Что такое оптическая призма? Типы, функции и приложения

Понимание оптических призм

Ан оптическая призма представляет собой прозрачный оптический элемент с плоскими полированными поверхностями, преломляющими свет. Фундаментальный принцип призмы заключается в том, что она может изгибать, отражать или расщеплять свет в зависимости от ее геометрии и преломляющих свойств ее материала. . В отличие от линз, в которых используются изогнутые поверхности, в призмах используются плоские поверхности, расположенные под определенными углами для управления световыми путями.

Большинство оптических призм изготавливаются из стекла или прозрачного пластика с точными показателями преломления. Наиболее узнаваемой формой является треугольная призма, которая рассеивает белый свет на составляющие его цвета спектра — явление, впервые систематически изученное Исааком Ньютоном в 1666 году. Однако призмы служат гораздо более важным целям, чем создание радуги; они являются важными компонентами многочисленных оптических систем, от простых перископов до современных спектрометров.

Ключевой характеристикой, отличающей призмы от других оптических элементов, является их способность изменять направление света без обязательной его фокусировки. , что делает их незаменимыми для управления лучом, коррекции ориентации изображения и разделения длин волн.

Как работают оптические призмы

Работа оптических призм регулируется двумя фундаментальными оптическими принципами: преломлением и полным внутренним отражением.

Преломление в призмах

Когда свет попадает в призму под углом, он изгибается в соответствии с законом Снеллиуса. Степень изгиба зависит от длины волны света и показателя преломления материала призмы. . Для стандартного оптического стекла (кронового стекла) показатель преломления составляет примерно 1,52, что означает, что свет в стекле распространяется в 1,52 раза медленнее, чем в воздухе.

Это зависящее от длины волны преломление объясняет, почему призмы могут разделять белый свет на цвета: синий свет изгибается резче, чем красный, потому что у него более короткая длина волны. В типичной дисперсионной призме с Угол при вершине 60 градусов , угловое расстояние между красным и фиолетовым светом составляет примерно 3 градуса .

Полное внутреннее отражение

Многие призмы используют полное внутреннее отражение, а не преломление. Когда свет, проходящий через более плотную среду (например, стекло), падает на границу с менее плотной средой (например, воздух) под углом, превышающим критический угол, 100% света отражается обратно в более плотную среду. . Для крон-стекла этот критический угол составляет примерно 41,8 градусов .

Это явление позволяет призмам функционировать как высокоэффективные зеркала без металлических покрытий, что делает их превосходящими обычные зеркала во многих применениях, поскольку потери света из-за поглощения равны нулю.

Распространенные типы оптических призм

Оптические призмы классифицируются в зависимости от их геометрии и основной функции. Каждый тип служит определенным приложениям в оптических системах.

Дисперсионные призмы

Классическая треугольная призма в первую очередь рассеивает свет. Эти призмы характеризуются углом при вершине (обычно между 30 и 60 градусов ) и имеют основополагающее значение для спектроскопического анализа. Современные спектрометры могут использовать призменную дисперсию для идентификации материалов по их спектральным характеристикам. разрешение по длине волны до 0,1 нанометра .

Отражающие призмы

Отражающие призмы перенаправляют свет без значительного рассеивания. Система призм Порро, изобретенная Игнацио Порро в 1854 году, остается стандартом для многих биноклей. Пара призм Порро может создавать перевернутое изображение, одновременно увеличивая длину оптического пути. , что позволяет создавать компактные конструкции приборов с эффективным увеличением.

Поляризационные призмы

Специализированные призмы, такие как призма Николя или призма Глана-Томпсона, разделяют свет на ортогональные состояния поляризации. Эти устройства достигают коэффициенты вымирания, превышающие 100 000: 1 , что делает их незаменимыми для поляриметрии и оптических исследований.

Реальное применение оптических призм

Оптические призмы повсеместно используются в современных технологиях и часто работают незаметно внутри устройств, которые мы используем ежедневно.

