Wat is een optisch prisma? Typen, functies en toepassingen

Optische prisma's begrijpen

Een optisch prisma is een transparant optisch element met platte, gepolijste oppervlakken die licht breken. Het fundamentele principe achter een prisma is dat het licht kan buigen, reflecteren of splitsen op basis van de geometrie en de brekingseigenschappen van het materiaal. . In tegenstelling tot lenzen die gebogen oppervlakken gebruiken, gebruiken prisma's vlakke oppervlakken die onder specifieke hoeken zijn geplaatst om lichtpaden te manipuleren.

De meeste optische prisma's zijn gemaakt van glas of transparant plastic met nauwkeurige brekingsindices. De meest herkenbare vorm is het driehoekige prisma, dat wit licht verspreidt in de samenstellende spectrumkleuren – een fenomeen dat voor het eerst systematisch werd bestudeerd door Isaac Newton in 1666. Prisma’s dienen echter veel meer doeleinden dan het creëren van regenbogen; ze zijn essentiële componenten in tal van optische systemen, variërend van eenvoudige periscopen tot geavanceerde spectrometers.

Het belangrijkste kenmerk dat prisma's onderscheidt van andere optische elementen is hun vermogen om de richting van het licht te veranderen zonder het noodzakelijkerwijs te focussen , waardoor ze van onschatbare waarde zijn voor straalsturing, correctie van beeldoriëntatie en toepassingen voor golflengtescheiding.

Hoe optische prisma's werken

De werking van optische prisma's wordt bepaald door twee fundamentele optische principes: breking en totale interne reflectie.

Breking in prisma's

Wanneer licht onder een hoek een prisma binnenkomt, buigt het volgens de wet van Snellius. De mate van buiging hangt af van de golflengte van het licht en de brekingsindex van het prismamateriaal . Voor standaard optisch glas (kroonglas) is de brekingsindex ongeveer 1,52, wat betekent dat licht zich in het glas 1,52 keer langzamer voortplant dan in de lucht.

Deze golflengteafhankelijke breking verklaart waarom prisma's wit licht in kleuren kunnen scheiden: blauw licht buigt scherper af dan rood licht omdat het een kortere golflengte heeft. In een typisch dispersief prisma met a Tophoek van 60 graden , de hoekafstand tussen rood en violet licht is ongeveer 3 graden .

Totale interne reflectie

Veel prisma's maken gebruik van totale interne reflectie in plaats van breking. Wanneer licht dat door een dichter medium (zoals glas) reist, de grens raakt met een minder dicht medium (zoals lucht) onder een hoek die groter is dan de kritische hoek, 100% van het licht reflecteert terug in het dichtere medium . Voor kroonglas is deze kritische hoek ongeveer 41,8 graden .

Dit fenomeen zorgt ervoor dat prisma's kunnen functioneren als zeer efficiënte spiegels zonder metalen coatings, waardoor ze in veel toepassingen superieur zijn aan conventionele spiegels, omdat er geen lichtverlies is door absorptie.

Veel voorkomende soorten optische prisma's

Optische prisma's worden gecategoriseerd op basis van hun geometrie en primaire functie. Elk type dient specifieke toepassingen in optische systemen.

Dispersieve prisma's

Het klassieke driehoekige prisma verspreidt voornamelijk licht. Deze prisma's worden gekenmerkt door hun tophoek (meestal tussen 30 en 60 graden ) en zijn van fundamenteel belang voor spectroscopische analyse. Moderne spectrometers kunnen prismadispersie gebruiken om materialen te identificeren aan de hand van hun spectrale signatuur golflengteresolutie tot 0,1 nanometer .

Reflecterende prisma's

Reflecterende prisma's leiden het licht om zonder noemenswaardige spreiding. Het Porro-prismasysteem, uitgevonden door Ignazio Porro in 1854, blijft de standaard in veel verrekijkers. Een paar Porro-prisma's kunnen een omgekeerd beeld oprichten en tegelijkertijd de optische padlengte vergroten , waardoor compacte instrumentontwerpen met effectieve vergroting mogelijk zijn.

Polariserende prisma's

Gespecialiseerde prisma's zoals het Nicol-prisma of het Glan-Thompson-prisma scheiden licht in orthogonale polarisatietoestanden. Deze apparaten bereiken uitstervingsverhoudingen groter dan 100.000:1 , waardoor ze essentieel zijn voor polarimetrie en optische onderzoekstoepassingen.

Real-World toepassingen van optische prisma's

Optische prisma's zijn alomtegenwoordig in de moderne technologie en werken vaak onzichtbaar in apparaten die we dagelijks gebruiken.

