Виды оптических призм и их применение

Содержание

Виды оптических призм разделяют на четыре группы по назначению: отражательные, дисперсионные, поляризационные и отклоняющие. Оптическая призма — многогранник из прозрачного материала с плоскими полированными рабочими поверхностями, расположенными под расчётными углами друг к другу; преломление и полное внутреннее отражение на этих гранях управляют ходом пучка.

Призма не имеет оптической силы: в отличие от линзы она не фокусирует свет, а меняет направление, ориентацию или спектральный состав пучка. Отражательные призмы разворачивают оптическую ось и переворачивают изображение вместо системы зеркал. Дисперсионные раскладывают излучение в спектр за счёт зависимости показателя преломления от длины волны. Поляризационные выделяют из естественного света линейно поляризованную составляющую. Клиновые и ромбические отклоняют или смещают луч на заданную величину.

Справочная классификация по назначению, принятая в Большой российской энциклопедии, выделяет отражательные, поляризационные и спектральные призмы; отклоняющие клинья и ромбические конструкции рассматривают как самостоятельную четвёртую группу.

Ориентацию изображения на выходе задаёт число отражающих граней: чётное число отражений сохраняет изображение прямым, нечётное делает его зеркальным. Материал определяет рабочий спектральный диапазон: стекло К8 с показателем преломления 1,5163 пропускает 350–2500 нм, кварцевое стекло КУ-1 работает от 170 нм, ZnSe прозрачен до 22 мкм. Марку выбирают по диапазону источника, а геометрию по требуемой схеме хода лучей.

Как работает призма, эффект преломления, полное внутреннее отражение, дисперсия

Схема преломления, полного внутреннего отражения и дисперсии света в призме

Луч, входящий в призму через преломляющую грань, отклоняется по закону Снеллиуса, проходит стеклянное тело по прямой и снова преломляется на выходной грани. Между этими двумя актами он может один или несколько раз отразиться от боковых граней. Расчёт хода луча ведут в главном сечении призмы, то есть в плоскости, перпендикулярной её рёбрам, где геометрия сводится к плоской задаче.

Полное внутреннее отражение наступает, когда угол падения изнутри стекла превышает критический θ_кр = arcsin(1/n). Отсюда практическое следствие: в стекле К8 гипотенузная грань прямоугольной призмы с углом падения 45° отражает без покрытия, поскольку 45° > 41,3°. В пентапризме же угол падения на обе рабочие грани равен 22,5°, ПВО не выполняется, и грани обязательно металлизируют серебром или алюминием с защитным слоем.

При малом преломляющем угле ω отклонение луча считают по формуле δ ≈ (n − 1)·ω, где n берут для рабочей длины волны.

Почему две призмы с одинаковым световым диаметром дают разный вклад в аберрации? Каждая отражательная призма эквивалентна плоскопараллельной пластине толщиной d, и её коэффициент C = d/D показывает, во сколько раз удлиняется оптический путь; здесь D обозначает световой диаметр пучка. У прямоугольной призмы C = 1, у пентапризмы C = 3,414: тяжелее заготовка, больше сферическая аберрация и хроматизм в сходящихся пучках.

Отражательные призмы, свойства, число отражений, углы, оборачивание изображения

Схема хода луча в отражательных призмах АР-90, БП-90, Дове АР-0 и системе Порро

Ориентацию изображения отражательная призма меняет в главном сечении, и результат зависит от чётности числа отражений: два отражения сохраняют изображение прямым, одно или три делают его зеркальным либо перевёрнутым, четыре оборачивают картинку по обеим осям.

Отражательные призмы составляют самую многочисленную группу среди видов оптических призм.

Прямоугольная АР-90 с углами 45–90–45° остаётся базовой и самой дешёвой в изготовлении конструкцией: одно отражение, отклонение оси на 90°, зеркальное изображение, коэффициент C = 1. Её ставят там, где зеркальность допустима или компенсируется дальше.

Крышеобразные призмы АкР-90 и конструкции Амичи и Аббе заменяют одно отражение двумя за счёт двугранного угла крыши, который выдерживают строго равным 90° при коэффициенте C = 1,732. Отклонение этого угла на секунды дуги даёт двоение изображения, поэтому крыша — самая требовательная к точности деталь в номенклатуре. Изображение получается прямым.

Пентапризма БП-90 с углами 90°, 112,5°, 112,5°, 90° отклоняет луч ровно на 90° независимо от перекоса установки в пределах рабочего поля, и это её главное свойство. Два отражения дают прямое изображение. Обе рабочие грани металлизируют, поскольку угол падения 22,5° меньше критического угла полного внутреннего отражения; коэффициент C = 3,414. Отсюда применение: зеркальные фотоаппараты, автоколлиматоры, геодезические приборы, контроль перпендикулярности плоскостей.