Фотография и изображения

В однообъективных зеркальных камерах (SLR) используются пентапризмы, которые обеспечивают фотографам вертикальный и правильно ориентированный вид через видоискатель. Пентапризма пять раз отражает свет внутрь себя. , корректируя перевернутое и перевернутое изображение, создаваемое объективом камеры, без необходимости использования дополнительных оптических элементов.

В цифровых проекторах используются призменные сборки для объединения изображений с отдельных красных, зеленых и синих ЖК-панелей или чипов DLP. Система дихроичных призм в Трехчиповый проектор обеспечивает точность цветопередачи в пределах 2% от профессиональных стандартов. .

Научное приборостроение

Спектрометры используют призмы для анализа состава материалов. Например, астрономические спектрографы используют призменную дисперсию для определения химического состава далеких звезд. Спектроскопические инструменты космического телескопа Хаббл могут обнаруживать химические концентрации с помощью точность лучше 5% в звездных атмосферах.

В химических лабораториях рефрактометры Аббе используют призмы для измерения показателя преломления жидкостей с точность до четырех десятичных знаков , что позволяет точно идентифицировать вещества и измерять концентрацию.

Телекоммуникации и лазерные технологии

Волоконно-оптические системы используют призмы для мультиплексирования с разделением по длине волны, когда несколько потоков данных на разных длинах волн проходят через одно волокно. Современные системы DWDM могут мультиплексировать более 80 отдельных каналов. , каждый из которых передает 100 Гбит/с, используя призменное разделение длин волн.

В системах управления лазерным лучом используются вращающиеся призмы или пары призм для точного управления направлением луча без перемещения самого лазерного источника. точность позиционирования в микрорадианах .

Бытовая оптика

Бинокли оснащены призмами Порро или крышей, которые создают компактный и эргономичный дизайн, обеспечивая при этом увеличенное и правильно ориентированное изображение. В высококачественных биноклях используются фазокорректирующие покрытия на крыше-призмах, позволяющие достичь светопропускания, превышающего 90 %. , конкурируя по яркости с прямым просмотром.

Материалы и производство

Характеристики оптической призмы во многом зависят от свойств ее материала и точности изготовления.

Распространенные материалы призм

• BK7 Стекло: Наиболее распространенное оптическое стекло с показателем преломления 1,517, используемое в призмах общего назначения для длин волн 380-2100 нм.
• Плавленый кремнезем: Обеспечивает исключительную передачу в ультрафиолетовом диапазоне и низкое тепловое расширение, что критически важно для мощных лазерных приложений.
• SF11 Стекло: Высокий показатель преломления (1,785) обеспечивает большую дисперсию, идеален для компактных спектроскопических систем.
• Кальций фторид: Передаёт инфракрасные и ультрафиолетовые волны, необходимые для специализированной спектроскопии, с длиной волны от 180 до 8000 нм.

Точность производства

Прецизионные призмы требуют исключительных производственных допусков. Плоскостность поверхности обычно должна быть лучше, чем λ/4 (четверть длины волны света). , что соответствует отклонениям менее 150 нанометров для видимого света. Требования к угловой точности столь же строгие, часто с точностью до угловые секунды (1/3600 градуса) .

Оптические покрытия значительно улучшают характеристики призмы. Антиотражающие покрытия могут снизить потери на отражение от поверхности с 4% до менее 0,25% на поверхность . Металлические или диэлектрические покрытия на отражающих поверхностях повышают эффективность и обеспечивают избирательное отражение по длине волны.

Преимущества и ограничения

Понимание того, когда использовать призмы по сравнению с альтернативными оптическими компонентами, требует знания их сильных и слабых сторон.

