Lăng kính quang học: Cách thức hoạt động, loại và hướng dẫn lựa chọn

Khúc xạ và hình học của độ lệch

Ánh sáng đi vào lăng kính làm thay đổi tốc độ và hướng vì chiết suất của thủy tinh lớn hơn chiết suất của không khí. Mối quan hệ theo sau n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂ , trong đó θ được đo từ bề mặt bình thường. Một tia truyền qua lăng kính có góc đỉnh A có độ lệch toàn phần δ = i₁ i₂ – A, với i₁ và i₂ là góc tới và góc thoát. Ở điều kiện độ lệch tối thiểu, tia truyền qua đối xứng và chiết suất có thể được tính trực tiếp từ n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2). Đặc tính này cho phép đo chính xác độ phân tán của vật liệu.

Sự lựa chọn vật liệu chi phối cả mức độ lệch và độ trải rộng bước sóng. Vương miện bằng thủy tinh borosilicate thông thường (tương đương N-BK7) có n _d = 1,5168 ở bước sóng 587,6 nm và số Abbe V _d = 64,17 , cho thấy sự phân tán vừa phải. Đối với các ứng dụng tia cực tím, silica nung chảy cấp UV (n _d = 1,4585, V _d = 67,8) mang lại khả năng truyền cao hơn ở bước sóng dưới 350 nm và độ giãn nở nhiệt thấp hơn. Sự khác biệt về chiết suất giữa hai vật liệu làm thay đổi độ lệch vài độ ở cùng một góc đỉnh, một yếu tố quan trọng khi thiết kế một hệ thống.

Các loại lăng kính và chức năng của chúng

Mỗi hình học khai thác sự khúc xạ hoặc phản xạ để đạt được sự thay đổi góc lặp lại. Bảng trên nêu bật góc đỉnh xác định và công việc quang học chính. Trong khi lăng kính đều được tối ưu hóa cho sự tán sắc thì lăng kính góc vuông tận dụng sự phản xạ nội toàn phần để gấp chùm tia đi 90° mà không cần lớp phủ khi sử dụng với ánh sáng chuẩn trực.

Phân tán và độ phân giải quang phổ

Khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính, mỗi bước sóng sẽ khúc xạ ở một góc hơi khác nhau vì chiết suất giảm khi bước sóng tăng. Đối với một điển hình Lăng kính đều 60° làm bằng N-BK7, góc mở rộng từ 400 nm đến 700 nm đạt khoảng 0,5° . Tốc độ thay đổi độ lệch theo bước sóng, độ phân tán góc dδ/dλ, xấp xỉ 0,08°/nm ở 500 nm cho cùng một ly. Công suất tách này đủ cho nhiều máy quang phổ nhỏ gọn, trong đó dãy máy dò tuyến tính thu được phổ phân tán mà không cần các bộ phận chuyển động.

Độ phân giải quang phổ phụ thuộc vào chiều dài đáy lăng kính và đường cong tán sắc của vật liệu. Đường quang dài hơn xuyên qua kính làm tăng sự tách biệt vật lý giữa các bước sóng. Ví dụ, một lăng kính có đáy 30 mm thường có thể phân giải các vạch natri D (589,0 nm và 589,6 nm) khi kết hợp với một khe vào hẹp. Nguyên lý này vẫn là xương sống của máy đơn sắc lăng kính được sử dụng trong các hệ thống đo độ hấp thụ và huỳnh quang.

Phản xạ nội toàn phần và kiểm soát hình ảnh

Lăng kính phản xạ khai thác phản xạ nội toàn phần (TIR) để chuyển hướng ánh sáng mà không cần lớp phủ kim loại. Khi ánh sáng bên trong thủy tinh chiếu vào một bề mặt ở một góc lớn hơn góc tới hạn, xảy ra phản xạ 100% . Đối với N-BK7, góc tới hạn chỉ khoảng 41,2° cho bề mặt tiếp xúc thủy tinh-không khí. Một lăng kính góc vuông nhận ánh sáng chuẩn trực vuông góc với một chân, phản xạ nó ở góc 45° tại cạnh huyền và gửi nó ra chân kia với góc gấp 90° chính xác. Do góc tới 45° vượt quá góc tới hạn nên không cần lớp phủ phản chiếu, duy trì năng suất cao và loại bỏ sự hấp thụ kim loại.

Lăng kính chuyên dụng hơn quản lý hướng hình ảnh. Lăng kính penta mang lại độ lệch 90° không đổi bất kể lỗi căn chỉnh nhỏ và không đảo ngược hoặc đảo ngược hình ảnh—hai phản xạ bên trong, một trong số đó phải được phủ, đạt được điều này. Lăng kính Dove quay hình ảnh gấp đôi góc quay của lăng kính, khiến nó trở nên hữu ích trong việc quét chùm tia laze và điều chỉnh hình ảnh. Vật phản xạ ngược dạng khối góc trả lại ánh sáng chính xác dọc theo đường tới, một đặc tính được khai thác trong đo tia laser mặt trăng và căn chỉnh công nghiệp, với độ chính xác phản xạ thường tốt hơn 5 cung giây khi được chế tạo với dung sai chặt chẽ.

