Οπτικό πρίσμα

Οπτικό πρίσμα: εκτροπή, διασπορά και ολική εσωτερική ανάκλαση

Ένα οπτικό πρίσμα είναι ένα διαφανές στερεό με επίπεδες και γυαλισμένες επιφάνειες, λαξευμένο από γυαλί ή κρύσταλλο, του οποίου η ακριβής γεωμετρία καθορίζει τη συμπεριφορά του φωτός που το διαπερνά ή ανακλάται σε αυτό. Δεν είναι ένα απλό κομμάτι γυαλιού: η γωνιακή ανοχή μεταξύ των επιφανειών, που εκφράζεται σε δευτερόλεπτα τόξου, επηρεάζει άμεσα την ποιότητα της τελικής εικόνας. Με απόκλιση 30 δευτερολέπτων της μοίρας σε ένα ορθογώνιο πρίσμα, εισάγεται στο δέσμη ένα σφάλμα στόχευσης 0,25 mrad — αμελητέο για διακοσμητική χρήση, αλλά απαράδεκτο για μια συσκευή παρεμβολόμετρου.

Ο Νεύτωνας χρησιμοποίησε ένα τριγωνικό πρίσμα από γυαλί το 1666 για να αποδείξει τη διάσπαση του λευκού φωτός σε ορατό φάσμα μεταξύ 380 nm (ιώδες) και 700 nm (κόκκινο). Η αρχή δεν έχει αλλάξει. Αυτό που έχει αλλάξει είναι η ακρίβεια των υλικών και η ποικιλία των διαθέσιμων γεωμετριών, καθώς κάθε οικογένεια πρισμάτων επιλύει ένα συγκεκριμένο οπτικό πρόβλημα.

Οι τύποι των οπτικών πρισμάτων και οι πρακτικές εφαρμογές τους

Πρίσμα ορθής γωνίας και πρίσμα Porro

Το πρίσμα ορθής γωνίας, στην απλούστερη μορφή του, αξιοποιεί την ολική εσωτερική ανάκλαση στη διεπαφή γυαλιού-αέρα όταν η γωνία πρόσπτωσης υπερβαίνει την κρίσιμη γωνία. Για το BK7 (δείκτης nd = 1,5168), η γωνία αυτή είναι 41,2°. Αποτέλεσμα: ανάκλαση άνω του 99,9% χωρίς μεταλλική επίστρωση, επομένως καμία προβληματική απώλεια φάσης στα ορατά μήκη κύματος. Αυτό ακριβώς κάνει το πρίσμα Porro σε ένα ζευγάρι κιάλια από το 1854, ημερομηνία κατά την οποία ο Ignazio Porro κατέθεσε το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το διόφθαλμο σύστημα που φέρει το όνομά του. Δύο πρίσματα ορθής γωνίας, όταν συναρμολογούνται, μετατοπίζουν τον οπτικό άξονα πλευρικά και αναστρέφουν την εικόνα δύο φορές, παρέχοντας μια ευθεία και όρθια εικόνα με επιμηκυμένη οπτική διαδρομή, χωρίς να αυξάνεται το φυσικό μήκος του οργάνου.

Πενταγωνικό πρίσμα (πενταπρίσμα)

Το πενταπρίσμα εκτρέπει τη δέσμη κατά 90° χωρίς να αναστρέφει την εικόνα, ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό της. Αυτή η ιδιότητα του εξασφαλίζει μια αναντικατάστατη θέση στα σκόπευτρα των φωτογραφικών μηχανών reflex από τη δεκαετία του 1950: η Contax S του 1949 ήταν η πρώτη φωτογραφική μηχανή 35 mm που εξοπλίστηκε με αυτό. Στη μετρολογία λέιζερ, χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό ορθών γωνιών με ακρίβεια μικρότερη από 1 δευτερόλεπτο τόξου, χωρίς να απαιτείται προηγούμενη ευθυγράμμιση του ίδιου του πρίσματος.

Πρίσμα Dove και πρίσμα οροφής Amici

Το πρίσμα Dove περιστρέφει την εικόνα με ταχύτητα διπλάσια από τη δική του περιστροφή. Τοποθετημένο σε περιστρεφόμενο βραχίονα, επιτρέπει τον προσανατολισμό μιας εικόνας κατά 360°, περιστρέφοντας το πρίσμα μόνο κατά 180°. Το πρίσμα Amici, από την άλλη, συνδυάζει μια στέγη με δύο όψεις υπό γωνία 90° που αναστρέφουν την εικόνα χωρίς να την μετατοπίζουν πλευρικά. Χρησιμοποιείται σε επίγεια αστρονομικά τηλεσκόπια και σε ενδοσκόπια όπου ο διαμήκης όγκος είναι κρίσιμος παράγοντας.

