광학 프리즘이란 무엇입니까? 유형, 기능 및 용도

광학 프리즘의 이해

안 광학 프리즘 빛을 굴절시키는 평평하고 광택이 나는 표면을 가진 투명한 광학 요소입니다. 프리즘의 기본 원리는 기하학과 재료의 굴절 특성을 기반으로 빛을 구부리거나 반사하거나 분할할 수 있다는 것입니다. . 곡면을 사용하는 렌즈와 달리 프리즘은 특정 각도에 위치한 평면을 활용하여 빛의 경로를 조작합니다.

대부분의 광학 프리즘은 정확한 굴절률을 지닌 유리나 투명 플라스틱으로 만들어집니다. 가장 잘 알려진 형태는 백색광을 구성 스펙트럼 색상으로 분산시키는 삼각형 프리즘입니다. 이 현상은 1666년 아이작 뉴턴이 처음으로 체계적으로 연구한 현상입니다. 그러나 프리즘은 무지개를 만드는 것보다 훨씬 더 많은 용도로 사용됩니다. 이는 단순한 잠망경부터 고급 분광계에 이르는 수많은 광학 시스템의 필수 구성 요소입니다.

프리즘을 다른 광학 요소와 구별하는 주요 특징은 빛의 초점을 맞추지 않고도 빛의 방향을 변경할 수 있다는 것입니다. , 이는 빔 조정, 이미지 방향 수정 및 파장 분리 응용 분야에 매우 중요합니다.

광학 프리즘의 작동 원리

광학 프리즘의 작동은 굴절과 내부 전반사의 두 가지 기본 광학 원리에 의해 제어됩니다.

프리즘의 굴절

빛이 프리즘에 비스듬히 입사하면 스넬의 법칙에 따라 휘어집니다. 휘어지는 정도는 빛의 파장과 프리즘 소재의 굴절률에 따라 달라집니다. . 표준 광학 유리(크라운 유리)의 굴절률은 약 1.52입니다. 이는 빛이 공기 중에서보다 유리 속에서 1.52배 더 느리게 이동한다는 것을 의미합니다.

이 파장 의존적 굴절은 프리즘이 백색광을 색상으로 분리할 수 있는 이유를 설명합니다. 청색광은 파장이 더 짧기 때문에 적색광보다 더 급격하게 구부러집니다. 일반적인 분산 프리즘에서는 60도 정점 각도 , 빨간색과 보라색 빛 사이의 각도 분리는 대략 다음과 같습니다. 3도 .

전체 내부 반사

많은 프리즘은 굴절보다는 내부 전반사를 이용합니다. 밀도가 높은 매질(예: 유리)을 통과하는 빛이 임계각보다 큰 각도로 밀도가 낮은 매질(예: 공기)의 경계에 부딪힐 때, 빛의 100%가 밀도가 높은 매질로 다시 반사됩니다. . 크라운 유리의 경우 이 임계각은 대략 다음과 같습니다. 41.8도 .

이러한 현상을 통해 프리즘은 금속 코팅 없이도 고효율 거울로 기능할 수 있으며 흡수로 인한 빛 손실이 전혀 없기 때문에 많은 응용 분야에서 기존 거울보다 우수합니다.

일반적인 유형의 광학 프리즘

광학 프리즘은 기하학적 구조와 주요 기능에 따라 분류됩니다. 각 유형은 광학 시스템의 특정 응용 분야에 사용됩니다.

분산 프리즘

고전적인 삼각 프리즘은 주로 빛을 분산시킵니다. 이 프리즘은 정점 각도(일반적으로 30도와 60도 ) 분광학 분석의 기본입니다. 현대 분광계는 프리즘 분산을 사용하여 스펙트럼 특성으로 물질을 식별할 수 있습니다. 최저 0.1나노미터의 파장 분해능 .

반사 프리즘

반사 프리즘은 큰 분산 없이 빛의 방향을 바꿉니다. 1854년 Ignazio Porro가 발명한 Porro 프리즘 시스템은 많은 쌍안경의 표준으로 남아 있습니다. 한 쌍의 Porro 프리즘은 반전된 이미지를 세우는 동시에 광학 경로 길이를 늘릴 수 있습니다. , 효과적인 배율로 컴팩트한 기기 디자인이 가능합니다.

편광 프리즘

Nicol 프리즘이나 Glan-Thompson 프리즘과 같은 특수 프리즘은 빛을 직교 편광 상태로 분리합니다. 이러한 장치는 100,000:1을 초과하는 소멸 비율 , 이는 편광 측정 및 광학 연구 응용 분야에 필수적입니다.

