Einführung in Licht und Optik -optische Prismen PDF

Preview

Summary

optische Prismen...

Description

Ein Einfü fü führu hru hrung ng in L Lic ic icht ht u und nd Opt Optik ik --op op optisc tisc tische he P Pri ri risme sme smen n-

Prismen sind massive Glasoptiken, die zu geometrischen und optisch signifikanten Formen geschliffen und poliert werden. Der Winkel, die Position und die Anzahl der Flächen dienen zur Definition von Typ und Funktion. Eine der bekanntesten Anwendungen von Prismen, wie von Sir Isaac Newton demonstriert, besteht darin, einen Strahl weißen Lichts in seine Komponentenfarben zu zerstreuen. Diese Anwendung wird von refraktometrischen und spektrographischen Komponenten genutzt. Seit dieser ersten Entdeckung wurden Prismen verwendet, um Licht innerhalb eines Systems zu "biegen", das System in einen kleineren Raum zu "falten", die Orientierung (auch bekannt als Händigkeit oder Parität) eines Bildes zu ändern sowie optische zu kombinieren oder zu teilen Strahlen mit teilreflektierenden Oberflächen. Diese Anwendungen sind in Anwendungen mit Teleskopen, Ferngläsern, Vermessungsgeräten und vielen anderen üblich.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Prismen ist ihre Fähigkeit, als ein System von Planspiegeln modelliert zu werden, um die Reflexion von Licht innerhalb des Prismenmediums zu simulieren. Das Ersetzen von Spiegelanordnungen ist vielleicht die nützlichste Anwendung von Prismen, da sie Licht beugen oder falten und die Bildparität ändern. Oft werden mehrere Spiegel benötigt, um Ergebnisse zu erzielen, die einem einzelnen Prisma ähnlich sind. Daher ersetzt die Substitution eines Prismas anstelle mehrerer Spiegel potentielle Ausrichtungsfehler, erhöht die Genauigkeit und minimiert die Größe und Komplexität eines Systems.

Bevor wir uns mit der Theorie hinter Prismen befassen, betrachten wir deren Herstellungsprozess. Um bei den meisten Anwendungen erfolgreich verwendet zu werden, müssen Prismen mit sehr engen Toleranzen und Genauigkeiten hergestellt werden. Aufgrund der Variabilität in Form, Größe und vor allem der Anzahl der Oberflächen ist ein großtechnischer Prozess zur Prismenherstellung ziemlich undurchführbar. Außerdem neigen die meisten Prismen mit hoher Präzision dazu, in geringen Mengen hergestellt zu werden, was bedeutet, dass ein automatisierter Prozess unnötig wäre.

Zuerst wird ein Glasblock (bekannt als ein "Rohling") einer bestimmten Qualität und eines Glastyps erhalten. Dieser Block wird dann durch ein metalldiamantgebundenes Rad zu einem nahezu fertigen Produkt geschliffen oder erzeugt. Ein Großteil des Glases wird in diesem Stadium schnell entfernt, was zu flachen, aber immer noch groben Oberflächen führt. An diesem Punkt sind die Abmessungen des Prismas sehr nahe an den gewünschten Spezifikationen. Als nächstes wird ein Feinschleifprozess durchgeführt, der die Oberflächenunterbrechungen von der Oberfläche entfernt; Diese Phase wird als Glätten bezeichnet. Kratzer, die von der ersten Stufe übrig sind, werden in der zweiten Stufe entfernt. Nach dem Glätten sollten die Glasoberflächen trüb und opak erscheinen. In beiden ersten Stufen muss die Prismenoberfläche feucht sein, um die Glasentfernung zu beschleunigen und eine Überhitzung des Glases selbst zu verhindern.