Διασπορικό πρίσμα για φασματοσκοπία

Τα ισόπλευρα τριγωνικά πρίσματα (60°) χρησιμοποιούνται στη φασματοσκοπία όταν το πλέγμα περίθλασης δεν είναι κατάλληλο, ιδίως στο βαθύ υπεριώδες ή για υψηλές ισχύς λέιζερ. Η διασπορική ικανότητα εξαρτάται από το γυαλί: ένα πρίσμα από φλιντ F2 έχει αριθμό Abbe 36,4 έναντι 64,2 για το BK7, πράγμα που σημαίνει ότι το F2 διασκορπίζει περισσότερο το ορατό φάσμα αλλά εισάγει περισσότερη χρωματική εκτροπή σε έναν φακό. Η επιλογή μεταξύ των δύο εξαρτάται από τον συμβιβασμό μεταξύ φασματικής ανάλυσης και μετάδοσης.

Υλικά: BK7, λιωμένη πυριτία και εναλλακτικές λύσεις για την υπέρυθρη ακτινοβολία

Το βοριοπυριτικό BK7 είναι το υλικό αναφοράς για το 80% των οπτικών πρισμάτων για χρήση στο ορατό φάσμα. Η διαπερατότητά του καλύπτει το εύρος από 330 nm έως 2 100 nm, η ομοιογένειά του είναι τυπικά H3 σύμφωνα με το πρότυπο ISO 10110, και η τιμή του παραμένει προσιτή. Είναι κατάλληλο για σχεδόν όλες τις εφαρμογές στο ορατό φως και στο εγγύς υπέρυθρο.

Το λιωμένο πυρίτιο (fused silica) αναλαμβάνει όταν απαιτείται το φάσμα UV κάτω των 330 nm. Διαπερνά από τα 185 nm, παρουσιάζει καλή αντοχή στις παλμικές ακτίνες λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας και ο συντελεστής θερμικής διαστολής της είναι δέκα φορές μικρότερος από αυτόν του BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ έναντι 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Για ένα πρίσμα που χρησιμοποιείται σε φασματόμετρο UV ή σε πάγκο λέιζερ φεμτοδευτερολέπτου, αποτελεί την προεπιλεγμένη επιλογή, παρά το κόστος του που είναι δύο έως πέντε φορές υψηλότερο.

• ZnSe: μέση υπέρυθρη περιοχή από 0,6 µm έως 16 µm, απαραίτητο για τα λέιζερ CO₂ στα 10,6 µm, αλλά μηχανικά εύθραυστο (σκληρότητα Knoop: 120)
• CaF₂: από υπεριώδη (UV) στα 130 nm έως υπέρυθρο (IR) στα 10 µm, χρησιμοποιείται στη λιθογραφία βαθιάς υπεριώδους ακτινοβολίας (deep-UV) και στη φασματοσκοπία Raman UV
• Γερμάνιο: θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία από 2 µm έως 14 µm, αδιαφανές στο ορατό φάσμα, πολύ υψηλός δείκτης διάθλασης (n = 4,0) που απαιτεί υποχρεωτική αντιθαμβωτική επεξεργασία

Πώς να επιλέξετε ένα οπτικό πρίσμα: συγκεκριμένα κριτήρια αγοράς

Πρώτα η γεωμετρία: προσδιορίστε τη λειτουργία (εκτροπή, ανύψωση εικόνας, διασπορά, περιστροφή) πριν αναζητήσετε το υλικό. Ένα τυπικό ορθογώνιο πρίσμα από BK7 με λείανση λ/4 καλύπτει το 95% των αναγκών στην απεικόνιση και στις συνήθεις οπτικές συναρμολογήσεις.

Στη συνέχεια, η ποιότητα της επιφάνειας. Η σήμανση λ/10 σημαίνει ότι η μέγιστη απόκλιση από την επιπεδότητα κάθε επιφάνειας είναι μικρότερη από το ένα δέκατο του μήκους κύματος στα 633 nm, δηλαδή 63 nm. Για μια διάταξη παρεμβολόμετρου ή ένα λέιζερ υψηλής ισχύος, απαιτείται λ/20 ή καλύτερη ακρίβεια. Για μια εκπαιδευτική διάταξη ή χρήση στη φωτογραφία, το λ/4 αρκεί επαρκώς. Δεν έχει νόημα να πληρώσετε για μια ανοχή που η εφαρμογή σας δεν μπορεί να αξιοποιήσει.

Η αντι-αντανακλαστική επίστρωση (AR) μειώνει την ανεπιθύμητη ανάκλαση σε κάθε διεπαφή από 4 % (Fresnel, χωρίς επίστρωση σε BK7) σε λιγότερο από 0,25 % ανά όψη με μια πολυστρωματική επίστρωση MgF₂ + ZrO₂ βελτιστοποιημένη για το εύρος χρήσης. Σε ένα πρίσμα με έξι ενεργές όψεις, αυτό αντιπροσωπεύει τη διαφορά μεταξύ συνολικής μετάδοσης 78 % και 98,5 %.

