ปริซึมแสงคืออะไร? ประเภท ฟังก์ชั่น และการใช้งาน

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับปริซึมเชิงแสง

อ ปริซึมแสง เป็นองค์ประกอบแสงโปร่งใสที่มีพื้นผิวเรียบและขัดเงาซึ่งหักเหแสง หลักการพื้นฐานเบื้องหลังปริซึมคือ มันสามารถโค้งงอ สะท้อน หรือแยกแสงตามรูปทรงและคุณสมบัติการหักเหของแสงของวัสดุ . ต่างจากเลนส์ที่ใช้พื้นผิวโค้ง ปริซึมใช้พื้นผิวระนาบในตำแหน่งมุมเฉพาะเพื่อควบคุมเส้นทางแสง

ปริซึมเชิงแสงส่วนใหญ่ทำจากแก้วหรือพลาสติกใสที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่แม่นยำ รูปแบบที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดคือปริซึมสามเหลี่ยม ซึ่งกระจายแสงสีขาวออกเป็นสีสเปกตรัมที่เป็นส่วนประกอบ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์แรกที่ศึกษาอย่างเป็นระบบโดยไอแซก นิวตัน ในปี 1666 อย่างไรก็ตาม ปริซึมมีจุดประสงค์มากกว่าการสร้างรุ้งกินน้ำ เป็นองค์ประกอบสำคัญในระบบออพติคอลมากมายตั้งแต่กล้องปริทรรศน์ธรรมดาไปจนถึงสเปกโตรมิเตอร์ขั้นสูง

ลักษณะสำคัญที่ทำให้ปริซึมแตกต่างจากองค์ประกอบทางแสงอื่นๆ คือความสามารถในการเปลี่ยนทิศทางของแสงโดยไม่จำเป็นต้องเพ่งไปที่ปริซึม ทำให้สิ่งเหล่านี้มีค่าอย่างยิ่งสำหรับการบังคับทิศทางของลำแสง การแก้ไขการวางแนวของภาพ และการประยุกต์ใช้การแยกความยาวคลื่น

ปริซึมแสงทำงานอย่างไร

การทำงานของปริซึมเชิงแสงอยู่ภายใต้หลักการทางแสงพื้นฐานสองประการ: การหักเหและการสะท้อนภายในทั้งหมด

การหักเหของแสงในปริซึม

เมื่อแสงเข้าสู่ปริซึมในมุมหนึ่ง แสงจะโค้งงอตามกฎของสเนลล์ ระดับของการดัดงอขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงและดัชนีการหักเหของวัสดุปริซึม . สำหรับแก้วแสงมาตรฐาน (กระจกมงกุฎ) ดัชนีการหักเหของแสงจะอยู่ที่ประมาณ 1.52 ซึ่งหมายความว่าแสงเดินทางในกระจกช้ากว่าในอากาศถึง 1.52 เท่า

การหักเหของแสงที่ขึ้นกับความยาวคลื่นนี้อธิบายว่าทำไมปริซึมจึงสามารถแยกแสงสีขาวออกเป็นสีได้ แสงสีน้ำเงินโค้งงอได้เร็วกว่าแสงสีแดงเนื่องจากมีความยาวคลื่นสั้นกว่า ในปริซึมกระจายทั่วไปที่มี มุมเอเพ็กซ์ 60 องศา การแยกเชิงมุมระหว่างแสงสีแดงและสีม่วงจะอยู่ที่ประมาณ 3 องศา .

การสะท้อนกลับภายในทั้งหมด

ปริซึมจำนวนมากใช้ประโยชน์จากการสะท้อนภายในทั้งหมดมากกว่าการหักเห เมื่อแสงที่เดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากกว่า (เช่น แก้ว) กระทบกับตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า (เช่น อากาศ) ที่มุมที่มากกว่ามุมวิกฤติ 100% ของแสงจะสะท้อนกลับเข้าไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากขึ้น . สำหรับกระจกคราวน์ มุมวิกฤตินี้มีค่าประมาณ 41.8 องศา .

