Co je to optický hranol? Typy, funkce a aplikace

Pochopení optických hranolů

An optický hranol je průhledný optický prvek s plochými, leštěnými povrchy, které lámou světlo. Základním principem hranolu je, že může ohýbat, odrážet nebo štěpit světlo na základě své geometrie a refrakčních vlastností svého materiálu. . Na rozdíl od čoček, které používají zakřivené povrchy, hranoly využívají rovinné povrchy umístěné ve specifických úhlech pro manipulaci se světelnými dráhami.

Většina optických hranolů je vyrobena ze skla nebo průhledných plastů s přesnými indexy lomu. Nejznámější formou je trojúhelníkový hranol, který rozptyluje bílé světlo do jeho základních barev spektra – jev, který poprvé systematicky studoval Isaac Newton v roce 1666. Hranoly však slouží mnohem více účelům než vytváření duh; jsou základními součástmi mnoha optických systémů od jednoduchých periskopů až po pokročilé spektrometry.

Klíčovou vlastností, která odlišuje hranoly od ostatních optických prvků, je jejich schopnost měnit směr světla, aniž by bylo nutné jej zaostřovat. , díky čemuž jsou neocenitelné pro řízení paprsku, korekci orientace obrazu a aplikace separace vlnových délek.

Jak fungují optické hranoly

Činnost optických hranolů se řídí dvěma základními optickými principy: lomem a úplným vnitřním odrazem.

Lom v hranolech

Když světlo vstupuje do hranolu pod úhlem, ohýbá se podle Snellova zákona. Stupeň ohybu závisí na vlnové délce světla a indexu lomu materiálu hranolu . U standardního optického skla (korunové sklo) je index lomu přibližně 1,52, což znamená, že světlo se ve skle šíří 1,52krát pomaleji než ve vzduchu.

Tento lom závislý na vlnové délce vysvětluje, proč hranoly dokážou rozdělit bílé světlo na barvy – modré světlo se ohýbá ostřeji než světlo červené, protože má kratší vlnovou délku. V typickém disperzním hranolu s a 60stupňový vrcholový úhel úhlová vzdálenost mezi červeným a fialovým světlem je přibližně 3 stupně .

Totální vnitřní odraz

Mnoho hranolů využívá spíše úplný vnitřní odraz než lom. Když světlo procházející hustším prostředím (jako je sklo) narazí na hranici s méně hustým prostředím (jako je vzduch) pod úhlem větším, než je kritický úhel, 100 % světla se odráží zpět do hustšího média . U korunového skla je tento kritický úhel přibližně 41,8 stupně .

Tento jev umožňuje hranolům fungovat jako vysoce účinná zrcadla bez metalických povlaků, díky čemuž jsou v mnoha aplikacích lepší než konvenční zrcadla, protože nedochází k žádné ztrátě světla absorpcí.

Běžné typy optických hranolů

Optické hranoly jsou kategorizovány na základě jejich geometrie a primární funkce. Každý typ slouží pro specifické aplikace v optických systémech.

Disperzní hranoly

Klasický trojúhelníkový hranol primárně rozptyluje světlo. Tyto hranoly jsou charakterizovány svým vrcholovým úhlem (typicky mezi 30 a 60 stupňů ) a jsou základem pro spektroskopickou analýzu. Moderní spektrometry mohou používat hranolovou disperzi k identifikaci materiálů podle jejich spektrálních podpisů rozlišení vlnové délky až 0,1 nanometru .

Odrážející hranoly

Odrazné hranoly přesměrovávají světlo bez výrazného rozptylu. Systém Porro hranolů, který vynalezl Ignazio Porro v roce 1854, zůstává standardem v mnoha dalekohledech. Dvojice Porro hranolů může vztyčit převrácený obraz a zároveň zvětšit délku optické dráhy , což umožňuje kompaktní design přístrojů s efektivním zvětšením.

Polarizační hranoly

Specializované hranoly jako Nicolův hranol nebo Glan-Thompsonův hranol rozdělují světlo do ortogonálních polarizačních stavů. Tato zařízení dosahují extinkční poměry přesahující 100 000:1 , což je činí nezbytnými pro aplikace polarimetrie a optického výzkumu.