광학 프리즘의 실제 응용

광학 프리즘은 현대 기술 어디에나 존재하며, 우리가 매일 사용하는 장치 내에서 눈에 보이지 않게 작동하는 경우가 많습니다.

사진 및 이미징

일안 반사(SLR) 카메라는 펜타프리즘을 사용하여 뷰파인더를 통해 사진 작가에게 올바른 방향의 뷰를 제공합니다. 펜타프리즘은 빛을 내부적으로 5번 반사합니다. , 추가 광학 요소 없이 카메라 렌즈에 의해 생성된 반전 및 반전된 이미지를 보정합니다.

디지털 프로젝터는 프리즘 어셈블리를 사용하여 별도의 빨간색, 녹색 및 파란색 LCD 패널이나 DLP 칩의 이미지를 결합합니다. 이색 프리즘 시스템 3칩 프로젝터는 전문가 표준의 2% 이내 색상 정확도를 달성할 수 있습니다. .

과학적인 계측

분광계는 프리즘을 사용하여 재료의 구성을 분석합니다. 예를 들어, 천문 분광기는 먼 별의 화학적 구성을 결정하기 위해 프리즘 분산을 사용합니다. 허블 우주 망원경의 분광 장비는 화학적 존재량을 감지할 수 있습니다. 5%보다 나은 정밀도 별의 대기에서.

화학 실험실에서 Abbe 굴절계는 프리즘을 사용하여 액체의 굴절률을 측정합니다. 소수점 네 자리까지의 정확도 , 정확한 물질 식별 및 농도 측정이 가능합니다.

통신 및 레이저 기술

광섬유 시스템은 서로 다른 파장의 여러 데이터 스트림이 단일 광섬유를 통해 이동하는 파장 분할 다중화에 프리즘을 사용합니다. 최신 DWDM 시스템은 80개 이상의 개별 채널을 다중화할 수 있습니다. , 프리즘 기반 파장 분리를 사용하여 각각 100Gbps를 전달합니다.

레이저 빔 조정 시스템은 회전 프리즘 또는 프리즘 쌍을 사용하여 레이저 소스 자체를 이동하지 않고 빔 방향을 정밀하게 제어합니다. 마이크로라디안 이내의 위치 정확도 .

소비자 광학

쌍안경은 Porro 또는 지붕 프리즘을 통합하여 컴팩트하고 인체공학적인 디자인을 만드는 동시에 확대되고 올바른 방향의 이미지를 제공합니다. 고품질 쌍안경은 루프 프리즘에 위상차 보정 코팅을 사용하여 90% 이상의 빛 투과율을 달성합니다. , 직접 보는 밝기에 필적합니다.

재료 및 제조

광학 프리즘의 성능은 재료 특성과 제조 정밀도에 따라 결정적으로 달라집니다.

일반적인 프리즘 재료

• BK7 유리: 굴절률 1.517의 가장 일반적인 광학 유리로 380-2100 nm 파장의 범용 프리즘에 사용됩니다.
• 융합된 실리카: 고출력 레이저 응용 분야에 중요한 자외선 범위 및 낮은 열팽창에서 탁월한 투과율을 제공합니다.
• SF11 유리: 높은 굴절률(1.785)은 더 큰 분산을 제공하여 소형 분광 시스템에 이상적입니다.
• 불화칼슘: 180nm에서 8000nm까지 투과하는 특수 분광학에 필수적인 적외선 및 자외선 파장을 투과시킵니다.

제조 정밀도

정밀 프리즘에는 특별한 제조 공차가 필요합니다. 표면 평탄도는 일반적으로 λ/4(빛 파장의 1/4)보다 좋아야 합니다. 이는 가시광선의 경우 150나노미터 미만의 편차를 의미합니다. 각도 정확도 요구 사항은 똑같이 엄격하며 종종 다음 범위 내로 지정됩니다. 호초(1도의 1/3600) .

광학 코팅은 프리즘 성능을 크게 향상시킵니다. 반사 방지 코팅은 표면 반사 손실을 4%에서 표면당 0.25% 미만 . 반사 표면의 금속 또는 유전체 코팅은 효율성을 향상시키고 파장 선택 반사를 가능하게 합니다.

장점과 한계

프리즘과 대체 광학 구성 요소를 언제 사용해야 하는지 이해하려면 각각의 강점과 약점을 알아야 합니다.

