Optický hranol: Jak to funguje, typy a průvodce výběrem

An optický hranol transformuje směr a spektrální složení světelného paprsku prostřednictvím řízeného lomu a odrazu. Nejznámějším výsledkem je oddělení bílého světla do duhy, ale hranoly také slouží jako přesné směrovače paprsku, rotátory obrazu a retroreflektory. Základní princip je Snellův zákon lomu , který řídí, jak se světlo ohýbá na každém leštěném rozhraní, díky čemuž jsou hranoly nepostradatelné ve spektroskopii, laserových systémech a zobrazovací optice.

Refrakce a geometrie deviace

Světlo vstupující do hranolu mění rychlost a směr, protože index lomu skla převyšuje index lomu vzduchu. Vztah následuje n₂ sin θ₂ = n₂ sin θ₂ , kde θ se měří od normály povrchu. Paprsek procházející hranolem s vrcholovým úhlem A zaznamená celkovou odchylku δ = i₁ i₂ – A, přičemž i₁ a i₂ jsou vstupní a výstupní úhly. Za podmínky minimální odchylky paprsek prochází symetricky a index lomu lze vypočítat přímo z n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Tato vlastnost umožňuje přesné měření disperze materiálu.

Výběr materiálu určuje jak velikost odchylky, tak šíření vlnové délky. Běžné borosilikátové korunové sklo (ekvivalent N-BK7) má n _d = 1,5168 při 587,6 nm a Abbeovo číslo V _d = 64,17 , což ukazuje na mírný rozptyl. Pro ultrafialové aplikace, tavený oxid křemičitý třídy UV (č _d = 1,4585, V _d = 67,8) nabízí vyšší propustnost pod 350 nm a nižší tepelnou roztažnost. Rozdíl v indexu lomu mezi těmito dvěma materiály mění odchylku o několik stupňů při stejném vrcholovém úhlu, což je kritický faktor při navrhování systému.

Typy hranolů a jejich funkce

Porovnání běžných geometrií hranolů a jejich primárních optických funkcí.
Typ hranolu	Vrcholový úhel	Funkce kláves	Typická aplikace
Rovnostranný hranol	60°	Rozptyl bílého světla	Spektroskopie, separace vlnových délek
Pravoúhlý hranol	90°-45°-45°	90° odchylka paprsku přes TIR	Hledáčky, laserové skládání
Penta Prism	90° odchylka, konstantní	Otočení o 90° bez inverze	Geodetické přístroje, zrcadlovky
Dove Prism	Zkrácený pravý úhel	Otočení obrazu	Interferometrie, rozpoznávání vzorů
Rohový krychlový reflektor	Tři vzájemně kolmé plochy	Vraťte paprsek rovnoběžně se vstupem	Laserové sledování, zarovnání

Každá geometrie využívá buď lom nebo odraz k dosažení opakovatelné změny úhlu. Výše uvedená tabulka zdůrazňuje definující vrcholový úhel a primární optickou úlohu. Zatímco rovnostranný hranol je optimalizován pro rozptyl, pravoúhlý hranol využívá úplného vnitřního odrazu k ohnutí paprsku o 90° bez povlaků při použití s kolimovaným světlem.

Rozptyl a spektrální rozlišení

Když bílé světlo prochází hranolem, každá vlnová délka se láme pod trochu jiným úhlem, protože index lomu klesá s rostoucí vlnovou délkou. Pro typického 60° rovnostranný hranol z N-BK7, úhlový rozptyl od 400 nm do 700 nm dosahuje cca 0,5° . Rychlost změny odchylky s vlnovou délkou, úhlová disperze dδ/dλ, je přibližně 0,08°/nm při 500 nm za stejnou sklenici. Tato separační síla je dostatečná pro mnoho kompaktních spektrometrů, kde lineární pole detektorů zachycuje rozptýlené spektrum bez pohyblivých částí.

Spektrální rozlišení závisí na délce základny hranolu a disperzní křivce materiálu. Delší optická dráha skrz sklo zvyšuje fyzickou separaci mezi vlnovými délkami. Například hranol se základnou 30 mm může typicky rozlišit sodíkové D-čáry (589,0 nm a 589,6 nm), když je kombinován s úzkou vstupní štěrbinou. Tento princip zůstává páteří hranolových monochromátorů používaných v systémech měření absorbance a fluorescence.

Totální vnitřní odraz a kontrola obrazu

Reflexní hranoly využívají totální vnitřní odraz (TIR) k přesměrování světla bez kovových povlaků. Když světlo uvnitř skla dopadá na povrch pod úhlem větším, než je kritický úhel, Dochází ke 100% odrazu . Pro N-BK7 je pouze kritický úhel přibližně 41,2° pro rozhraní sklo-vzduch. Pravoúhlý hranol přijímá kolimované světlo normální pro jednu nohu, odráží je pod úhlem 45° v přeponě a vysílá je druhou nohou s přesným 90° záhybem. Protože dopad 45° přesahuje kritický úhel, není potřeba žádný reflexní povlak, což zachovává vysokou propustnost a eliminuje absorpci kovu.