Aplikace optických hranolů v reálném světě

Optické hranoly jsou v moderní technologii všudypřítomné a často neviditelně fungují v zařízeních, která denně používáme.

Fotografování a zobrazování

Jednooké zrcadlovky (SLR) spoléhají na pentaprizmy, které poskytují fotografům vzpřímený, správně orientovaný pohled přes hledáček. Pentaprismus odráží světlo pětkrát uvnitř , opravující převrácený a převrácený obraz vytvářený objektivem fotoaparátu bez potřeby dalších optických prvků.

Digitální projektory používají hranolové sestavy ke kombinaci obrazů ze samostatných červených, zelených a modrých LCD panelů nebo DLP čipů. Systém dichroických hranolů v a tříčipový projektor může dosáhnout přesnosti barev do 2 % profesionálních standardů .

Vědecké přístroje

Spektrometry používají k analýze složení materiálů hranoly. Například astronomické spektrografy využívají k určení chemického složení vzdálených hvězd rozptyl hranolu. Spektroskopické přístroje Hubbleova vesmírného dalekohledu mohou detekovat chemické hojnosti přesnost lepší než 5 % ve hvězdných atmosférách.

V chemických laboratořích používají refraktometry Abbe hranoly k měření indexu lomu kapalin s přesnost na čtyři desetinná místa , umožňující přesnou identifikaci látek a měření koncentrace.

Telekomunikační a laserová technologie

Systémy s optickými vlákny používají hranoly pro multiplexování dělením vlnových délek, kdy více datových toků na různých vlnových délkách prochází jediným vláknem. Moderní DWDM systémy mohou multiplexovat přes 80 samostatných kanálů , z nichž každý přenáší 100 Gbps, využívající separaci vlnových délek na bázi hranolu.

Systémy řízení laserového paprsku využívají rotující hranoly nebo páry hranolů k přesnému ovládání směru paprsku bez pohybu samotného laserového zdroje. přesnost polohování v mikroradiánech .

Spotřebitelská optika

Dalekohledy obsahují Porro nebo střešní hranoly, které vytvářejí kompaktní, ergonomický design a zároveň poskytují zvětšený, správně orientovaný obraz. Vysoce kvalitní dalekohledy používají povlaky pro fázovou korekci na střešních hranolech pro dosažení propustnosti světla přesahující 90 % , konkurující jasu přímého sledování.

Materiály a výroba

Výkon optického hranolu kriticky závisí na jeho materiálových vlastnostech a výrobní přesnosti.

Běžné hranolové materiály

• Sklo BK7: Nejběžnější optické sklo s indexem lomu 1,517, používané v univerzálních hranolech pro vlnové délky 380-2100 nm
• Tavený oxid křemičitý: Nabízí výjimečnou propustnost v ultrafialovém rozsahu a nízkou tepelnou roztažnost, což je kritické pro vysoce výkonné laserové aplikace
• Sklo SF11: Vysoký index lomu (1,785) poskytuje větší rozptyl, ideální pro kompaktní spektroskopické systémy
• Fluorid vápenatý: Přenáší infračervené a ultrafialové vlnové délky, nezbytné pro specializovanou spektroskopii s přenosem od 180 nm do 8000 nm

Výrobní přesnost

Přesné hranoly vyžadují mimořádné výrobní tolerance. Plochost povrchu musí být obvykle lepší než λ/4 (jedna čtvrtina vlnové délky světla) , což znamená odchylky menší než 150 nanometrů pro viditelné světlo. Požadavky na úhlovou přesnost jsou stejně přísné, často jsou specifikovány uvnitř obloukové sekundy (1/3600 stupně) .

Optické povlaky výrazně zvyšují výkon hranolu. Antireflexní vrstvy mohou snížit ztráty odrazem povrchu ze 4 % na méně než 0,25 % na povrch . Kovové nebo dielektrické povlaky na reflexních plochách zlepšují účinnost a umožňují selektivní odraz vlnové délky.

Výhody a omezení

Pochopení, kdy použít hranoly oproti alternativním optickým komponentům, vyžaduje znát jejich silné a slabé stránky.