Призму Дове АР-0 получают из прямоугольной, срезая прямой угол. Поворот детали вокруг оптической оси на угол α поворачивает изображение на 2α, что и делает её основой вращателей изображения. Работает только в коллимированном пучке: в сходящемся возникает астигматизм.

Система Порро, она же система Малафеева–Порро, собирается из двух призм АР-90, развёрнутых на 90° друг относительно друга, и полностью оборачивает изображение по вертикали и горизонтали. Четыре отражения удлиняют ход луча, позволяя развести объектив и окуляр: габарит бинокля сохраняется, а стереобаза растёт.

Ромбическая БС-0 смещает ось параллельно самой себе, не поворачивая изображение. Уголковый отражатель, или триппель-призма, с тремя взаимно перпендикулярными гранями возвращает луч строго антипараллельно падающему при любой ориентации детали, на чём построены геодезические отражатели и лазерные дальномеры.

Дисперсионные (спектральные) призмы

Дисперсионные призмы 60°, Аббе и Литтрова для разложения света в спектр

Показатель преломления стекла падает с ростом длины волны, поэтому синие компоненты излучения отклоняются сильнее красных. На этом эффекте построена дисперсионная призма, рабочий элемент любой схемы с пространственным разделением спектра.

Величину отклонения при малом преломляющем угле дают приведённые выше соотношения, а угловое разрешение схемы задаёт дисперсия материала, а не геометрия корпуса. Конструкции различаются углами, числом проходов и составом:

• простая трёхгранная с преломляющим углом 60°: базовый вариант для учебных и юстировочных схем;
• Аббе с углами 30–60–90°: спектр выводится под прямым углом к падающему пучку;
• Литтрова с зеркальным покрытием задней грани: луч проходит материал дважды, дисперсия удваивается при вдвое меньшем объёме заготовки;
• Пеллин-Брока с углами 90–75–135–60°: выбранная длина волны выходит под 90° при неизменной геометрии схемы, поворот призмы перестраивает выделяемую линию;
• Корню из кристаллического кварца: лево- и правовращающая половины склеены так, что оптическая активность компенсируется;
• Амичи прямого зрения: склейка крона и флинта, для центральной длины волны отклонение нулевое;
• Броунинга-Резерфорда: комбинация крона и флинта с увеличенной угловой дисперсией.

Такие элементы ставят в монохроматоры, спектрофотометры и приборы спектрального анализа, а в резонаторах перестраиваемых лазеров призма Литтрова работает одновременно зеркалом и селектором длины волны.

Поляризационные призмы

Схема разделения луча в поляризационных призмах Глана-Томпсона и Волластона

Двулучепреломление в кальците разводит обыкновенный и необыкновенный лучи по разным показателям преломления, и на этой разнице построены все поляризационные призмы. Конструкция Глана–Томпсона собирается из двух кальцитовых частей на склейке: обыкновенный луч уходит на полное внутреннее отражение от границы кальцит–клей, а наружу выходит только необыкновенный, линейно поляризованный.

Степень деполяризации выходящего луча составляет 10⁻⁵ против 10⁻⁴ у обыкновенного. Угловая апертура здесь шире, чем у Глана–Фуко, но клеевой слой ограничивает допустимую плотность мощности.

В призме Глана–Фуко вместо клея воздушный зазор. Она держит большую плотность мощности при более узкой апертуре.

Призма Волластона работает иначе: два клина из кристаллического кварца или исландского шпата склеены со взаимно перпендикулярными оптическими осями, и на выходе получаются два расходящихся линейно поляризованных пучка с углом расхождения около 10°. При перпендикулярном падении отклонения симметричны относительно оси. К этой же группе относятся призмы Николя, Сенармона и Номарски.

Поляризационная оптика востребована в поляриметрии, лазерных схемах с контролем поляризации, микроскопии дифференциального интерференционного контраста и эллипсометрии.

Отклоняющие призмы и ATR-элементы

Схема клиньев Рисли и ATR-элемента МНПВО для спектроскопии

Клиновая призма имеет малый преломляющий угол и отклоняет пучок на небольшой заданный угол. Пара клиньев Рисли, вращающихся навстречу друг другу, даёт непрерывную юстировку направления пучка в пределах заданного конуса, что применяют в системах наведения и в сканирующих узлах. Ромбовидные, или палубные, призмы смещают луч параллельно самому себе, не меняя направления распространения; их ставят в стеснённой компоновке, где ось нужно сдвинуть.

