ปริซึมเชิงแสง: หลักการทำงาน ประเภท และแนวทางการเลือก

การหักเหและเรขาคณิตของการเบี่ยงเบน

แสงที่เข้าสู่ปริซึมจะเปลี่ยนความเร็วและทิศทางเนื่องจากดัชนีการหักเหของแก้วมีมากกว่าอากาศ ความสัมพันธ์เป็นไปตามนั้น n₁ บาป θ₁ = n₂ บาป θ₂ โดยที่ θ วัดจากพื้นผิวปกติ รังสีที่เคลื่อนที่ผ่านปริซึมที่มีมุมยอด A จะมีการเบี่ยงเบนรวม δ = i₁ i₂ – A โดยที่ i₁ และ i₂ เป็นมุมเข้าและออก ที่สภาวะเบี่ยงเบนต่ำสุด รังสีจะผ่านไปอย่างสมมาตร และสามารถคำนวณดัชนีการหักเหของแสงได้โดยตรงจาก n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2) คุณสมบัตินี้ช่วยให้สามารถวัดการกระจายตัวของวัสดุได้อย่างแม่นยำ

การเลือกใช้วัสดุจะควบคุมทั้งปริมาณความเบี่ยงเบนและการแพร่กระจายของความยาวคลื่น แก้วคราวน์บอโรซิลิเกตทั่วไป (เทียบเท่า N-BK7) n _d = 1.5168 ที่ 587.6 นาโนเมตร และเลข Abbe V _d = 64.17 บ่งบอกถึงการกระจายตัวปานกลาง สำหรับการใช้งานอัลตราไวโอเลต ซิลิกาผสมเกรด UV (n _d = 1.4585, วี _d = 67.8) ให้การส่งผ่านที่สูงกว่าที่ต่ำกว่า 350 นาโนเมตร และการขยายตัวทางความร้อนที่ต่ำกว่า ความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงระหว่างวัสดุทั้งสองจะเปลี่ยนแปลงค่าเบี่ยงเบนหลายองศาที่มุมยอดเดียวกัน ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบระบบ

ประเภทของปริซึมและหน้าที่

เรขาคณิตแต่ละชิ้นใช้ประโยชน์จากการหักเหหรือการสะท้อนเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมที่ทำซ้ำได้ ตารางด้านบนเน้นการกำหนดมุมเอเพ็กซ์และงานด้านการมองเห็นหลัก ในขณะที่ปริซึมด้านเท่ากันหมดได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการกระจายตัว ปริซึมมุมขวาใช้ประโยชน์จากการสะท้อนภายในทั้งหมดเพื่อพับลำแสง 90° โดยไม่มีการเคลือบเมื่อใช้กับแสงคอลลิเมต

การกระจายตัวและความละเอียดสเปกตรัม

เมื่อแสงสีขาวผ่านปริซึม แต่ละความยาวคลื่นจะหักเหในมุมที่แตกต่างกันเล็กน้อย เนื่องจากดัชนีการหักเหของแสงจะลดลงตามความยาวคลื่นที่เพิ่มขึ้น สำหรับแบบทั่วไป ปริซึมด้านเท่ากันหมด 60° ทำจาก N-BK7 การแพร่กระจายเชิงมุมจาก 400 นาโนเมตรถึง 700 นาโนเมตรถึงประมาณ 0.5° . อัตราการเปลี่ยนแปลงของการเบี่ยงเบนตามความยาวคลื่น การกระจายตัวเชิงมุม dδ/dแล มีค่าโดยประมาณ 0.08°/นาโนเมตร ที่ 500 นาโนเมตร เพื่อแก้วใบเดียวกัน กำลังการแยกนี้เพียงพอสำหรับสเปกโตรมิเตอร์ขนาดกะทัดรัดจำนวนมาก โดยที่อาร์เรย์ตัวตรวจจับเชิงเส้นจะจับสเปกตรัมที่กระจัดกระจายโดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

ความละเอียดสเปกตรัมขึ้นอยู่กับความยาวฐานของปริซึมและเส้นโค้งการกระจายตัวของวัสดุ ทางเดินแสงที่ยาวผ่านกระจกจะเพิ่มการแยกทางกายภาพระหว่างความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น ปริซึมที่มีฐาน 30 มม. โดยทั่วไปสามารถแยกโซเดียม D-line (589.0 นาโนเมตรและ 589.6 นาโนเมตร) เมื่อรวมกับช่องทางเข้าแคบๆ หลักการนี้ยังคงเป็นแกนหลักของโมโนโครมาเตอร์แบบปริซึมที่ใช้ในระบบการวัดค่าการดูดกลืนแสงและฟลูออเรสเซนซ์