Οπτικό πρίσμα για την εκπαίδευση, την επιστημονική ψυχαγωγία και την επαγγελματική χρήση

Ένα τριγωνικό πρίσμα από βοριοπυριτικό γυαλί με πλευρά 50 mm και επαρκή οπτική ποιότητα κοστίζει μεταξύ 15 και 40 € για εκπαιδευτική ή φωτογραφική χρήση. Σε αυτή την τιμή, οι γωνιακές ανοχές σπάνια προσδιορίζονται και η ποιότητα της λείανσης ποικίλλει. Για χρήση σε οπτική διάταξη με επαναληψιμότητα, ένα πρίσμα BK7 με προδιαγραφή λ/4 και γωνιακή ανοχή 3 λεπτών τόξου κοστίζει μεταξύ 40 και 120 €, ανάλογα με το μέγεθος.

Στην ερασιτεχνική αστρονομία, τα πρίσματα ορθής γωνίας 90° χρησιμεύουν ως γωνιακοί ανακλαστήρες για την αποφυγή άβολων θέσεων παρατήρησης στο ζενίθ. Ένα μοντέλο με επίστρωση AR 450-750 nm, τοποθετημένο σε σωλήνα διαμέτρου 31,75 mm ή 50,8 mm, αποτελεί μια συνηθισμένη αγορά. Η διαφορά μεταξύ ενός φθηνού πρίσματος και ενός πρίσματος υψηλής ποιότητας γίνεται εμφανής στα άκρα των λαμπρών αστεριών: ένα κακής ποιότητας πρίσμα προκαλεί πλευρική κόμη που είναι ορατή σε υψηλή μεγέθυνση.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός πρίσματος BK7 και ενός πρίσματος από λιωμένο πυρίτιο για τη δική μου εφαρμογή;

Το BK7 καλύπτει το φάσμα από 330 nm έως 2 100 nm και είναι κατάλληλο για οποιαδήποτε εφαρμογή στο ορατό φάσμα ή στο εγγύς υπέρυθρο. Το λιωμένο πυρίτιο καλύπτει φάσμα έως τα 185 nm και αντέχει καλύτερα στις θερμικές διακυμάνσεις και στις έντονες παλμικές ακτίνες UV. Εάν εργάζεστε αποκλειστικά στο ορατό φάσμα, το BK7 είναι επαρκές και κοστίζει δύο έως πέντε φορές λιγότερο. Εάν η πηγή σας εκπέμπει στην υπεριώδη ακτινοβολία (κάτω από 330 nm) ή εάν χρησιμοποιείτε λέιζερ φεμτοδευτερολέπτου, το λιωμένο πυρίτιο είναι υποχρεωτικό.

Ποια γωνιακή ανοχή πρέπει να επιλέξετε για ένα πρίσμα φασματοσκοπίας ή μετρολογίας;

Για εργαστηριακή φασματοσκοπία ή μετρολογία λέιζερ, στοχεύστε σε γωνιακή ανοχή 10 έως 30 δευτερόλεπτα τόξου και ποιότητα επιφάνειας λ/10. Πάνω από 1 λεπτό τόξου, τα σφάλματα στόχευσης γίνονται αισθητά σε συστήματα με μεγάλη εστιακή απόσταση. Για εκπαιδευτική χρήση ή στη φωτογραφία, 3 έως 5 λεπτά τόξου είναι αποδεκτά και αντιπροσωπεύουν σημαντικά χαμηλότερο κόστος.

Πρίσμα Porro ή πρίσμα οροφής για συμπαγή κιάλια;

Το πρίσμα Porro παράγει ελαφρώς υψηλότερη αντίθεση, καθώς η εσωτερική ολική ανάκλαση δεν απαιτεί επίστρωση φάσης (phase-coating). Προσφέρει επίσης πιο έντονη αίσθηση ανάγλυφου χάρη στην απόσταση μεταξύ των αντικειμενικών φακών. Αντίθετα, απαιτεί ευρύτερο σκελετό. Το πρίσμα οροφής επιτρέπει έναν πιο συμπαγή και αδιάβροχο σωλήνα, αλλά απαιτεί επίστρωση φάσης (P-coating) για τη διατήρηση της αντίθεσης: βεβαιωθείτε ότι υπάρχει σε κάθε κιάλια οροφής με τιμή άνω των 200 €.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα οπτικό πρίσμα με λέιζερ υψηλής ισχύος;

Ναι, υπό την προϋπόθεση ότι τηρείται το όριο βλάβης (LIDT) του υλικού και της επίστρωσης. Για ένα λέιζερ συνεχούς εκπομπής στα 532 nm, το μη επεξεργασμένο BK7 αντέχει περίπου 500 W/cm², ενώ μια επίστρωση AR κακής ποιότητας μειώνει αυτό το όριο στα 300-400 W/cm² αν δεν έχει καθοριστεί σωστά. Για τα παλμικά λέιζερ (ns, ps, fs), η μέγιστη πυκνότητα ενέργειας αποτελεί την κρίσιμη παράμετρο: η λιωμένη πυριτία και οι επιστρώσεις με ονομαστική τιμή LIDT είναι απαραίτητες πάνω από μερικές δεκάδες mJ/cm².