Элементы МНПВО, они же ATR, работают на спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения. Чем выше показатель преломления материала, тем меньше критический угол и тем тоньше слой пробы, который зондирует эванесцентное поле. Германий с n ≈ 4,0 отражает уже от 14,5°, поэтому на коротком элементе укладывается много последовательных отражений и полезный сигнал усиливается. Селенид цинка с n ≈ 2,4 требует 24,6°, глубина проникновения у него больше, и анализируется более толстый приповерхностный слой пробы.

Материалы призм и рабочие спектральные диапазоны

Материалы оптических призм и диапазоны пропускания — К8, КУ-1, CaF2, ZnSe, Ge, Si

Оптическое стекло К8 непрозрачно на длине волны 10,6 мкм: призма из него в тракте СО₂-лазера поглощает излучение и разрушается от нагрева. Кварцевое стекло здесь тоже не работает, у самой длинноволновой марки КВ пропускание обрывается на 3,5 мкм. Для 10,6 мкм остаётся селенид цинка ZnSe.

Обратная ситуация в ультрафиолете: спектроскопия от 170 нм требует кварцевого стекла КУ-1 с низким содержанием примесей, а ниже 170 нм остаётся только фторид кальция CaF₂ с границей пропускания 130 нм. Показатель преломления и дисперсия материала определяют углы и разрешение призмы, но первичен именно спектральный диапазон.

Лейкосапфир Al₂O₃ выбирают не за оптику, а за стойкость: рабочая температура до 1800 °C, инертность к кислотам и щелочам, твёрдость, позволяющая ставить призму в поток абразивной среды.

Германий и кремний закрывают тепловизионный и ИК-тракт, где ни одно стекло не пропускает излучение вовсе. Рабочая температура германия при этом ограничена 100 °C, поэтому в нагруженном тракте его меняют на ZnSe. Фторид бария BaF₂ занимает промежуточную нишу между CaF₂ и халькогенидами. Отечественные производители перекрывают материалами весь диапазон 150 нм – 25 мкм, поэтому применение оптических призм возможно от вакуумного УФ до дальнего ИК.

Мы поставляем кварцевое стекло четырёх марок (КУ-1, КУ-2, КВ, КИ), двенадцать кристаллических материалов от Al₂O₃ и CaF₂ до Ge, Si и ZnSe, а также оптическое стекло К8, ЛК5, ТФ10; марки кварцевого стекла аттестуем по ГОСТ 15130-86. За 22 года практики сложилось правило: заготовку под призму подбираем от рабочей длины волны прибора, а не от прочностных требований.

Обозначения отражательных призм и нормативная база

Код АР-90 расшифровывается как призма с одной отражающей гранью (А), равнобедренная (Р), отклоняющая оптическую ось на 90°. Отечественная система буквенно-цифровых обозначений кодирует типы оптических призм тремя позициями.

Примеры расшифровки: АР-0 обозначает призму Дове с одной отражающей гранью и неотклонённой осью; БП-90 пентапризму с двумя отражающими гранями; БС-0 ромбическую призму, смещающую ось параллельно самой себе; АкР-90 равнобедренную призму с крышей, оборачивающую изображение в одной плоскости. Знание системы избавляет от разночтений при согласовании чертежа: виды оптических призм в спецификации указывают кодом, а не описательным названием.

Нормативная база производства призм в РФ:

• ГОСТ 3514-94. Стекло оптическое бесцветное, технические условия. Регламентирует марки К8, ЛК5, ТФ10 и заготовки размером до 500 мм.
• ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное, физико-химические характеристики: показатели преломления, средняя дисперсия, число Аббе.
• ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое, марки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ.
• ГОСТ 13240-78. Заготовки из оптического стекла. Для заготовок призм глубина посечек не должна превышать 0,5 мм.
• ГОСТ 11141-84. Детали оптические, классы чистоты полированных поверхностей и методы контроля.
• ГОСТ 2.412-81. ЕСКД, правила выполнения чертежей и схем оптических изделий.
• ГОСТ 23136-93. Материалы оптические, параметры.

Класс чистоты по ГОСТ 11141-84 и марка стекла по ГОСТ 3514-94 задаются в спецификации совместно: без указания обоих параметров заготовка приходит с допусками производителя.

Что указать в чертеже призмы при заказе

Восемь параметров определяют, можно ли изготовить оптическую призму по вашей заявке и за какой срок.