Klíčové výhody

• Žádné absorpční ztráty: Totální vnitřní odrazové hranoly dosahují prakticky 100% účinnosti odrazu, lepší než kovová zrcadla, která typicky odráží 90-95%
• Oddělení vlnových délek: Hranoly poskytují spojitý rozptyl vlnových délek, na rozdíl od difrakčních mřížek, které produkují více řádů
• Trvanlivost: Vnitřní odrazové plochy jsou chráněny před znečištěním prostředím a mechanickým poškozením
• Ovládání polarizace: Některé typy hranolů mohou oddělit nebo analyzovat stavy polarizace s výjimečnou čistotou

Praktická omezení

• Velikost a hmotnost: Skleněné hranoly jsou podstatně těžší než ekvivalentní zrcadlové systémy, což omezuje jejich použití v aplikacích citlivých na hmotnost
• Cena: Přesné hranoly s vysoce kvalitními povlaky mohou stát 10-50krát více než jednoduchá zrcadla
• Chromatické efekty: Disperzní hranoly oddělují vlnové délky, což je nežádoucí v zobrazovacích aplikacích vyžadujících achromatický výkon
• Citlivost na teplotu: Změny indexu lomu s teplotou mohou ovlivnit výkon hranolu v extrémních prostředích, s typickými odchylkami 1-5 dílů na milion na stupeň Celsia

Výběr správného hranolu

Výběr vhodného hranolu pro konkrétní aplikaci vyžaduje systematické zvažování více faktorů.

Kritická výběrová kritéria

1. Rozsah vlnových délek: Přizpůsobte materiál hranolu provozním vlnovým délkám; UV aplikace vyžadují tavený oxid křemičitý, zatímco IR může vyžadovat specializované materiály, jako je selenid zinku
2. Požadavky na odchylku paprsku: Určete potřebný úhel vychýlení (45°, 90°, 180°) a zda musí být zachována orientace obrazu
3. Potřeby disperze: Rozhodněte, zda je pro aplikaci žádoucí nebo problematická separace vlnových délek
4. Omezení velikosti: Zvažte omezení fyzického prostoru a omezení hmotnosti
5. Manipulace s výkonem: Vysoce výkonné laserové aplikace obvykle vyžadují materiály s vysokými prahovými hodnotami poškození větší než 10 J/cm² pro tavený oxid křemičitý

Úvahy o nátěrech

Volba optických povlaků dramaticky ovlivňuje výkon hranolu. Standardní antireflexní vrstvy poskytují odraz pod 0,5 % na povrch na viditelných vlnových délkách, zatímco širokopásmové povlaky rozšiřují tento výkon od 400 do 700 nm. Pro kritické aplikace lze dosáhnout zakázkových vícevrstvých povlaků odrazivost pod 0,1% na konkrétních vlnových délkách.

Kovové povlaky (hliník nebo stříbro) na reflexních plochách umožňují použití za kritickým úhlem, i když za cenu 3-10% ztráta odrazem . Chráněné stříbrné povlaky nabízejí vynikající odrazivost v infračerveném záření při zachování adekvátního viditelného výkonu.

Budoucí vývoj v technologii hranolů

Pokroky ve vědě o materiálech a výrobě rozšiřují možnosti a aplikace hranolů.

Metamateriálové hranoly

Výzkumníci vyvíjejí hranoly pomocí metamateriálů – uměle strukturovaných materiálů s optickými vlastnostmi, které se v přírodě nenacházejí. Tyto metamateriálové hranoly mohou dosáhnout negativní refrakce nebo superdisperze , umožňující ultrakompaktní spektroskopické systémy a nová zobrazovací zařízení. První prototypy ukazují rozptylové koeficienty 10x větší než běžné sklo.

Adaptivní hranoly

Tekuté krystaly a elektrooptické materiály umožňují elektricky laditelné hranoly, které mohou dynamicky upravovat své optické vlastnosti. Tato zařízení by mohla způsobit revoluci v řízení paprsku a výběru vlnové délky spínací časy pod 1 milisekundu a žádné pohyblivé části.

Miniaturizace

Mikrohranolová pole vyrobená pomocí technik výroby polovodičů umožňují integrovaná fotonická zařízení. Tyto mikroskopické hranoly s rozměry měřenými v mikrometrech jsou kritickými součástmi v optických zařízeních MEMS a fotoaparátech smartphonů, kde hranolová pole poskytují optickou stabilizaci obrazu v balíčcích menších než 5 mm v průměru.