором иначе сошлись бы отражающие грани. Угол между входной и выходной гранями прямой, а четыре остальных угла пятиугольника равны 112,5°; проверка суммой: 90° + 4 × 112,5° = 540°.

Ход лучей в пентапризме для осевого луча укладывается в четыре шага:

1. Луч входит по нормали к входной грани и не преломляется.
2. Первая отражающая грань принимает его под углом падения 22,5° и направляет ко второй.
3. Вторая отражающая грань под тем же углом 22,5° отправляет луч к выходной грани.
4. Луч выходит по нормали к выходной грани, повернувшись на 90° к исходному направлению.

Отклонение ровно на 90° задаёт свойство системы двух зеркал: она поворачивает луч на удвоенный угол между ними, 2 × 45° = 90°.

Почему поворот призмы в главном сечении не сбивает прямой угол? По Н. П. Заказнову с соавторами («Теория оптических систем», 1992), угол отклонения не зависит от наклона луча к входной грани, поэтому при вращении вокруг ребра C (линии пересечения продолжений отражающих граней) изображение остаётся неподвижным. На наклоны вне главного сечения правило не распространяется.

Отражений два, число чётное: изображение получается прямым.

В развёртке БП-90° превращается в плоскопараллельную пластину. Длина хода осевого луча в стекле по Заказнову:

D + D√2 + D = 3,414D

Здесь D — размер входной грани (диаметр пучка с припусками на фаски и крепление), а коэффициент призмы 3,414 = 2 + √2 равен отношению длины хода к D.

Ю. Г. Кожевников («Оптические призмы», 1984) для расчёта заменяет пентапризму эквивалентным зеркалом и получает изменение габаритной длины при показателе преломления стекла n:

ΔL = (n − 2 − √2)/n · D

Для стекла К8 ΔL = −1,25D: знак минус означает сокращение габарита на 1,25D.

Применение пентапризмы: фотоаппараты, геодезия, станки и метрология

Призма поворачивает на 90° свет в видоискателе камеры, визирную ось эккера и нивелира, лазерный луч на станке и пучок при контроле зеркала телескопа.

Пентапризма в фотоаппарате

В однообъективном зеркальном фотоаппарате объектив переворачивает изображение по обеим осям, зеркало за ним возвращает вертикаль, и на горизонтальном фокусировочном экране оно остаётся зеркальным слева направо. Без призмы его рассматривают сверху. Призма с крышей над экраном исправляет горизонталь и направляет пучок в окуляр с горизонтальной осью: изображение в нём прямое, а камеру держат на уровне глаз.

Серийно камеры с таким видоискателем выпускают с сентября 1948 года, первой стала итальянская Rectaflex; советский «Зенит» с пентапризмой пошёл в серию в 1952 году. В беззеркальных камерах нет ни зеркального блока, ни этой призмы.

В видоискателе зеркальной камеры призма с крышей БкП-90° исправляет изображение по горизонтали, и камеру держат на уровне глаз

Геодезия и строительство

В современных эккерах прямой угол на местности строят две пентапризмы. У двухпризменного эккера DWP они установлены одна над другой, а точность построения угла составляет ±5′ (Руководство ПНИИИС, 1977).

Оптический центрировочный прибор «ОЦП-Зенит» собран на базе нивелира НСМ-2А: призма перед объективом зрительной трубы поворачивает визирную ось на 90° вверх, и по этой вертикали переносят опорные точки и строительные оси. Индикаторное устройство прибора исключает постоянную ошибку преломляющего угла призмы. В ротационном лазерном нивелире по патенту DE4133381C2 вертикальный луч лазера падает на моторизованную призму, которая вращается вокруг оси этого луча, и отражённый луч описывает горизонтальную опорную плоскость.

Проверка точности станков: ГОСТ 22267-76 и лазерные системы

Порог 1600 мм разделяет методы проверки перпендикулярности перемещений в действующем ГОСТ 22267-76 «Станки металлорежущие. Схемы и способы измерений геометрических параметров». Ход до 1600 мм проверяют поверочным угольником по методу 1. При перемещении свыше 1600 мм применяют метод 3: зрительную трубу и пентапризму, которую ставят между трубой и маркой на втором рабочем органе.