1. Марка материала и её стандарт. Кварцевое стекло КУ-1 по ГОСТ 15130-86, оптическое стекло К8 по ГОСТ 3514-94. Без указания стандарта заготовку подобрать нельзя.
2. Габариты и световой диаметр. Размер по граням плюс рабочая зона, которую не перекрывают фаской или прижимом крепления.
3. Допуски на углы в угловых секундах. В прецизионном исполнении достижимо до 10 угловых секунд.
4. Пирамидальность. Непараллельность рёбер, критичный параметр для отражательных призм.
5. Плоскостность граней в интерференционных полосах. Обозначается N и ΔN; N = 0,5 полосы в прецизионном исполнении.
6. Класс чистоты поверхности. По ГОСТ 11141-84 предусмотрено 14 классов (0-10, 0-20, 0-40 и I…IXa), в международной нотации то же записывают как S/D, например S/D 20/10.
7. Шероховатость. По ГОСТ 2789-73, для оптических деталей Rz не более 0,1 мкм.
8. Покрытие. Просветляющее AR, высокоотражающее HR, металлическое Al, Ag или Au по ОСТ 3-1901-95. Либо без покрытия, если грань работает на полном внутреннем отражении.

Жёстче всего нормируют двугранный угол крыши у крышеобразных призм: отклонение от 90° на единицы угловых секунд разводит две половины пучка и даёт двоение изображения. Чертёж оформляют по ГОСТ 2.412-81: деталь изображают по ходу луча слева направо, а параметры сводят в таблицу с буквенными обозначениями N, ΔN, P, θ, κ, δ.

Мы работаем по чертежам и техническому заданию заказчика. Чтобы посчитать заготовку и сроки, просим прислать марку материала или рабочую длину волны, габариты, допуски на углы и требования к покрытию. Каждая партия проходит контроль качества перед отгрузкой.

Как выбрать вид оптической призмы под задачу

Чек-лист параметров чертежа и схема выбора оптической призмы под задачу

Подбор начинается не с каталога, а с функции: повернуть ось, обернуть изображение, разложить излучение в спектр или выделить поляризацию. Дальше по таблице определяется тип, затем проверяется рабочая длина волны и подбирается материал под неё. Последний шаг — допуски на угол и пирамидальность плюс просветляющее или отражающее покрытие.

Виды оптических призм из таблицы перекрываются по функциям, и выбор между близкими вариантами решает не геометрия, а условия пучка. Дове работает только в коллимированном ходе, поэтому в сходящемся тракте её меняют на АкР-90. Материал диктует не тип, а спектр: одна и та же клиновая геометрия делается из К8 для видимого диапазона и из ZnSe для 10,6 мкм. Применение оптических призм в серийных изделиях требует ещё и повторяемости: допуск на угол задают до запуска партии, а не после первой отбраковки.

Пришлите чертёж или ТЗ, рассчитаем призму под вашу задачу, подберём материал под рабочий диапазон и проверим каждую партию по геометрии и покрытию.

Частые вопросы

Чем оптическая призма отличается от линзы?

Призма работает плоскими полированными гранями, её оптическая сила нулевая. Свет она не фокусирует, а отклоняет, смещает, оборачивает или раскладывает в спектр. Линза меняет сходимость пучка, призма меняет направление и структуру пучка.

Какие бывают виды оптических призм?

По назначению выделяют четыре группы: отражательные, дисперсионные (спектральные), поляризационные и отклоняющие. Отражательные разворачивают ход луча и оборачивают изображение, дисперсионные разделяют излучение по длинам волн. Поляризационные разделяют пучок по состояниям поляризации, отклоняющие вводят малый угол девиации.

Что означает обозначение АР-90?

Буква А указывает на одну отражающую грань, буква Р на равнобедренную конструкцию, число 90 на отклонение оптической оси в градусах. Для сравнения: БП-90 обозначает пентапризму с двумя отражающими гранями при том же угле отклонения.

Почему пентапризму нужно серебрить, а прямоугольную призму нет?

Угол падения на отражающие грани пентапризмы равен 22,5°, что меньше критического угла полного внутреннего отражения (41,3° для стекла К8), поэтому грани металлизируют. У прямоугольной призмы АР-90 угол падения составляет 45° и превышает критический, поэтому отражение идёт без металлического покрытия.

Какая призма поворачивает изображение?

Призма Дове АР-0: её поворот вокруг оптической оси на угол α поворачивает изображение на 2α. Работает такая схема только в параллельном, то есть коллимированном пучке. В сходящемся пучке призма Дове даёт астигматизм.

Из какого материала делать призму для СО₂-лазера на 10,6 мкм?

Подходит ZnSe с диапазоном пропускания 0,5–22 мкм. Оптическое стекло К8 пропускает 350–2500 нм, кварцевое стекло КУ-1 от 170 до 2500 нм, и на длине волны 10,6 мкм оба материала непрозрачны.

Какая точность углов достижима при изготовлении?

В прецизионном исполнении углы выдерживаются до 10 угловых секунд. Плоскостность граней доводится до N = 0,5 интерференционной полосы, чистота поверхности до S/D 20/10 или по классам ГОСТ 11141-84.