Ключевые преимущества

• Отсутствие потерь на поглощение: Призмы полного внутреннего отражения достигают практически 100% эффективности отражения, что превосходит металлические зеркала, которые обычно отражают 90-95%.
• Разделение длин волн: Призмы обеспечивают непрерывную дисперсию длины волны, в отличие от дифракционных решеток, которые создают несколько порядков.
• Долговечность: Внутренние отражающие поверхности защищены от загрязнения окружающей среды и механических повреждений.
• Контроль поляризации: Некоторые типы призм могут разделять или анализировать состояния поляризации с исключительной чистотой.

Практические ограничения

• Размер и вес: Стеклянные призмы значительно тяжелее, чем эквивалентные зеркальные системы, что ограничивает их использование в приложениях, чувствительных к весу.
• Стоимость: Прецизионные призмы с качественным покрытием могут стоить в 10-50 раз дороже простых зеркал.
• Хроматические эффекты: Дисперсионные призмы разделяют длины волн, что нежелательно в приложениях визуализации, требующих ахроматических характеристик.
• Температурная чувствительность: Изменения показателя преломления в зависимости от температуры могут влиять на характеристики призмы в экстремальных условиях, типичные отклонения составляют 1–5 частей на миллион на градус Цельсия.

Выбор правильной призмы

Выбор подходящей призмы для конкретного применения предполагает систематический учет множества факторов.

Критические критерии выбора

1. Диапазон длин волн: Подберите материал призмы в соответствии с рабочими длинами волн; Для УФ-приложений требуется плавленый кварц, тогда как для ИК-излучения могут потребоваться специальные материалы, такие как селенид цинка.
2. Требования к отклонению луча: Определите необходимый угол отклонения (45°, 90°, 180°) и необходимо ли сохранять ориентацию изображения.
3. Дисперсия требует: Решите, желательно ли разделение длин волн или проблематично для приложения.
4. Ограничения по размеру: Учитывайте ограничения физического пространства и веса.
5. Мощность: Для применения мощных лазеров требуются материалы с высоким порогом повреждения, обычно более 10 Дж/см² для плавленого кварца

Рекомендации по нанесению покрытия

Выбор оптического покрытия существенно влияет на характеристики призмы. Стандартные просветляющие покрытия обеспечивают отражение ниже 0,5% на поверхность в видимом диапазоне волн, а широкополосные покрытия расширяют эти характеристики с 400–700 нм. Для критических применений можно использовать специальные многослойные покрытия. отражательная способность ниже 0,1% на определенных длинах волн.

Металлические покрытия (алюминий или серебро) на отражающих поверхностях позволяют использовать их за пределами критического угла, хотя и за счет потеря отражения 3-10% . Защищенное серебряное покрытие обеспечивает превосходную отражательную способность в инфракрасном диапазоне, сохраняя при этом достаточные видимые характеристики.

Будущие разработки в области призменных технологий

Достижения в области материаловедения и производства расширяют возможности и возможности призм.

Метаматериальные призмы

Исследователи разрабатывают призмы, используя метаматериалы — искусственно структурированные материалы с оптическими свойствами, не встречающимися в природе. Эти метаматериальные призмы могут достичь отрицательное преломление или супердисперсия , что позволяет создавать сверхкомпактные спектроскопические системы и новые устройства формирования изображений. Ранние прототипы демонстрируют коэффициенты дисперсии в 10 раз больше чем обычное стекло.

Адаптивные призмы

Жидкокристаллические и электрооптические материалы позволяют создавать электрически настраиваемые призмы, которые могут динамически регулировать свои оптические свойства. Эти устройства могут совершить революцию в управлении лучом и выборе длины волны. время переключения менее 1 миллисекунды и никаких движущихся частей.

Миниатюризация

Массивы микропризм, изготовленные с использованием технологий производства полупроводников, позволяют создавать интегрированные фотонные устройства. Эти микроскопические призмы, размеры которых измеряются в микрометрах, являются важнейшими компонентами оптических MEMS-устройств и камер смартфонов, где призменные матрицы обеспечивают оптическую стабилизацию изображения в упаковках диаметром менее 5 мм.