В стандарте метод 4 по длине не ограничен: трубу в нём заменяет лазерная установка, призма остаётся. Её же стандарт включает в средства измерения плоскостности по методам 8 и 9 и прямолинейности вертикального перемещения по методу 5: визирную трубу располагают горизонтально, а марку наблюдают через призму. Для плоскостности допускается и измерение без призмы.

Поворотная призма PENTALIGN производства Prüftechnik в паре с внешним лазером строит плоскость, перпендикулярную падающему лучу. Такой схемой контролируют перпендикулярность шпинделя и опорной плиты буровых станков, плоскость опорных подшипников руля судов и параллельность фланцев сегментов башен ветрогенераторов.

Метод 3 ГОСТ 22267-76 для перемещений свыше 1600 мм: пентапризму ставят между зрительной трубой и маркой на втором рабочем органе станка.

Дальномеры и контроль зеркал телескопов

В дальномере с совмещением изображений свет от цели входит через два окна на концах базы, и призмы с каждой стороны направляют его к центру прибора.

Для 8,4-метровых внеосевых сегментов зеркала Гигантского Магелланова телескопа (GMT) разработан сканирующий пентапризменный тест. Призма на каретке ведёт коллимированный пучок 40 мм по поверхности сегмента, а вторая, неподвижная, даёт опорный пучок и компенсирует смещения оптики. По данным статьи в Proc. SPIE 7739 (2010), тест способен измерять ошибки наклона волнового фронта до 1 мкрад rms.

Свойства пентапризмы: отражающие грани, материалы, лучевая стойкость

Угол падения 22,5° на зеркальные грани в 1,8 раза меньше критического угла стекла К8 (41,2°).

Почему отражающие грани покрывают: расчёт ПВО

Критический угол ПВО у К8 (41,2°), КУ-1 (43,2°) и ZnSe (24,6°) больше угла падения 22,5°, поэтому условие ПВО выполняется только у Si и Ge.

По Заказнову («Теория оптических систем», 1992), грани покрывают, так как осевой луч падает на них под углом меньше критического. Из формулы θкр = arcsin(1/n) следует, что для ПВО на угле 22,5° материалу нужен n > 1/sin 22,5° = 2,613. ИК-показатели в таблице даны по Crystran.

Ни оптическое, ни кварцевое стекло до порога 2,613 не доходят, поэтому в видимом и УФ-диапазоне любая пентапризма из стекла требует покрытия на двух гранях. Из рассмотренных материалов расчётно ПВО на 22,5° выполняется у Ge и Si в ИК-диапазоне; у ZnSe на рабочей длине волны CO₂-лазера 10,6 мкм условие не выполняется (оно выполняется лишь у коротковолнового края, ниже 0,6 мкм). Это расчёт условия, а не перечень серийных изделий.

Отражающие грани серийных призм алюминируют и защищают: Thorlabs и Edmund инконелем и чёрной краской, Lasercomponents чёрной эмалью. Входную и выходную грани просветляют: у Edmund средний коэффициент отражения Ravg не превышает 1,75% в диапазоне 400-700 нм.

Из какого стекла делают пентапризмы

Зарубежные каталоги строят ассортимент на N-BK7, близком аналоге К8: Lasercomponents так и обозначает материал, «BK7 (К8)». Thorlabs берёт N-BK7 Grade A Fine Anneal. На 1 октября 2026 года у Edmund Optics 28 позиций со светоделителями: 24 на N-BK7 и 4 на UV Fused Silica, которую производитель советует для УФ, видимого и ближнего ИК-диапазона. Altechna работает с BK7 и UVFS, а китайский поставщик VY Optoelectronics предлагает также Corning 7980, JGS1 и JGS2.

Мы изготавливаем пентапризмы из К8 или кварцевого стекла КУ-1 под рабочую длину волны, а по чертежу заказчика берём любую марку оптического и кварцевого стекла. К8 работает в видимом диапазоне и ставится в визуальные приборы. КУ-1 пропускает 170-2500 нм и подходит для УФ-спектроскопии и лазерных систем. Марку в документации записывают по ГОСТ Р 71951-2025 для бесцветного стекла или по ГОСТ 15130-86 для кварцевого.

