Čo je to optický hranol? Typy, funkcie a aplikácie

Pochopenie optických hranolov

An optický hranol je priehľadný optický prvok s plochými, leštenými povrchmi, ktoré lámu svetlo. Základným princípom hranolu je, že môže ohýbať, odrážať alebo štiepiť svetlo na základe svojej geometrie a refrakčných vlastností svojho materiálu. . Na rozdiel od šošoviek, ktoré používajú zakrivené povrchy, hranoly využívajú rovinné povrchy umiestnené v špecifických uhloch na manipuláciu so svetelnými dráhami.

Väčšina optických hranolov je vyrobená zo skla alebo priehľadných plastov s presnými indexmi lomu. Najznámejšou formou je trojuholníkový hranol, ktorý rozptyľuje biele svetlo do jeho základných farieb spektra – jav, ktorý prvýkrát systematicky študoval Isaac Newton v roku 1666. Hranoly však slúžia na oveľa viac účelov ako na vytváranie dúhy; sú základnými komponentmi mnohých optických systémov od jednoduchých periskopov až po pokročilé spektrometre.

Kľúčovou vlastnosťou, ktorá odlišuje hranoly od iných optických prvkov, je ich schopnosť meniť smer svetla bez toho, aby ho nevyhnutne zaostrovali. , vďaka čomu sú neoceniteľné pre aplikácie riadenia lúča, korekcie orientácie obrazu a separácie vlnových dĺžok.

Ako fungujú optické hranoly

Činnosť optických hranolov sa riadi dvoma základnými optickými princípmi: lom a úplný vnútorný odraz.

Refrakcia v hranoloch

Keď svetlo vstupuje do hranola pod uhlom, ohýba sa podľa Snellovho zákona. Stupeň ohybu závisí od vlnovej dĺžky svetla a indexu lomu materiálu hranolu . Pre štandardné optické sklo (korunové sklo) je index lomu približne 1,52, čo znamená, že svetlo sa v skle šíri 1,52-krát pomalšie ako vo vzduchu.

Tento lom závislý od vlnovej dĺžky vysvetľuje, prečo hranoly dokážu rozdeliť biele svetlo na farby – modré svetlo sa ohýba ostrejšie ako červené svetlo, pretože má kratšiu vlnovú dĺžku. V typickom disperznom hranole s a 60-stupňový vrcholový uhol , uhlová vzdialenosť medzi červeným a fialovým svetlom je približne 3 stupne .

Totálna vnútorná reflexia

Mnohé hranoly využívajú skôr úplný vnútorný odraz ako lom. Keď svetlo prechádzajúce hustejším médiom (ako je sklo) narazí na hranicu s menej hustým médiom (ako vzduch) pod uhlom väčším ako je kritický uhol, 100% svetla sa odráža späť do hustejšieho média . Pre korunové sklo je tento kritický uhol približne 41,8 stupňa .

Tento jav umožňuje hranolom fungovať ako vysoko účinné zrkadlá bez kovových povlakov, vďaka čomu sú v mnohých aplikáciách lepšie ako bežné zrkadlá, pretože nedochádza k žiadnej strate svetla absorpciou.

Bežné typy optických hranolov

Optické hranoly sú kategorizované na základe ich geometrie a primárnej funkcie. Každý typ slúži na špecifické aplikácie v optických systémoch.

Disperzné hranoly

Klasický trojuholníkový hranol primárne rozptyľuje svetlo. Tieto hranoly sú charakterizované ich vrcholovým uhlom (zvyčajne medzi 30 a 60 stupňov ) a sú základom spektroskopickej analýzy. Moderné spektrometre môžu použiť hranolovú disperziu na identifikáciu materiálov podľa ich spektrálnych podpisov rozlíšenie vlnovej dĺžky až 0,1 nanometra .

Odrazové hranoly

Odrazové hranoly presmerujú svetlo bez výrazného rozptylu. Systém Porro hranolov, ktorý vynašiel Ignazio Porro v roku 1854, zostáva štandardom v mnohých ďalekohľadoch. Pár Porro hranolov dokáže postaviť prevrátený obraz a zároveň zväčšiť dĺžku optickej dráhy , čo umožňuje kompaktné konštrukcie prístrojov s efektívnym zväčšením.

Polarizačné hranoly

Špecializované hranoly ako Nicolov hranol alebo Glan-Thompsonov hranol rozdeľujú svetlo do stavov ortogonálnej polarizácie. Tieto zariadenia dosahujú extinkčné pomery presahujúce 100 000:1 , vďaka čomu sú nevyhnutné pre polarimetrické a optické výskumné aplikácie.