ปรากฏการณ์นี้ช่วยให้ปริซึมทำหน้าที่เป็นกระจกที่มีประสิทธิภาพสูงโดยไม่ต้องเคลือบโลหะ ทำให้เหนือกว่ากระจกทั่วไปในการใช้งานหลายประเภท เนื่องจากมีการสูญเสียแสงจากการดูดกลืนเป็นศูนย์

ปริซึมแสงประเภททั่วไป

ปริซึมเชิงแสงถูกจัดหมวดหมู่ตามรูปทรงและฟังก์ชันหลัก แต่ละประเภทรองรับการใช้งานเฉพาะในระบบออปติคอล

ปริซึมกระจายตัว

ปริซึมสามเหลี่ยมแบบคลาสสิกจะกระจายแสงเป็นหลัก ปริซึมเหล่านี้มีลักษณะเป็นมุมยอด (โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 30 และ 60 องศา ) และเป็นพื้นฐานของการวิเคราะห์ทางสเปกโทรสโกปี สเปกโตรมิเตอร์สมัยใหม่สามารถใช้การกระจายตัวของปริซึมเพื่อระบุวัสดุตามลายเซ็นสเปกตรัมด้วย ความละเอียดความยาวคลื่นลดลงเหลือ 0.1 นาโนเมตร .

ปริซึมสะท้อนแสง

ปริซึมที่สะท้อนแสงเปลี่ยนเส้นทางแสงโดยไม่มีการกระจายตัวอย่างมีนัยสำคัญ ระบบปริซึม Porro ซึ่งคิดค้นโดย Ignazio Porro ในปี 1854 ยังคงเป็นมาตรฐานในกล้องส่องทางไกลหลายรุ่น ปริซึม Porro คู่หนึ่งสามารถสร้างภาพกลับด้านได้ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความยาวเส้นทางแสงด้วย ช่วยให้สามารถออกแบบเครื่องมือขนาดกะทัดรัดพร้อมกำลังขยายที่มีประสิทธิภาพ

ปริซึมโพลาไรซ์

ปริซึมเฉพาะทาง เช่น ปริซึม Nicol หรือปริซึม Glan-Thompson จะแยกแสงออกเป็นสถานะโพลาไรซ์แบบตั้งฉาก อุปกรณ์เหล่านี้บรรลุผลสำเร็จ อัตราส่วนการสูญพันธุ์เกิน 100,000:1 ทำให้สิ่งเหล่านี้จำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้การวัดเชิงขั้วและการวิจัยทางแสง

การประยุกต์ใช้ปริซึมเชิงแสงในโลกแห่งความเป็นจริง

ปริซึมแบบออปติคัลมีอยู่ทั่วไปในเทคโนโลยีสมัยใหม่ โดยมักจะทำงานโดยมองไม่เห็นภายในอุปกรณ์ที่เราใช้ทุกวัน

การถ่ายภาพและการถ่ายภาพ

กล้องสะท้อนเลนส์เดี่ยว (SLR) อาศัยเพนทาปริซึมเพื่อให้ช่างภาพได้รับมุมมองแนวตั้งตรงและถูกต้องผ่านช่องมองภาพ ปริซึมห้าแฉกสะท้อนแสงภายในห้าครั้ง เพื่อแก้ไขภาพกลับด้านและกลับด้านที่เกิดจากเลนส์กล้อง โดยไม่ต้องใช้องค์ประกอบทางแสงเพิ่มเติม

โปรเจ็คเตอร์ดิจิตอลใช้ชุดประกอบปริซึมเพื่อรวมภาพจากแผง LCD สีแดง เขียว และน้ำเงินหรือชิป DLP ที่แยกกัน ระบบปริซึมไดโครอิกใน โปรเจ็กเตอร์แบบสามชิปสามารถให้ความแม่นยำของสีได้ภายใน 2% ของมาตรฐานระดับมืออาชีพ .

เครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์

สเปกโตรมิเตอร์ใช้ปริซึมในการวิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุ ตัวอย่างเช่น สเปกโตรกราฟทางดาราศาสตร์ใช้การกระจายตัวของปริซึมเพื่อระบุองค์ประกอบทางเคมีของดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกล เครื่องมือทางสเปกโทรสโกปีของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลสามารถตรวจจับปริมาณสารเคมีที่มีมากมาย ความแม่นยำดีกว่า 5% ในชั้นบรรยากาศดวงดาว

ในห้องปฏิบัติการเคมี เครื่องวัดการหักเหของแสงของ Abbe ใช้ปริซึมในการวัดดัชนีการหักเหของของเหลวด้วย ความแม่นยำถึงทศนิยมสี่ตำแหน่ง ช่วยให้สามารถระบุสารและตรวจวัดความเข้มข้นได้อย่างแม่นยำ

โทรคมนาคมและเทคโนโลยีเลเซอร์

ระบบไฟเบอร์ออปติกใช้ปริซึมสำหรับมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น โดยที่สตรีมข้อมูลจำนวนมากที่ความยาวคลื่นต่างกันเดินทางผ่านไฟเบอร์เส้นเดียว ระบบ DWDM สมัยใหม่สามารถมัลติเพล็กซ์ได้มากกว่า 80 ช่องสัญญาณแยกกัน แต่ละอันมีความเร็ว 100 Gbps โดยใช้การแยกความยาวคลื่นตามปริซึม

ระบบบังคับทิศทางลำแสงเลเซอร์ใช้ปริซึมแบบหมุนหรือคู่ปริซึมเพื่อควบคุมทิศทางลำแสงอย่างแม่นยำโดยไม่ต้องเคลื่อนย้ายแหล่งกำเนิดเลเซอร์ ความแม่นยำของตำแหน่งภายในไมโครเรเดียน .

เลนส์ผู้บริโภค

กล้องส่องทางไกลใช้ปริซึม Porro หรือหลังคาเพื่อสร้างการออกแบบที่กะทัดรัดและถูกหลักสรีรศาสตร์ ในขณะเดียวกันก็ให้ภาพขยายที่มีการวางแนวอย่างถูกต้อง กล้องส่องทางไกลคุณภาพสูงใช้การเคลือบแก้ไขเฟสบนปริซึมหลังคาเพื่อให้การส่งผ่านแสงเกิน 90% เทียบได้กับความสว่างของการรับชมโดยตรง

วัสดุและการผลิต

ประสิทธิภาพของปริซึมเชิงแสงนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุและความแม่นยำในการผลิตเป็นอย่างมาก

วัสดุปริซึมทั่วไป

• กระจก BK7: แก้วแสงที่พบมากที่สุดที่มีดัชนีการหักเหของแสง 1.517 ใช้ในปริซึมทั่วไปสำหรับความยาวคลื่นตั้งแต่ 380-2100 นาโนเมตร
• ซิลิกาผสม: ให้การส่งผ่านที่ยอดเยี่ยมในช่วงอัลตราไวโอเลตและการขยายตัวทางความร้อนต่ำ ซึ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเลเซอร์กำลังสูง
• SF11 แก้ว: ดัชนีการหักเหของแสงสูง (1.785) ให้การกระจายตัวที่มากขึ้น เหมาะสำหรับระบบสเปกโทรสโกปิกขนาดกะทัดรัด
• แคลเซียมฟลูออไรด์: ส่งความยาวคลื่นอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลต ซึ่งจำเป็นสำหรับสเปกโทรสโกปีเฉพาะทางที่มีการส่งสัญญาณตั้งแต่ 180 นาโนเมตรถึง 8000 นาโนเมตร

ความแม่นยำในการผลิต

ปริซึมที่มีความแม่นยำต้องอาศัยความคลาดเคลื่อนในการผลิตเป็นพิเศษ โดยทั่วไปความเรียบของพื้นผิวจะต้องดีกว่า แล/4 (หนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นของแสง) ซึ่งแปลความเบี่ยงเบนน้อยกว่า 150 นาโนเมตรสำหรับแสงที่มองเห็นได้ ข้อกำหนดด้านความแม่นยำของมุมมีความเข้มงวดพอๆ กัน ซึ่งมักระบุไว้ภายใน ส่วนโค้งวินาที (1/3600 องศา) .