การสะท้อนภายในและการควบคุมภาพโดยรวม

ปริซึมสะท้อนแสงควบคุมการสะท้อนภายในทั้งหมด (TIR) เพื่อเปลี่ยนเส้นทางแสงโดยไม่ต้องเคลือบโลหะ เมื่อแสงภายในกระจกตกกระทบพื้นผิวในมุมที่มากกว่ามุมวิกฤต การสะท้อนจะเกิดขึ้น 100% . สำหรับ N-BK7 มุมวิกฤติจะมีเพียงมุมวิกฤตเท่านั้น ประมาณ 41.2° สำหรับส่วนต่อประสานอากาศแบบแก้ว ปริซึมมุมขวารับแสงคอลลิเมตตามปกติที่ขาข้างหนึ่ง โดยสะท้อนแสงที่ด้านตรงข้ามมุมฉาก 45° และส่งแสงออกไปที่ขาอีกข้างด้วยการพับ 90° อย่างแม่นยำ เนื่องจากอุบัติการณ์ 45° เกินมุมวิกฤต จึงไม่จำเป็นต้องเคลือบสารสะท้อนแสง จึงรักษาปริมาณงานที่สูงและกำจัดการดูดซับของโลหะ

ปริซึมที่พิเศษยิ่งขึ้นช่วยจัดการการวางแนวของภาพ ปริซึมห้าเหลี่ยมให้ค่าเบี่ยงเบน 90° คงที่โดยไม่คำนึงถึงข้อผิดพลาดในการจัดตำแหน่งเล็กน้อย และไม่กลับด้านหรือกลับภาพ การสะท้อนภายในสองครั้ง ซึ่งหนึ่งในนั้นจะต้องเคลือบ จึงทำให้บรรลุเป้าหมายนี้ ปริซึมโดฟจะหมุนภาพเป็นสองเท่าของมุมการหมุนของปริซึม ทำให้มีประโยชน์ในการสแกนลำแสงเลเซอร์และการลดการหมุนภาพ ตัวสะท้อนแสงแบบลูกบาศก์มุมจะส่งแสงกลับตามเส้นทางตกกระทบพอดี ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ใช้ในระยะเลเซอร์ของดวงจันทร์และการจัดแนวทางอุตสาหกรรม โดยมีความแม่นยำในการส่งกลับมักจะดีกว่า 5 อาร์ควินาที เมื่อประดิษฐ์ให้มีความทนทานสูง

การระบุปริซึม: วัสดุ ขนาด และความคลาดเคลื่อน

การเลือกปริซึมที่เหมาะสมสำหรับการตั้งค่าออพติคัลจริงจำเป็นต้องแปลความต้องการของแอปพลิเคชันให้เป็นพารามิเตอร์ที่วัดได้ รายการต่อไปนี้รวบรวมข้อกำหนดสำคัญที่ปรากฏบนรูปวาดหรือแผ่นข้อมูลทั่วไป

• วัสดุ : จับคู่หน้าต่างการส่งสัญญาณกับความยาวคลื่นของคุณ BK7 ทำงานตั้งแต่ 350 นาโนเมตรถึง 2 ไมโครเมตร; ซิลิกาผสมยูวีขยายลงไปถึง 185 นาโนเมตร ZnSe เหมาะสำหรับระบบอินฟราเรด 0.6–16 μm
• ความเรียบของพื้นผิว : แลมบ์ดา/4 ที่ 633 นาโนเมตรเป็นมาตรฐานสำหรับการถ่ายภาพ จำเป็นต้องใช้ แล/10 หรือดีกว่าสำหรับการใช้งานแบบอินเทอร์เฟอโรเมตริกเพื่อรักษาคุณภาพของหน้าคลื่น
• คุณภาพพื้นผิว (Scratch-Dig) : 60-40 เป็นที่ยอมรับสำหรับระบบไฟส่องสว่างหลายระบบ 40-20 หรือ 20-10 ลดการกระเจิงในเส้นทางเลเซอร์
• อgle Tolerance : ±3 อาร์คนาทีเป็นค่าวัตถุประสงค์ทั่วไป ปริซึมเพนต้าที่มีความแม่นยำมักต้องใช้ ±30 อาร์ควินาทีเพื่อรับประกันความเบี่ยงเบน 90° ที่สม่ำเสมอ
• รูรับแสงที่ชัดเจน : โดยปกติจะระบุขนาดหน้าของปริซึมอย่างน้อย 80% เพื่อหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องที่ขอบและการบิดเบี้ยวที่เกิดจากการติดตั้ง
• การเคลือบผิว : สารเคลือบป้องกันแสงสะท้อนบรอดแบนด์ เช่น MgF₂ สามารถเพิ่มการส่งผ่านข้อมูลได้ มากกว่า 99% ต่อพื้นผิว ; ใบหน้าสะท้อนแสงอาจใช้เงินที่มีการป้องกันเพื่อการสะท้อนแสงมากกว่า 96% ในการมองเห็น