Aplikácie optických hranolov v reálnom svete

Optické hranoly sú v modernej technológii všadeprítomné a často fungujú neviditeľne v zariadeniach, ktoré denne používame.

Fotografovanie a zobrazovanie

Jednooké zrkadlovky (SLR) sa spoliehajú na pentaprizmy, ktoré poskytujú fotografom vzpriamený, správne orientovaný pohľad cez hľadáčik. Pentaprizmus odráža svetlo päťkrát dovnútra koriguje prevrátený a prevrátený obraz vytvorený objektívom fotoaparátu bez potreby ďalších optických prvkov.

Digitálne projektory používajú hranolové zostavy na kombinovanie obrazov zo samostatných červených, zelených a modrých LCD panelov alebo DLP čipov. Systém dichroických hranolov v a trojčipový projektor dokáže dosiahnuť presnosť farieb v rámci 2 % profesionálnych štandardov .

Vedecké prístrojové vybavenie

Spektrometre používajú hranoly na analýzu zloženia materiálov. Napríklad astronomické spektrografy využívajú rozptyl hranolov na určenie chemického zloženia vzdialených hviezd. Spektroskopické prístroje Hubbleovho vesmírneho teleskopu dokážu detekovať chemické množstvá presnosť lepšia ako 5% v hviezdnych atmosférach.

V chemických laboratóriách používajú Abbe refraktometre hranoly na meranie indexu lomu kvapalín s presnosť na štyri desatinné miesta umožňujúci presnú identifikáciu látok a meranie koncentrácie.

Telekomunikácie a laserové technológie

Systémy s optickými vláknami používajú hranoly na multiplexovanie delením vlnových dĺžok, kde cez jedno vlákno prechádza viacero dátových tokov na rôznych vlnových dĺžkach. Moderné DWDM systémy dokážu multiplexovať viac ako 80 samostatných kanálov , z ktorých každý prenáša 100 Gbps, pričom využíva separáciu vlnových dĺžok na základe hranolu.

Systémy riadenia laserového lúča využívajú rotujúce hranoly alebo páry hranolov na presné riadenie smeru lúča bez pohybu samotného zdroja lasera, čím sa dosiahne presnosť polohovania v rámci mikroradiánov .

Spotrebiteľská optika

Ďalekohľady obsahujú Porro alebo strešné hranoly na vytvorenie kompaktného, ergonomického dizajnu a zároveň poskytujú zväčšené, správne orientované obrazy. Vysokokvalitné ďalekohľady používajú na strešných hranoloch vrstvy s fázovou korekciou, aby sa dosiahla priepustnosť svetla presahujúca 90 % , ktorý sa vyrovná jasu priameho sledovania.

Materiály a výroba

Výkon optického hranolu kriticky závisí od jeho materiálových vlastností a presnosti výroby.

Bežné hranolové materiály

• Sklo BK7: Najbežnejšie optické sklo s indexom lomu 1,517, používané v univerzálnych hranoloch pre vlnové dĺžky od 380-2100 nm
• Tavený oxid kremičitý: Ponúka výnimočný prenos v ultrafialovom rozsahu a nízku tepelnú rozťažnosť, čo je kritické pre vysokovýkonné laserové aplikácie
• Sklo SF11: Vysoký index lomu (1,785) poskytuje väčší rozptyl, ideálny pre kompaktné spektroskopické systémy
• Fluorid vápenatý: Prenáša infračervené a ultrafialové vlnové dĺžky, nevyhnutné pre špecializovanú spektroskopiu s prenosom od 180 nm do 8000 nm

Výrobná presnosť

Presné hranoly vyžadujú mimoriadne výrobné tolerancie. Plochosť povrchu musí byť zvyčajne lepšia ako λ/4 (jedna štvrtina vlnovej dĺžky svetla) , čo znamená odchýlky menšie ako 150 nanometrov pre viditeľné svetlo. Požiadavky na presnosť uhla sú rovnako prísne, často špecifikované v rámci oblúkové sekundy (1/3600 stupňa) .

Optické povlaky výrazne zvyšujú výkon hranola. Antireflexné vrstvy môžu znížiť straty odrazom povrchu zo 4 % na menej ako 0,25 % na povrch . Kovové alebo dielektrické povlaky na odrazových plochách zlepšujú účinnosť a umožňujú selektívny odraz vlnovej dĺžky.

Výhody a obmedzenia

Pochopenie, kedy použiť hranoly oproti alternatívnym optickým komponentom, si vyžaduje poznať ich silné a slabé stránky.