การเคลือบด้วยแสงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของปริซึมได้อย่างมาก การเคลือบป้องกันแสงสะท้อนสามารถลดการสูญเสียการสะท้อนของพื้นผิวจาก 4% เป็น น้อยกว่า 0.25% ต่อพื้นผิว . การเคลือบโลหะหรือไดอิเล็กทริกบนพื้นผิวสะท้อนแสงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและเปิดใช้งานการสะท้อนแบบเลือกความยาวคลื่นได้

ข้อดีและข้อจำกัด

การทำความเข้าใจว่าเมื่อใดควรใช้ปริซึมกับส่วนประกอบทางแสงอื่นๆ จำเป็นต้องทราบจุดแข็งและจุดอ่อนของชิ้นส่วนเหล่านั้น

ข้อได้เปรียบที่สำคัญ

• ไม่มีการสูญเสียการดูดซึม: ปริซึมการสะท้อนภายในทั้งหมดให้ประสิทธิภาพการสะท้อนเกือบ 100% เหนือกว่ากระจกโลหะซึ่งโดยทั่วไปจะสะท้อนแสง 90-95%
• การแยกความยาวคลื่น: ปริซึมมีการกระจายความยาวคลื่นอย่างต่อเนื่อง ต่างจากตะแกรงเลี้ยวเบนที่สร้างคำสั่งหลายคำสั่ง
• ความทนทาน: พื้นผิวสะท้อนแสงภายในได้รับการปกป้องจากการปนเปื้อนต่อสิ่งแวดล้อมและความเสียหายทางกล
• การควบคุมโพลาไรซ์: ปริซึมบางประเภทสามารถแยกหรือวิเคราะห์สถานะโพลาไรเซชันได้ด้วยความบริสุทธิ์เป็นพิเศษ

ข้อ จำกัด ในทางปฏิบัติ

• ขนาดและน้ำหนัก: ปริซึมแก้วมีน้ำหนักมากกว่าระบบกระจกที่เทียบเท่ากันอย่างมาก ซึ่งจำกัดการใช้งานในการใช้งานที่ไวต่อน้ำหนัก
• ราคา: ปริซึมที่มีความแม่นยำพร้อมการเคลือบคุณภาพสูงมีราคาสูงกว่ากระจกธรรมดาถึง 10-50 เท่า
• เอฟเฟกต์สี: ปริซึมแบบกระจายจะแยกความยาวคลื่นออกจากกัน ซึ่งไม่พึงประสงค์ในการใช้งานด้านการถ่ายภาพที่ต้องการประสิทธิภาพที่ไม่มีสี
• ความไวต่ออุณหภูมิ: การเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงตามอุณหภูมิอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของปริซึมในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยความแปรผันโดยทั่วไปอยู่ที่ 1-5 ส่วนต่อล้านต่อองศาเซลเซียส

การเลือกปริซึมที่เหมาะสม

การเลือกปริซึมที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะนั้นเกี่ยวข้องกับการพิจารณาปัจจัยหลายประการอย่างเป็นระบบ