Die dritte Stufe beinhaltet das Polieren des Prismas auf die korrekt spezifizierte Oberflächenflachheit. In diesem Stadium wird das Glas gegen einen Polyurethan-Polierer gerieben, der mit "Slurry" benetzt ist, einer optischen Polierverbindung, die typischerweise aus mit Bims oder Ceroxid gemischtem Wasser besteht. Die genaue Dauer der Polierstufe hängt stark von den erforderlichen Oberflächenspezifikationen ab. Nach dem Polieren kann das Anfassen beginnen. In dieser vierten Stufe werden die Kanten des Prismas einer sich drehenden Diamantplatte ausgesetzt, um die scharfen Kanten, die es während der oben erwähnten Schritte erhält, leicht abzustumpfen. Nach dem Anfassen wird das fertige Prisma gereinigt, inspiziert (sowohl manuell als auch automatisch) und gegebenenfalls mit (AR) und / oder metallischen Spiegelbeschichtungen beschichtet, um die Gesamtübertragung und / oder Reflexion weiter zu unterstützen. Obwohl der Prozess viel mehr involviert ist und aufgrund der Anzahl der Oberflächen auf einem Prisma, die Erzeugungs-, Glättungs-, Polier- und Anfasungsstufen, mehr Wiederholungen oder Operationen erfordern kann.

Während der Herstellung eines Prismas ist es notwendig, jede Oberfläche, an der gearbeitet wird, kontinuierlich einzustellen und zu sichern. Das Befestigen eines Prismas erfordert eine von zwei Methoden: Blockieren und Kontaktieren. Das Blockieren erfordert das Anordnen des Prismas in einem Metallwerkzeug mit heißem Wachs. Die Kontaktierung hingegen ist ein optischer Verbindungsprozess, der bei Raumtemperatur durchgeführt wird, wobei zwei saubere Glasoberflächen einfach durch ihre Van-derWaals-Wechselwirkung aneinander befestigt werden. Die Kontaktierung wird verwendet, wenn hohe Präzisionstoleranzen erforderlich sind, da keine zusätzlichen Einstellungen während der Erzeugungs-, Glättungs- oder Polierstufen erforderlich sind, um die Wachsdicke zwischen der Prismenoberfläche und dem Kontaktblock zu berücksichtigen.

Während jeder Phase des Herstellungsprozesses des Prismas, vom Erzeugen bis zum Blockieren und Kontaktieren, ist ein erfahrener Optiker erforderlich, um die bearbeiteten Prismenoberflächen manuell zu prüfen und einzustellen. Infolgedessen ist es sehr arbeitsintensiv und erfordert Erfahrung und Fähigkeit, um abzuschließen. Der gesamte Prozess benötigt oft viel Zeit, Arbeit und Konzentration.

Licht und Reflexion

Das Verständnis, wie ein Prisma funktioniert, ist entscheidend, um zu entscheiden, welcher Prismatyp für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. Um dies zu tun, ist es wichtig, zuerst zu verstehen, wie Licht mit einer optischen Oberfläche interagiert. Diese Wechselwirkung wird von Snells Gesetz der Brechung beschrieben:

n1 sin (θ1) = n2 sin (θ2)

Wo n1 der Index des einfallenden Mediums ist, ist θ1 der Winkel des einfallenden Strahls, n2 ist der Index des gebrochenen / reflektierten Mediums und θ2 ist der Winkel des gebrochenen / reflektierten Strahls. Das Snellsche Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen den Einfallswinkeln und der Transmission, wenn sich ein Strahl zwischen mehreren Medien bewegt.

Snells Gesetz und Total Interne Reflexion

Ein Prisma zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, den Strahlengang zu reflektieren, ohne dass eine spezielle Beschichtung erforderlich ist, wie sie bei der Verwendung eines Spiegels erforderlich ist. Dies wird durch ein Phänomen erreicht, das als Total interne Reflexion (TIR) bekannt ist. TIR tritt auf, wenn der Einfallswinkel (Winkel des einfallenden Strahls gemessen von normal) höher ist als der kritische Winkel θc:

Sin (θc) = n1/n2

Dabei ist n1 der Brechungsindex für das Medium, aus dem der Strahl stammt, und n2 ist der Brechungsindex für das Medium, aus dem der Strahl austritt. Es ist wichtig

anzumerken, dass TIR nur auftritt, wenn sich Licht von einem Medium mit hohem Index zu einem Medium mit niedrigem Index bewegt.

Im kritischen Winkel beträgt der Refraktionswinkel 90 °. Bezugnehmend auf Fig. 3, bemerke, dass TIR nur auftritt, wenn θ den kritischen Winkel überschreitet. Wenn der Winkel unter dem kritischen Winkel liegt, wird die Übertragung zusammen mit der Reflexion stattfinden, wie es durch das Snell'sche Gesetz gegeben ist. Wenn eine Prismenfläche die TIR-Spezifikationen für die gewünschten Winkel nicht erfüllt, muss eine reflektierende Beschichtung verwendet werden. Aus diesem Grund benötigen einige Anwendungen beschichtete Versionen eines Prismas, das ansonsten in einer anderen Anwendung gut unbeschichtet funktionieren würde.