Fotografie en beeldvorming

Spiegelreflexcamera's (SLR) vertrouwen op pentaprisma's om fotografen een rechtopstaand, correct georiënteerd zicht door de zoeker te bieden. Een pentaprisma reflecteert het licht vijf keer intern , waarbij het omgekeerde en omgekeerde beeld wordt gecorrigeerd dat door de cameralens wordt geproduceerd, zonder dat er extra optische elementen nodig zijn.

Digitale projectoren gebruiken prismaconstructies om beelden van afzonderlijke rode, groene en blauwe LCD-panelen of DLP-chips te combineren. Het dichroïsche prismasysteem in a De projector met drie chips kan een kleurnauwkeurigheid bereiken binnen 2% van de professionele normen .

Wetenschappelijke instrumentatie

Spectrometers gebruiken prisma's om de samenstelling van materialen te analyseren. Astronomische spectrografen maken bijvoorbeeld gebruik van prismaspreiding om de chemische samenstelling van verre sterren te bepalen. De spectroscopische instrumenten van de Hubble-ruimtetelescoop kunnen chemische hoeveelheden detecteren precisie beter dan 5% in stellaire atmosferen.

In scheikundige laboratoria gebruiken Abbe-refractometers prisma's om de brekingsindex van vloeistoffen te meten nauwkeurigheid tot op vier decimalen nauwkeurig , waardoor nauwkeurige identificatie van stoffen en concentratiemetingen mogelijk is.

Telecommunicatie en lasertechnologie

Glasvezelsystemen gebruiken prisma's voor multiplexing met golflengteverdeling, waarbij meerdere datastromen op verschillende golflengten door één enkele vezel reizen. Moderne DWDM-systemen kunnen meer dan 80 afzonderlijke kanalen multiplexen , elk met een capaciteit van 100 Gbps, met behulp van op prisma's gebaseerde golflengtescheiding.

Laserstraalstuursystemen maken gebruik van roterende prisma's of prismaparen om de richting van de straal nauwkeurig te regelen zonder de laserbron zelf te bewegen. positioneringsnauwkeurigheid binnen microradialen .

Consumentenoptiek

Verrekijkers bevatten Porro- of dakkantprisma's om een compact, ergonomisch ontwerp te creëren en tegelijkertijd vergrote, correct georiënteerde beelden te bieden. Hoogwaardige verrekijkers gebruiken fasecorrectiecoatings op dakkantprisma's om een lichttransmissie van meer dan 90% te bereiken , die de helderheid van direct kijken evenaart.

Materialen en productie

De prestaties van een optisch prisma zijn in belangrijke mate afhankelijk van de materiaaleigenschappen en productieprecisie.

Gemeenschappelijke prismamaterialen

• BK7 glas: Het meest voorkomende optische glas met brekingsindex 1,517, gebruikt in prisma's voor algemene doeleinden voor golflengten van 380-2100 nm
• Gesmolten silica: Biedt uitzonderlijke transmissie in het ultraviolette bereik en lage thermische uitzetting, cruciaal voor lasertoepassingen met hoog vermogen
• SF11 glas: Hoge brekingsindex (1,785) zorgt voor een grotere spreiding, ideaal voor compacte spectroscopische systemen
• Calciumfluoride: Zendt infrarode en ultraviolette golflengten uit, essentieel voor gespecialiseerde spectroscopie met transmissie van 180 nm tot 8000 nm

Productieprecisie

Precisieprisma's vereisen buitengewone productietoleranties. De vlakheid van het oppervlak moet doorgaans beter zijn dan λ/4 (een kwart van de golflengte van licht) , wat zich vertaalt naar afwijkingen van minder dan 150 nanometer voor zichtbaar licht. De vereisten voor hoeknauwkeurigheid zijn even streng en worden vaak tot binnen gespecificeerd boogseconden (1/3600 graad) .

Optische coatings verbeteren de prismaprestaties aanzienlijk. Antireflectiecoatings kunnen oppervlaktereflectieverliezen verminderen van 4% tot minder dan 0,25% per oppervlak . Metallische of diëlektrische coatings op reflectieoppervlakken verbeteren de efficiëntie en maken golflengteselectieve reflectie mogelijk.

Voordelen en beperkingen

Als u wilt begrijpen wanneer u prisma's moet gebruiken versus alternatieve optische componenten, moet u hun sterke en zwakke punten kennen.