Specializovanější hranoly řídí orientaci obrazu. Penta hranol poskytuje konstantní odchylku 90° bez ohledu na malé chyby zarovnání a neinvertuje ani neobrací obraz – toho dosáhnou dva vnitřní odrazy, z nichž jeden musí být pokryt. Hranol Dove otočí obraz o dvojnásobek úhlu natočení samotného hranolu, což je užitečné při skenování laserovým paprskem a derotaci obrazu. Rohové krychlové retroreflektory vracejí světlo přesně podél dopadající dráhy, což je vlastnost využívaná při lunárním laserovém zaměřování a průmyslovém zarovnání, s přesností návratu často lepší než 5 obloukových sekund při výrobě s úzkými tolerancemi.

Určení hranolu: materiál, velikost a tolerance

Výběr správného hranolu pro skutečné optické nastavení vyžaduje převedení potřeb aplikace do měřitelných parametrů. Následující seznam zachycuje kritické specifikace, které se objevují na typickém výkresu nebo datovém listu.

Materiál : Přizpůsobte přenosové okno vaší vlnové délce. BK7 pracuje od 350 nm do 2 μm; UV tavený oxid křemičitý sahá až do 185 nm; ZnSe je vhodný pro infračervené systémy 0,6–16 μm.
Rovinnost povrchu : λ/4 při 633 nm je standardní pro zobrazování; Pro interferometrické použití je zapotřebí λ/10 nebo lepší, aby se zachovala kvalita vlnoplochy.
Kvalita povrchu (Scratch-Dig) : 60-40 je přijatelný pro mnoho osvětlovacích systémů; 40-20 nebo 20-10 snižuje rozptyl v laserových drahách.
Úhlová tolerance : ±3 úhlové minuty je hodnota pro všeobecné použití; přesné penta hranoly často vyžadují ±30 obloukových sekund, aby byla zaručena konzistentní odchylka 90°.
Jasná clona : Obvykle je specifikováno alespoň 80 % rozměru čela hranolu, aby se předešlo defektům na hranách a deformacím způsobeným montáží.
Povlak : Širokopásmové antireflexní vrstvy, jako je MgF₂, mohou zvýšit přenos do více než 99 % na povrch ; reflexní plochy mohou používat chráněné stříbro pro odrazivost > 96 % ve viditelné oblasti.

Doporučené postupy montáže a vyrovnání

Optický výkon hranolu se může rychle zhoršit, pokud je namáhán nebo nesprávně zarovnán. Praktické pokyny pro manipulaci pomáhají udržet kvalitu paprsku uvedenou na výkresu.

Používejte kinematické nebo semi-kinematické držáky, které vyvíjejí jemný tlak pružiny na broušené hrany, nikoli na leštěné plochy. Tím se zabrání dvojlomu napětí, který by narušil polarizaci.
Vyrovnejte hranol pomocí autokolimátoru nebo interferometru se smykovou destičkou, abyste ověřili, že úhel výstupního paprsku odpovídá návrhové hodnotě v rámci tolerance.
Očistěte povrchy hadříkem nepouštějícím vlákna a reagenčním izopropanolem; vyhněte se suchému otírání, které může způsobit škrábance, které rozptylují světlo.
Blokujte nechtěné odrazy TIR a duchů pomocí černě eloxovaných přepážek, zejména v řetězech s více hranoly.

Pokud systém vyžaduje otočení hranolu, jako je tomu u hranolu Dove pro otáčení obrazu, musí držák přesně vycentrovat hranol na osu otáčení. Radiální házení sudé 0,1 mm může způsobit odchýlení paprsku, které posune obraz na detektoru, čímž se sníží opakovatelnost měření.

Odstraňování běžných problémů

I dobře specifikovaný hranol může produkovat neočekávané artefakty. Odrazy duchů od nepotažených povrchů se často objevují jako slabé posunuté skvrny; aplikace dobrého AR povlaku snižuje jejich intenzitu o dva řády. Zjevná odchylka paprsku, která překračuje úhlovou toleranci hranolu, často pochází z klínového montážního adaptéru spíše než ze samotného hranolu – kontrola montáže pomocí číselníku obvykle identifikuje zdroj. Ve vysoce výkonných laserových systémech může objemová absorpce vytvořit tepelnou čočku: hranol z taveného oxidu křemičitého vykazuje mnohem nižší tepelný drift než BK7, s tepelným koeficientem indexu lomu přibližně desetkrát menší , zachování stability směrování paprsku při různém zatížení.

Výběr správného hranolu závisí na pochopení jeho geometrie a materiálu. S pečlivou specifikací a montáží poskytují hranoly spolehlivou manipulaci s paprskem bez zarovnání v přístrojích od ručních spektroskopů po satelitní laserové zaměřovací stanice.