เกณฑ์การคัดเลือกที่สำคัญ

1. ช่วงความยาวคลื่น: จับคู่วัสดุปริซึมกับความยาวคลื่นในการใช้งาน การใช้งานด้วยรังสียูวีต้องใช้ซิลิกาหลอม ในขณะที่ IR อาจต้องใช้วัสดุพิเศษ เช่น สังกะสี เซเลไนด์
2. ข้อกำหนดการเบี่ยงเบนของลำแสง: กำหนดมุมโก่งที่จำเป็น (45°, 90°, 180°) และกำหนดว่าจะต้องรักษาการวางแนวของภาพไว้หรือไม่
3. ความต้องการการกระจายตัว: ตัดสินใจว่าต้องการการแยกความยาวคลื่นหรือเป็นปัญหาในการใช้งานหรือไม่
4. ข้อจำกัดด้านขนาด: พิจารณาข้อจำกัดด้านพื้นที่ทางกายภาพและข้อจำกัดด้านน้ำหนัก
5. การจัดการพลังงาน: โดยทั่วไปแล้ว การใช้งานเลเซอร์กำลังสูงต้องใช้วัสดุที่มีเกณฑ์ความเสียหายสูง มากกว่า 10 J/cm² สำหรับซิลิกาหลอมละลาย

ข้อควรพิจารณาในการเคลือบ

การเลือกใช้การเคลือบแบบออพติคัลส่งผลต่อประสิทธิภาพของปริซึมอย่างมาก มีสารเคลือบป้องกันแสงสะท้อนมาตรฐาน การสะท้อนต่ำกว่า 0.5% ต่อพื้นผิว ข้ามความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ ในขณะที่การเคลือบบรอดแบนด์จะขยายประสิทธิภาพนี้ตั้งแต่ 400-700 นาโนเมตร สำหรับการใช้งานที่สำคัญ การเคลือบหลายชั้นแบบกำหนดเองสามารถทำได้ การสะท้อนแสงต่ำกว่า 0.1% ที่ความยาวคลื่นจำเพาะ

การเคลือบเมทัลลิก (อะลูมิเนียมหรือสีเงิน) บนพื้นผิวสะท้อนแสงช่วยให้สามารถใช้งานได้เกินมุมวิกฤติ แม้ว่าจะมีต้นทุนก็ตาม การสูญเสียการสะท้อน 3-10% . การเคลือบสีเงินที่ได้รับการปกป้องให้การสะท้อนแสงที่เหนือกว่าในอินฟราเรด ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพการมองเห็นที่เพียงพอ

การพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีปริซึม

ความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์และการผลิตกำลังขยายขีดความสามารถและการประยุกต์ปริซึม

ปริซึมวัสดุเมตา

นักวิจัยกำลังพัฒนาปริซึมโดยใช้วัสดุ metamaterial ซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างเทียมซึ่งมีคุณสมบัติทางแสงที่ไม่พบในธรรมชาติ ปริซึม metamaterial เหล่านี้สามารถทำได้ การหักเหเป็นลบหรือการกระจายตัวแบบซุปเปอร์ ช่วยให้ระบบสเปกโทรสโกปีขนาดกะทัดรัดเป็นพิเศษและอุปกรณ์สร้างภาพแบบใหม่ ต้นแบบในช่วงต้นแสดงให้เห็น ค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวมากกว่า 10 เท่า กว่ากระจกธรรมดา

ปริซึมแบบปรับตัวได้

คริสตัลเหลวและวัสดุอิเล็กโทรออปติกช่วยให้ปริซึมปรับค่าได้ด้วยระบบไฟฟ้า ซึ่งสามารถปรับคุณสมบัติทางแสงแบบไดนามิกได้ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถปฏิวัติการบังคับเลี้ยวลำแสงและการเลือกความยาวคลื่นด้วย เวลาในการสลับต่ำกว่า 1 มิลลิวินาที และไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

การย่อขนาด

อาร์เรย์ไมโครปริซึมที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทำให้สามารถใช้งานอุปกรณ์โฟโตนิกแบบรวมได้ ปริซึมระดับจุลภาคเหล่านี้ซึ่งมีขนาดวัดเป็นไมโครมิเตอร์ ถือเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในอุปกรณ์ MEMS แบบออปติคัลและกล้องสมาร์ทโฟน อาร์เรย์ปริซึมให้การป้องกันภาพสั่นไหวแบบออปติคอล ในบรรจุภัณฑ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 5 มม.