Chỉ định lăng kính: Vật liệu, kích thước và dung sai

Việc chọn lăng kính phù hợp cho thiết lập quang học thực tế đòi hỏi phải chuyển nhu cầu của ứng dụng thành các thông số có thể đo lường được. Danh sách sau đây ghi lại các thông số kỹ thuật quan trọng xuất hiện trên bản vẽ hoặc biểu dữ liệu điển hình.

• Chất liệu : Khớp cửa sổ truyền với bước sóng của bạn. BK7 hoạt động từ 350 nm đến 2 μm; Silica nung chảy bằng tia cực tím kéo dài xuống tới 185 nm; ZnSe phù hợp với hệ thống hồng ngoại 0,6–16 μm.
• Độ phẳng bề mặt : λ/4 ở bước sóng 633 nm là tiêu chuẩn cho hình ảnh; Cần có λ/10 hoặc cao hơn để sử dụng giao thoa kế nhằm duy trì chất lượng mặt sóng.
• Chất lượng bề mặt (Scratch-Dig) : 60-40 là chấp nhận được đối với nhiều hệ thống chiếu sáng; 40-20 hoặc 20-10 làm giảm sự phân tán trong đường đi của tia laser.
• Mộtgle Tolerance : ±3 phút cung là giá trị thông dụng; lăng kính penta chính xác thường yêu cầu ±30 giây cung để đảm bảo độ lệch 90° nhất quán.
• Khẩu độ rõ ràng : Thông thường, ít nhất 80% kích thước mặt của lăng kính được chỉ định để tránh các khuyết tật ở cạnh và biến dạng do lắp đặt gây ra.
• Lớp phủ : Lớp phủ chống phản xạ băng thông rộng như MgF₂ có thể tăng cường truyền dẫn tới trên 99% trên mỗi bề mặt ; các mặt phản chiếu có thể sử dụng bạc được bảo vệ để có độ phản xạ >96% trong vùng nhìn thấy được.

Thực hành tốt nhất về lắp đặt và căn chỉnh

Hiệu suất quang học của lăng kính có thể suy giảm nhanh chóng nếu nó bị căng thẳng hoặc bị lệch trục. Hướng dẫn xử lý thực tế giúp duy trì chất lượng chùm tia được chỉ định trên bản vẽ.

1. Sử dụng các giá đỡ động học hoặc bán động học để tạo áp lực lò xo nhẹ nhàng lên các cạnh nền chứ không phải các bề mặt được đánh bóng. Điều này ngăn ngừa hiện tượng lưỡng chiết ứng suất có thể làm biến dạng sự phân cực.
2. Căn chỉnh lăng kính bằng máy chuẩn trực tự động hoặc giao thoa kế tấm cắt để xác minh góc chùm tia thoát ra khớp với giá trị thiết kế trong phạm vi dung sai.
3. Làm sạch bề mặt bằng khăn giấy không có xơ và isopropanol loại thuốc thử; tránh lau khô, có thể tạo ra vết xước làm tán xạ ánh sáng.
4. Chặn các phản xạ TIR và bóng ma ngoài ý muốn bằng các vách ngăn được anot hóa màu đen, đặc biệt là trong các chuỗi nhiều lăng kính.

Khi một hệ thống yêu cầu xoay lăng kính, chẳng hạn như với lăng kính Dove để xoay hình ảnh, ngàm phải đặt lăng kính chính xác vào trục quay. Một dòng chảy xuyên tâm thậm chí 0,1mm có thể gây ra hiện tượng lệch chùm tia làm dịch chuyển hình ảnh trên máy dò, làm giảm khả năng lặp lại phép đo.

Khắc phục sự cố thường gặp

Ngay cả một lăng kính được xác định rõ ràng cũng có thể tạo ra những hiện vật không mong muốn. Phản xạ bóng ma từ các bề mặt không được phủ thường xuất hiện dưới dạng các điểm dịch chuyển mờ nhạt; áp dụng một lớp phủ AR tốt sẽ làm giảm cường độ của chúng xuống hai bậc độ lớn. Độ lệch chùm sáng rõ ràng vượt quá dung sai góc của lăng kính thường xuất phát từ bộ chuyển đổi giá đỡ hình nêm chứ không phải do chính lăng kính—kiểm tra giá treo bằng chỉ báo quay số thường xác định được nguồn. Trong các hệ thống laser công suất cao, sự hấp thụ khối có thể tạo ra thấu kính nhiệt: lăng kính silica nung chảy cho thấy độ trôi nhiệt thấp hơn nhiều so với BK7, với hệ số khúc xạ nhiệt khoảng nhỏ hơn mười lần , duy trì sự ổn định hướng chùm tia dưới tải trọng khác nhau.

Việc chọn lăng kính phù hợp phụ thuộc vào việc hiểu hình học và vật liệu của nó. Với thông số kỹ thuật và cách lắp đặt cẩn thận, lăng kính mang lại thao tác chùm tia không cần căn chỉnh, đáng tin cậy trong các thiết bị khác nhau, từ máy quang phổ cầm tay đến trạm đo khoảng cách laser vệ tinh.