Kľúčové výhody

• Žiadne absorpčné straty: Hranoly s úplným vnútorným odrazom dosahujú prakticky 100 % účinnosť odrazu, čo je lepšie ako u kovových zrkadiel, ktoré zvyčajne odrážajú 90 – 95 %
• Oddelenie vlnových dĺžok: Hranoly poskytujú kontinuálnu disperziu vlnových dĺžok, na rozdiel od difrakčných mriežok, ktoré produkujú viacero rádov
• Trvanlivosť: Vnútorné odrazové plochy sú chránené pred znečistením prostredia a mechanickým poškodením
• Ovládanie polarizácie: Niektoré typy hranolov môžu oddeľovať alebo analyzovať stavy polarizácie s výnimočnou čistotou

Praktické obmedzenia

• Veľkosť a hmotnosť: Sklenené hranoly sú podstatne ťažšie ako ekvivalentné zrkadlové systémy, čo obmedzuje ich použitie v aplikáciách citlivých na hmotnosť
• Cena: Presné hranoly s vysoko kvalitnými povlakmi môžu stáť 10-50 krát viac ako jednoduché zrkadlá
• Chromatické efekty: Disperzné hranoly oddeľujú vlnové dĺžky, čo je nežiaduce pri zobrazovacích aplikáciách vyžadujúcich achromatický výkon
• Citlivosť na teplotu: Zmeny indexu lomu s teplotou môžu ovplyvniť výkon hranola v extrémnych prostrediach s typickými odchýlkami 1-5 častíc na milión na stupeň Celzia

Výber správneho hranola

Výber vhodného hranola pre konkrétnu aplikáciu zahŕňa systematické zvažovanie viacerých faktorov.

Kritické výberové kritériá

1. Rozsah vlnovej dĺžky: Prispôsobte materiál hranola prevádzkovým vlnovým dĺžkam; UV aplikácie vyžadujú tavený oxid kremičitý, zatiaľ čo IR môže vyžadovať špeciálne materiály, ako je selenid zinku
2. Požiadavky na odchýlku lúča: Určite potrebný uhol vychýlenia (45°, 90°, 180°) a či treba zachovať orientáciu obrazu
3. Potreba disperzie: Rozhodnite sa, či je pre aplikáciu požadovaná alebo problematická separácia vlnových dĺžok
4. Obmedzenia veľkosti: Zvážte fyzické obmedzenia priestoru a obmedzenia hmotnosti
5. Manipulácia s výkonom: Aplikácie vysokovýkonných laserov si zvyčajne vyžadujú materiály s vysokými prahmi poškodenia viac ako 10 J/cm² pre tavený oxid kremičitý

Úvahy o nátere

Výber optických povlakov dramaticky ovplyvňuje výkon hranola. Štandardné antireflexné vrstvy poskytujú odraz pod 0,5 % na povrch naprieč viditeľnými vlnovými dĺžkami, zatiaľ čo širokopásmové povlaky rozširujú tento výkon od 400 do 700 nm. Pre kritické aplikácie je možné dosiahnuť vlastné viacvrstvové nátery odrazivosť pod 0,1% na špecifických vlnových dĺžkach.

Kovové povlaky (hliník alebo striebro) na odrazových plochách umožňujú použitie mimo kritického uhla, aj keď za cenu 3-10% strata odrazu . Chránené strieborné povlaky ponúkajú vynikajúcu odrazivosť v infračervenom pásme pri zachovaní adekvátneho viditeľného výkonu.

Budúci vývoj v technológii hranolov

Pokroky v materiálovej vede a výrobe rozširujú možnosti a aplikácie hranolov.

Metamateriálové hranoly

Výskumníci vyvíjajú hranoly pomocou metamateriálov - umelo štruktúrovaných materiálov s optickými vlastnosťami, ktoré sa v prírode nenachádzajú. Tieto metamateriálové hranoly môžu dosiahnuť negatívna refrakcia alebo superdisperzia , ktorý umožňuje ultrakompaktné spektroskopické systémy a nové zobrazovacie zariadenia. Prvé prototypy demonštrujú disperzné koeficienty 10-krát väčšie než bežné sklo.

Adaptívne hranoly

Tekuté kryštály a elektrooptické materiály umožňujú elektricky laditeľné hranoly, ktoré dokážu dynamicky upravovať svoje optické vlastnosti. Tieto zariadenia by mohli spôsobiť revolúciu v riadení lúča a výbere vlnovej dĺžky spínacie časy pod 1 milisekundu a žiadne pohyblivé časti.

Miniaturizácia

Mikrohranolové polia vyrobené pomocou techník výroby polovodičov umožňujú integrované fotonické zariadenia. Tieto mikroskopické hranoly s rozmermi meranými v mikrometroch sú kritickými komponentmi v optických zariadeniach MEMS a fotoaparátoch smartfónov, kde hranolové polia poskytujú optickú stabilizáciu obrazu v baleniach menších ako 5 mm naprieč.