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการติดตั้งและการจัดตำแหน่ง

ประสิทธิภาพการมองเห็นของปริซึมอาจลดลงอย่างรวดเร็วหากมีการเน้นหรือวางแนวไม่ตรง แนวปฏิบัติในการจัดการจริงช่วยรักษาคุณภาพลำแสงที่ระบุไว้ในภาพวาด

1. ใช้การติดตั้งแบบคิเนเมติกส์หรือกึ่งคิเนเมติกส์ที่ใช้แรงกดสปริงอย่างนุ่มนวลกับขอบกราวด์ ไม่ใช่พื้นผิวที่ขัดเงา สิ่งนี้จะช่วยป้องกันการเกิดปฏิกิริยาไบรีฟริงก์ของความเครียดที่อาจบิดเบือนโพลาไรเซชัน
2. จัดแนวปริซึมด้วยออโตคอลลิเมเตอร์หรืออินเทอร์เฟอโรมิเตอร์แบบแผ่นเฉือนเพื่อตรวจสอบมุมลำแสงทางออกตรงกับค่าการออกแบบภายในพิกัดความเผื่อ
3. ทำความสะอาดพื้นผิวด้วยทิชชู่ไร้ขุยและไอโซโพรพานอลเกรดรีเอเจนต์ หลีกเลี่ยงการเช็ดแบบแห้งซึ่งอาจทำให้เกิดรอยขีดข่วนที่ทำให้แสงกระจายได้
4. ปิดกั้นการสะท้อน TIR และโกสต์โดยไม่ได้ตั้งใจด้วยแผ่นกั้นอะโนไดซ์สีดำ โดยเฉพาะในโซ่แบบหลายปริซึม

เมื่อระบบต้องการให้หมุนปริซึม เช่นเดียวกับปริซึมโดฟสำหรับการหมุนภาพ ตัวยึดจะต้องวางปริซึมให้อยู่ตรงกลางแกนการหมุนอย่างแม่นยำ การเบี่ยงเบนหนีศูนย์ในแนวรัศมีของเลขคู่ 0.1 มม อาจทำให้เกิดการเลื่อนของลำแสงซึ่งทำให้ภาพบนเครื่องตรวจจับเลื่อนออกไป ซึ่งบั่นทอนความสามารถในการทำซ้ำของการวัด

การแก้ไขปัญหาทั่วไป

แม้แต่ปริซึมที่มีการระบุอย่างดีก็สามารถสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่ไม่คาดคิดได้ การสะท้อนของผีจากพื้นผิวที่ไม่เคลือบผิวมักจะปรากฏเป็นจุดที่เคลื่อนตัวจางๆ การใช้การเคลือบ AR ที่ดีจะช่วยลดความเข้มลงได้สองเท่า การเบี่ยงเบนของลำแสงที่ชัดเจนซึ่งเกินกว่าค่าเผื่อมุมของปริซึม มักมาจากอะแดปเตอร์ยึดแบบลิ่มแทนที่จะเป็นตัวปริซึม การตรวจสอบจุดยึดด้วยตัวบ่งชี้วงแหวนมักจะระบุแหล่งที่มา ในระบบเลเซอร์กำลังสูง การดูดซับจำนวนมากสามารถสร้างเลนส์ความร้อนได้: ปริซึมซิลิกาที่หลอมละลายจะแสดงการเคลื่อนตัวของความร้อนที่ต่ำกว่า BK7 มาก โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ความร้อนของดัชนีการหักเหของแสงประมาณ เล็กลงสิบเท่า , รักษาเสถียรภาพในการชี้ลำแสงภายใต้ภาระที่แตกต่างกัน

การเลือกปริซึมที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับการทำความเข้าใจรูปทรงและวัสดุของมัน ด้วยคุณสมบัติเฉพาะและการติดตั้งที่พิถีพิถัน ปริซึมจึงให้การจัดการลำแสงที่เชื่อถือได้และปราศจากการจัดตำแหน่งในเครื่องมือต่างๆ ตั้งแต่สเปกโตรสโคปแบบมือถือไปจนถึงสถานีวัดระยะด้วยเลเซอร์ดาวเทียม