주요 장점

• 흡수 손실 없음: 내부 전반사 프리즘은 사실상 100%의 반사 효율을 달성하며, 이는 일반적으로 90-95%를 반사하는 금속 거울보다 우수합니다.
• 파장 분리: 프리즘은 여러 차수를 생성하는 회절 격자와 달리 연속적인 파장 분산을 제공합니다.
• 내구성: 내부 반사 표면은 환경 오염 및 기계적 손상으로부터 보호됩니다.
• 편광 제어: 특정 프리즘 유형은 탁월한 순도로 편광 상태를 분리하거나 분석할 수 있습니다.

실질적인 한계

• 크기와 무게: 유리 프리즘은 동등한 미러 시스템보다 훨씬 무거워서 무게에 민감한 응용 분야에서의 사용이 제한됩니다.
• 비용: 고품질 코팅이 적용된 정밀 프리즘은 단순 거울보다 10~50배 더 비쌀 수 있습니다.
• 색채 효과: 분산 프리즘은 파장을 분리하므로 무색 성능이 요구되는 이미징 응용 분야에서는 바람직하지 않습니다.
• 온도 감도: 온도에 따른 굴절률 변화는 극한 환경에서 프리즘 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 일반적인 변화는 섭씨 1도당 1~5ppm입니다.

올바른 프리즘 선택

특정 용도에 적합한 프리즘을 선택하려면 여러 요소를 체계적으로 고려해야 합니다.

중요한 선택 기준

1. 파장 범위: 프리즘 재료를 작동 파장에 맞추십시오. UV 용도에는 용융 실리카가 필요한 반면 IR에는 셀렌화아연과 같은 특수 재료가 필요할 수 있습니다.
2. 빔 편차 요구사항: 필요한 편향 각도(45°, 90°, 180°)와 이미지 방향을 유지해야 하는지 여부를 결정합니다.
3. 분산 요구사항: 응용 분야에 파장 분리가 필요한지 또는 문제가 있는지 결정
4. 크기 제약: 물리적 공간 제한과 무게 제한을 고려하세요.
5. 파워 핸들링: 고출력 레이저 응용 분야에는 일반적으로 손상 임계값이 높은 재료가 필요합니다. 10J/cm²보다 큼 용융 실리카용

코팅 고려 사항

광학 코팅의 선택은 프리즘 성능에 큰 영향을 미칩니다. 표준 반사 방지 코팅은 다음을 제공합니다. 표면당 0.5% 미만 반사 가시광선 파장 전반에 걸쳐, 광대역 코팅은 이 성능을 400-700 nm에서 확장합니다. 중요한 응용 분야의 경우 맞춤형 다층 코팅을 통해 달성할 수 있습니다. 반사율 0.1% 미만 특정 파장에서.

반사 표면의 금속 코팅(알루미늄 또는 은)을 사용하면 임계각 이상으로 사용할 수 있지만 비용이 많이 듭니다. 3-10% 반사 손실 . 보호된 은 코팅은 적절한 가시 성능을 유지하면서 적외선에서 탁월한 반사율을 제공합니다.

프리즘 기술의 미래 발전

재료 과학 및 제조의 발전으로 프리즘 기능과 응용 분야가 확대되고 있습니다.

메타물질 프리즘

연구자들은 자연에서 발견되지 않는 광학 특성을 지닌 인공적으로 구조화된 물질인 메타물질을 사용하여 프리즘을 개발하고 있습니다. 이러한 메타물질 프리즘은 다음을 달성할 수 있습니다. 음의 굴절 또는 초분산 , 초소형 분광 시스템과 새로운 이미징 장치를 가능하게 합니다. 초기 프로토타입 시연 10배 더 큰 분산 계수 일반 유리보다

적응형 프리즘

액정 및 전기 광학 재료는 광학 특성을 동적으로 조정할 수 있는 전기적으로 조정 가능한 프리즘을 가능하게 합니다. 이러한 장치는 빔 조정 및 파장 선택에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 1밀리초 미만의 스위칭 시간 그리고 움직이는 부품이 없습니다.

소형화

반도체 제조 기술을 사용하여 제작된 마이크로 프리즘 어레이는 통합 광소자를 가능하게 합니다. 마이크로미터 단위로 측정되는 이러한 미세한 프리즘은 광학 MEMS 장치 및 스마트폰 카메라의 중요한 구성 요소입니다. 프리즘 어레이는 광학 이미지 안정화를 제공합니다. 직경이 5mm보다 작은 패키지에 들어 있습니다.