Belangrijkste voordelen

• Geen absorptieverliezen: Prisma's met totale interne reflectie bereiken een reflectie-efficiëntie van vrijwel 100%, superieur aan metalen spiegels die doorgaans 90-95% reflecteren
• Golflengtescheiding: Prisma's zorgen voor een continue golflengtespreiding, in tegenstelling tot diffractieroosters die meerdere ordes produceren
• Duurzaamheid: Interne reflectieoppervlakken zijn beschermd tegen omgevingsvervuiling en mechanische schade
• Polarisatiecontrole: Bepaalde prismatypen kunnen polarisatietoestanden met uitzonderlijke zuiverheid scheiden of analyseren

Praktische beperkingen

• Grootte en gewicht: Glazen prisma's zijn aanzienlijk zwaarder dan gelijkwaardige spiegelsystemen, waardoor het gebruik ervan in gewichtsgevoelige toepassingen wordt beperkt
• Kosten: Precisieprisma's met hoogwaardige coatings kunnen 10-50 keer duurder zijn dan eenvoudige spiegels
• Chromatische effecten: Dispersieve prisma's scheiden golflengten, wat ongewenst is bij beeldvormingstoepassingen die achromatische prestaties vereisen
• Temperatuurgevoeligheid: Veranderingen in de brekingsindex afhankelijk van de temperatuur kunnen de prestaties van het prisma in extreme omgevingen beïnvloeden, met typische variaties van 1-5 delen per miljoen per graad Celsius

Het juiste prisma selecteren

Bij het kiezen van een geschikt prisma voor een specifieke toepassing moet systematisch met meerdere factoren rekening worden gehouden.

Kritische selectiecriteria

1. Golflengtebereik: Stem het prismamateriaal af op de bedrijfsgolflengten; UV-toepassingen vereisen gesmolten silica, terwijl IR mogelijk gespecialiseerde materialen zoals zinkselenide nodig heeft
2. Vereisten voor straalafwijking: Bepaal de noodzakelijke afbuighoek (45°, 90°, 180°) en of de beeldoriëntatie behouden moet blijven
3. Verspreidingsbehoeften: Bepaal of golflengtescheiding gewenst of problematisch is voor de toepassing
4. Groottebeperkingen: Houd rekening met fysieke ruimtebeperkingen en gewichtsbeperkingen
5. Belastbaarheid: Lasertoepassingen met hoog vermogen vereisen doorgaans materialen met hoge schadedrempels groter dan 10 J/cm² voor gesmolten silica

Overwegingen bij coating

De keuze van optische coatings heeft een dramatische invloed op de prestaties van het prisma. Standaard anti-reflectiecoatings bieden reflectie onder 0,5% per oppervlak over zichtbare golflengten, terwijl breedbandcoatings deze prestaties uitbreiden van 400-700 nm. Voor kritische toepassingen kunnen op maat gemaakte meerlaagse coatings worden gerealiseerd reflectiviteit onder 0,1% bij specifieke golflengten.

Metaalcoatings (aluminium of zilver) op reflectieoppervlakken maken gebruik buiten de kritische hoek mogelijk, zij het ten koste van 3-10% reflectieverlies . Beschermde zilvercoatings bieden superieure reflectiviteit in het infrarood terwijl ze voldoende zichtbare prestaties behouden.

Toekomstige ontwikkelingen in prismatechnologie

Vooruitgang in de materiaalkunde en productie vergroot de mogelijkheden en toepassingen van prisma's.

Metamateriaalprisma's

Onderzoekers ontwikkelen prisma's met behulp van metamaterialen: kunstmatig gestructureerde materialen met optische eigenschappen die niet in de natuur voorkomen. Deze metamateriaalprisma's kunnen dit bereiken negatieve breking of superdispersie , waardoor ultracompacte spectroscopische systemen en nieuwe beeldvormingsapparatuur mogelijk worden. Vroege prototypes demonstreren het dispersiecoëfficiënten 10 keer groter dan conventioneel glas.

Adaptieve prisma's

Vloeibare kristallen en elektro-optische materialen maken elektrisch afstembare prisma's mogelijk die hun optische eigenschappen dynamisch kunnen aanpassen. Deze apparaten kunnen een revolutie teweegbrengen in de bundelsturing en golflengteselectie schakeltijden onder de 1 milliseconde en geen bewegende delen.

Miniaturisatie

Microprisma-arrays vervaardigd met behulp van halfgeleiderproductietechnieken maken geïntegreerde fotonische apparaten mogelijk. Deze microscopische prisma's, met afmetingen gemeten in micrometers, zijn cruciale componenten in optische MEMS-apparaten en smartphonecamera's, waar prisma-arrays zorgen voor optische beeldstabilisatie in pakketten kleiner dan 5 mm breed.