광학 프리즘: 작동 방식, 유형 및 선택 가이드

굴절과 편차의 기하학

프리즘에 입사하는 빛은 유리의 굴절률이 공기의 굴절률보다 높기 때문에 속도와 방향이 변경됩니다. 관계는 다음과 같다 n₁ 죄 θ₁ = n² 죄 θ2 , 여기서 θ는 표면 법선에서 측정됩니다. 꼭지점 각도 A로 프리즘을 통과하는 광선은 총 편차 δ = i₁ i² – A를 경험하며, i₁ 및 i²는 입구 각도와 출구 각도입니다. 최소 편차 조건에서 광선은 대칭적으로 통과하며 굴절률은 n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2)로부터 직접 계산할 수 있습니다. 이 특성을 통해 재료 분산을 정밀하게 측정할 수 있습니다.

재료 선택은 편차의 양과 파장 확산을 모두 결정합니다. 일반적인 붕규산염 크라운 유리(N-BK7 상당)는 n _d = 587.6nm 및 아베수 V에서 1.5168 _d = 64.17 , 적당한 분산을 나타냅니다. 자외선 용도의 경우 UV 등급 용융 실리카(n _d = 1.4585,V _d = 67.8)은 350nm 미만에서 더 높은 투과율과 더 낮은 열팽창을 제공합니다. 두 재료 사이의 굴절률 차이는 동일한 꼭지점 각도에서 편차를 몇 도씩 변경하는데, 이는 시스템 설계 시 중요한 요소입니다.

프리즘 유형 및 기능

각 형상은 굴절이나 반사를 활용하여 반복 가능한 각도 변경을 달성합니다. 위의 표에는 정점 각도 정의와 기본 광학 작업이 강조되어 있습니다. 등변 프리즘은 분산에 최적화된 반면 직각 프리즘은 시준된 빛과 함께 사용할 때 내부 전반사를 활용하여 코팅 없이 빔을 90° 접습니다.

분산 및 스펙트럼 분해능

백색광이 프리즘을 통과할 때, 파장이 증가함에 따라 굴절률이 감소하기 때문에 각 파장은 약간 다른 각도로 굴절됩니다. 일반적인 경우 N-BK7로 제작된 60° 정각 프리즘, 400 nm에서 700 nm까지의 각도 확산은 약 0.5°에 이릅니다. . 파장에 따른 편차의 변화율, 각도 분산 dδ/dλ는 대략 다음과 같습니다. 500nm에서 0.08°/nm 같은 유리에 대해. 이 분리 능력은 선형 검출기 배열이 움직이는 부품 없이 분산된 스펙트럼을 캡처하는 많은 소형 분광계에 충분합니다.

스펙트럼 분해능은 프리즘의 기본 길이와 재료의 분산 곡선에 따라 달라집니다. 유리를 통과하는 광학 경로가 길수록 파장 간의 물리적 분리가 증가합니다. 예를 들어 베이스가 30mm인 프리즘은 좁은 입구 슬릿과 결합하면 일반적으로 나트륨 D선(589.0nm 및 589.6nm)을 분해할 수 있습니다. 이 원리는 흡광도 및 형광 측정 시스템에 사용되는 프리즘 단색 장치의 중추로 남아 있습니다.

내부 전반사 및 이미지 제어

반사 프리즘은 내부 전반사(TIR)를 활용하여 금속 코팅 없이 빛의 방향을 바꿉니다. 유리 내부의 빛이 임계각보다 큰 각도로 표면에 닿으면, 100% 반사가 발생합니다. . N-BK7의 경우 임계각은 약 41.2° 유리-공기 인터페이스용. 직각 프리즘은 한쪽 다리에 수직으로 시준된 빛을 받아 빗변에서 45°로 반사한 다음 정확히 90° 접힌 상태로 다른 쪽 다리로 보냅니다. 45° 입사각이 임계각을 초과하므로 반사 코팅이 필요하지 않아 높은 처리량을 유지하고 금속 흡수가 제거됩니다.

보다 전문화된 프리즘이 이미지 방향을 관리합니다. 펜타 프리즘은 작은 정렬 오류에도 불구하고 일정한 90° 편차를 제공하며 이미지를 반전하거나 반전시키지 않습니다. 두 개의 내부 반사(이 중 하나는 코팅되어야 함)를 통해 이를 달성합니다. Dove 프리즘은 프리즘 자체 회전 각도의 두 배만큼 이미지를 회전하므로 레이저 빔 스캐닝 및 이미지 역회전에 유용합니다. 코너 큐브 역반사체는 달 레이저 거리 측정 및 산업 정렬에 활용되는 특성인 입사 경로를 따라 정확하게 빛을 반환하며 반환 정확도는 종종 다음보다 뛰어납니다. 5각초 엄격한 공차로 제작할 때.