BILD HANDHABEN / PARITÄT

Ein wesentlicher Aspekt der Bildgebung durch ein Prisma ist die Bildhändigkeit (Parität), die ansonsten als Orientierung des Bildes bezeichnet wird. Dies wird jedes Mal eingeführt, wenn der Strahlengang auf einen ebenen Spiegel trifft, irgendeine flache reflektierende Oberfläche oder eine Prismenoberfläche in einem Winkel, der TIR erzeugt. Es gibt zwei Arten von Händigkeit: rechts und links. Rechtshändigkeit beschreibt den Fall, in dem ein Bild eine gerade Anzahl von Reflexionen erfährt, was dazu führt, dass es klar gelesen werden kann (unter der Annahme, dass das Bild Text ist) in mindestens einer Position. Linkshändigkeit beschreibt den Fall, in dem das Bild eine ungerade Anzahl von Reflexionen erfährt, was zu einer Unregelmäßigkeit in der Position des Bildes führt, die vergleichbar ist mit dem, was man in einem Spiegel sieht.

Zusätzlich zur Parität gibt es drei Arten von Bildänderungen (Abbildung 6). Eine Umkehrung ist ein Bildumdrehen um eine horizontale Achse, während eine Umkehrung ein Bildumdrehen um eine vertikale Achse ist. Wenn beide gleichzeitig ausgeführt werden, tritt eine Bilddrehung von 180 ° auf und es gibt keine Änderung der Parität. Eine andere Möglichkeit, Parität zu denken, besteht darin, sie so zu definieren, dass sie durch einen Blick zurück in die Ausbreitungsrichtung entweder auf das Objekt oder das Bild in seinem optischen Raum bestimmt wird.

Berücksichtigen Sie bei Verwendung eines Prismas die folgenden vier Punkte:

• Die Bildhändigkeit ändert sich jedes Mal, wenn ein Bild reflektiert wird.

• Jeder Punkt entlang der Ebene der reflektierenden Oberfläche ist äquidistant von dem Objekt und seinem Bild. • Snells Gesetz kann auf alle Oberflächen angewendet werden. • Beim Testen auf Bildhändigkeit / Parität ist es am besten, einen nicht symmetrischen Buchstaben wie R, F oder Q zu verwenden. Vermeiden Sie die Verwendung von Buchstaben wie X, O, A usw.

Arten von Prismen

Es gibt vier Haupttypen von Prismen: Dispersionsprismen, Abweichungs- oder Reflexionsprismen, Rotationsprismen und Verschiebungsprismen. Abweichungs-, Verschiebungs- und Rotationsprismen sind in Bildgebungsanwendungen üblich; Dispersionsprismen sind ausschließlich zum Streuen von Licht vorgesehen und daher nicht für Anwendungen geeignet, die hochwertige Bilder erfordern.

Dispersionsprismen

Die Prismendispersion hängt von der Geometrie des Prismas und seiner Indexdispersionskurve ab, basierend auf der Wellenlänge und dem Brechungsindex des Prismaes. Der Winkel der minimalen Abweichung bestimmt den kleinsten Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und den durchgelassenen Strahlen. Die grüne Wellenlänge des Lichts ist mehr als rot und blau mehr als rot und grün.

Dispersion durch ein Prisma

Deviation, Rotation Prismen Prismen, die den Strahlengang umlenken, das Bild drehen oder das Bild einfach von seiner ursprünglichen Achse verschieben, sind in vielen Bildgebungssystemen hilfreich. Strahlabweichungen werden üblicherweise in Winkeln von 45 °, 60 °, 90 ° und 180 ° vorgenommen. Dies hilft, die Systemgröße zu verdichten oder den Strahlengang einzustellen, ohne den Rest des System-Setups zu beeinflussen. Rotationsprismen, wie zum Beispiel Taubenprismen, werden verwendet, um ein Bild zu drehen, nachdem es invertiert wurde. Verdrängungsprismen behalten die Richtung des Strahlengangs bei und passen ihre Beziehung zur Normalen an....