Лучевая стойкость и ограничения

По спецификации Edmund Optics расчётный порог повреждения просветлённых входной и выходной граней составляет 10 Дж/см² при 532 нм и импульсе 10 нс. Алюминированные отражающие грани выдерживают 0,3 Дж/см² на 532 и 1064 нм при той же длительности, то есть разница больше чем в 30 раз. В лазерной схеме слабым местом становятся металлизированные грани. Для мощных импульсных источников берут кварцевое стекло с покрытиями под рабочую длину волны, а порог стойкости задают в ТЗ.

Другие ограничения:

• Наклон вне главного сечения и пирамидальная ошибка изготовления меняют направление выходного луча; пирамидальность нормируют в чертеже.
• Путь осевого луча в стекле равен 3,414D: в сходящемся пучке призма работает как толстая плоскопараллельная пластина, вносит сферическую аберрацию и хроматизм, утяжеляет заготовку.
• Крупной призме нужен большой блок стекла без неоднородностей и с минимумом пузырей, и для крышеобразной пентапризмы это серьёзная трудность изготовления.
• В поворотных лазерных системах вроде PENTALIGN погрешность плоскостности лазерной плоскости вдвое больше смещения луча относительно оси вращения призмы.

Разновидности пентапризм: БП-90°, БкП-90° с крышей и пентазеркало

Шифр БП-90° у Заказнова (1992) расшифрован так: Б означает две отражающие грани, П обозначает тип конструкции «пентапризма», 90 равно углу отклонения осевого луча в градусах. Строчная «к» после первой буквы означает крышу (БкП-90°); систему букв целиком разбирает обзор видов оптических призм.

Пентапризма с крышей, или крышеобразная пентапризма, получается заменой одной зеркальной грани крышей. Отражений становится три, изображение зеркально оборачивается поперёк главного сечения, что и нужно видоискателю зеркального фотоаппарата.

В варианте по советскому авторскому свидетельству № 158104, описанному у Кожевникова («Оптические призмы», 1984), призму можно использовать для совмещения изображений: одну грань покрывают светоделительным слоем вместо зеркального и пропускают через неё второй пучок. Серийные пентапризменные светоделители 50/50 выпускает Edmund Optics. В передающей ТВ-камере КТ-302Р работает цветоделительная версия: отражающие поверхности покрыты дихроическими слоями, к ним приклеены клинья.

Пентазеркало дешевле: его собирают из зеркал и тонких стеклянных пластин. Пентапризма устроена как та же система двух зеркал под 45°, только зафиксированная в монолите стекла. У пентазеркала часть света теряется на зеркалах, удар или тряска сбивают угол между ними, а без длинного пути в стекле ниже увеличение видоискателя.

Точность угла отклонения и допуски пентапризм

Ошибка угла между отражающими гранями δ переходит в ошибку угла отклонения 2δ, так же как сам угол 45° даёт отклонение 90°. Какой допуск на угол 45° обеспечит ±1′ на выходе? По расчёту ±30″, если остальные углы призмы и пирамидальность укладываются в допуск.

В серийных каталогах точность угла отклонения пентапризмы задают в угловых минутах и дополняют плоскостностью граней, качеством поверхности и допуском размеров.

Спецификация Thorlabs дана для граней 10, 20, 40 и 60 мм; плоскостность λ/10 нормирована по световой апертуре в 70% размеров входной грани. У Edmund плоскостность выражена в интерференционных полосах на 632,8 нм.

Для пентапризмы с крышей БкП-90° дополнительно нормируют угол крыши, так как его погрешность вызывает двоение изображения. В пособии ИТМО суммарное двоение ограничивают 20″, но это условие учебной задачи, а не норматив.

Обозначения 40-20 и 60-40 по системе scratch-dig не пересчитываются один в один в классы чистоты ГОСТ 11141-84: для отечественного чертежа его назначают отдельно.

Какие ГОСТы применяют к пентапризме

Отдельного стандарта на пентапризму как изделие нет: стекло для неё берут разных марок, а требования собирают из стандартов на заготовку, материал и чертёж с классом чистоты граней. ГОСТ 3514-94 и ГОСТ 23136-93 в РФ не применяются с 01.01.2026, поэтому при пересчёте старых чертежей вместо них записывают ГОСТ Р 71951-2025 и ГОСТ Р 71952-2025.