프리즘 지정: 재료, 크기 및 공차

실제 광학 설정에 적합한 프리즘을 선택하려면 애플리케이션 요구 사항을 측정 가능한 매개변수로 변환해야 합니다. 다음 목록에는 일반적인 도면이나 데이터시트에 나타나는 중요한 사양이 나와 있습니다.

• 소재 : 투과 창을 파장에 맞추십시오. BK7은 350nm에서 2μm까지 작동합니다. UV 융합 실리카는 185nm까지 확장됩니다. ZnSe는 0.6~16μm 적외선 시스템에 적합합니다.
• 표면 평탄도 : 633nm에서의 λ/4는 이미징의 표준입니다. 파면 품질을 보존하기 위해 간섭계를 사용하려면 λ/10 이상이 필요합니다.
• 표면 품질(스크래치 발굴) : 60-40은 많은 조명 시스템에 허용됩니다. 40-20 또는 20-10은 레이저 경로의 산란을 줄입니다.
• 안gle Tolerance : ±3각분은 범용 값입니다. 정밀 펜타 프리즘은 일관된 90° 편차를 보장하기 위해 ±30각초가 필요한 경우가 많습니다.
• 조리개 지우기 : 일반적으로 프리즘 면 치수의 80% 이상을 지정하여 가장자리 결함 및 장착으로 인한 왜곡을 방지합니다.
• 코팅 : MgF₂와 같은 광대역 반사 방지 코팅으로 투과율을 높일 수 있습니다. 표면당 99% 이상 ; 반사면은 가시광선에서 96% 이상의 반사율을 위해 보호된 은색을 사용할 수 있습니다.

장착 및 정렬 모범 사례

프리즘의 광학 성능은 스트레스를 받거나 잘못 정렬되면 급속히 저하될 수 있습니다. 실용적인 취급 지침은 도면에 지정된 빔 품질을 유지하는 데 도움이 됩니다.

1. 연마된 면이 아닌 연마된 가장자리에 부드러운 스프링 압력을 가하는 운동학적 또는 반운동학적 마운트를 사용하십시오. 이는 편광을 왜곡시키는 응력 복굴절을 방지합니다.
2. 프리즘을 자동 시준기 또는 전단판 간섭계와 정렬하여 출구 빔 각도가 허용 오차 내에서 설계 값과 일치하는지 확인합니다.
3. 보푸라기가 없는 티슈와 시약 등급의 이소프로판올로 표면을 청소합니다. 빛을 산란시키는 긁힘을 일으킬 수 있는 마른 닦기를 피하십시오.
4. 특히 다중 프리즘 체인에서 검정색 양극 처리된 배플을 사용하여 의도하지 않은 TIR 및 고스트 반사를 차단합니다.

이미지 회전을 위한 Dove 프리즘과 같이 시스템에서 프리즘 회전이 필요한 경우 마운트는 프리즘의 중심을 회전축에 정확히 맞춰야 합니다. 균일한 방사형 런아웃 0.1mm 검출기의 이미지를 이동시키는 빔 워크오프가 발생하여 측정 반복성이 저하될 수 있습니다.

일반적인 문제 해결

잘 지정된 프리즘이라도 예상치 못한 아티팩트가 발생할 수 있습니다. 코팅되지 않은 표면의 고스트 반사는 종종 희미하게 변위된 점으로 나타납니다. 좋은 AR 코팅을 적용하면 강도가 2배 정도 감소합니다. 프리즘의 각도 공차를 초과하는 명백한 빔 편차는 프리즘 자체가 아닌 쐐기 장착 어댑터에서 발생하는 경우가 많습니다. 일반적으로 다이얼 표시기로 마운트를 확인하면 소스를 식별할 수 있습니다. 고출력 레이저 시스템에서 벌크 흡수는 열 렌즈를 생성할 수 있습니다. 용융 실리카 프리즘은 BK7보다 훨씬 낮은 열 드리프트를 나타내며 열 굴절률 계수는 약 10배 더 작음 , 다양한 하중 하에서 빔 포인팅 안정성을 유지합니다.

올바른 프리즘을 선택하는 것은 기하학과 재질을 이해하는 데 달려 있습니다. 신중한 사양과 장착을 통해 프리즘은 휴대용 분광기부터 위성 레이저 거리 측정 스테이션에 이르기까지 다양한 기기에서 안정적이고 정렬이 필요 없는 빔 조작을 제공합니다.