Как изготавливают пентапризмы

Призма БП-90° из КУ-1: на двух отражающих гранях зеркальное покрытие, на входной и выходной гранях просветляющее

ГК «Кварц-Пром» работает с 2004 года, и мы выпускаем пентапризмы из К8 и кварцевого стекла единичными изделиями и серийными партиями, а каждую партию сопровождаем паспортом качества. Полный цикл включает семь этапов:

• выбор марки стекла и варка заготовки;
• распил заготовки;
• шлифование в два прохода: грубое, затем тонкое;
• полирование рабочих граней;
• обработка фасок;
• зеркальные и просветляющие покрытия на гранях;
• выходной контроль готовой призмы.

Прессованная заготовка призмы допускает отклонение углов ±1° (ГОСТ 13240-78, табл. 5): это допуск на заготовку, а точность рабочих углов готовой призмы задаёт чертёж заказчика. У призм Thorlabs и серии High Tolerance Edmund Optics допуск отклонения луча ±1′, а по расчёту это ±30″ на угле между отражающими гранями, то есть в 120 раз жёстче заготовочного ±1°. Шлифованием и полировкой граней мы доводим шероховатость рабочих поверхностей до Rz не более 0,1 мкм.

Для лазерной оптики делаем призмы из кварцевого стекла КУ-1 с просветляющим покрытием. Плоскостность их граней контролируем интерферометрически: до λ/10-λ/20 на длине волны 632,8 нм.

Что указать в ТЗ на пентапризму: итоговый чек-лист

В чертеже или ТЗ на пентапризму фиксируют 11 параметров: от типа и спектрального диапазона до лучевой стойкости и документов на партию.

Частые вопросы о пентапризме

Чем пентапризма отличается от пентазеркала?

Пентапризма отражает свет в цельном куске стекла, пентазеркало собрано из зеркал и стеклянных пластин без монолитного блока. У пентазеркала часть света теряется на зеркалах, углы между ними могут сместиться от ударов и тряски, а увеличение видоискателя меньше.

Зачем в зеркальном фотоаппарате пентапризма с крышей?

В зеркальном фотоаппарате объектив и подъёмное зеркало оставляют на фокусировочном экране изображение, перевёрнутое слева направо. Крыша вместо одной отражающей грани призмы БкП-90° исправляет этот разворот, а отклонение на 90° выводит прямое изображение в окуляр на уровне глаз.

Есть ли пентапризма в беззеркальной камере?

Беззеркальная камера пентапризму не использует: в ней нет ни зеркального блока, ни призмы БкП-90°, на которых построен оптический видоискатель зеркального фотоаппарата.

Можно ли сделать пентапризму без зеркального покрытия?

Для пентапризмы из стекла зеркальное покрытие обязательно: полное внутреннее отражение на угле падения 22,5° требует показателя преломления больше 2,613, а у К8 он 1,5183, у кварцевого оптического стекла, включая КУ-1, в среднем 1,4601. Из рассмотренных ИК-материалов условие расчётно выполняют Si и Ge, а у ZnSe на 10,6 мкм оно не выполняется.

Сохраняет ли пентапризма угол 90° при наклоне в любой плоскости?

Угол 90° у призмы БП-90° постоянен только при повороте в плоскости главного сечения. Наклон вне главного сечения и пирамидальная ошибка изготовления меняют направление выходного луча, поэтому допуск на пирамидальность задают в чертеже.

Как ошибка угла 45° влияет на точность пентапризмы?

Ошибка удваивается: если угол между отражающими гранями пентапризмы отличается от 45° на δ, выходной луч уходит от 90° на 2δ. По расчёту для точности ±1′ угол 45° выдерживают в пределах ±30″ при прочих углах в допуске; серийные призмы Edmund Optics имеют допуск ±5′ и ±1′.

Какой ГОСТ описывает проверку точности станков с пентапризмой?

По действующему ГОСТ 22267-76 перпендикулярность перемещений длиной свыше 1600 мм проверяют по методу 3 зрительной трубой и пентапризмой; метод 4 предусматривает лазерную установку с призмой. До 1600 мм применяют поверочный угольник.

Исполнения из К8 и кварцевого стекла КУ-1 с зеркальными и просветляющими покрытиями описаны в разделе каталога Пентапризмы. Линзы, окна и призмы других типов собраны в каталоге оптических изделий. Для расчёта пришлите чертёж или ТЗ с рабочей длиной волны и допусками, и мы подготовим коммерческое предложение.