Lăng kính quang học là gì? Các loại, chức năng và ứng dụng

Hiểu lăng kính quang học

Một lăng kính quang học là một phần tử quang học trong suốt với bề mặt phẳng, được đánh bóng khúc xạ ánh sáng. Nguyên tắc cơ bản đằng sau lăng kính là nó có thể bẻ cong, phản xạ hoặc phân tách ánh sáng dựa trên hình dạng và tính chất khúc xạ của vật liệu. . Không giống như thấu kính sử dụng bề mặt cong, lăng kính sử dụng bề mặt phẳng được định vị ở các góc cụ thể để điều khiển đường đi của ánh sáng.

Hầu hết các lăng kính quang học đều được làm từ thủy tinh hoặc nhựa trong suốt có chiết suất chính xác. Dạng dễ nhận biết nhất là lăng kính tam giác, lăng kính phân tán ánh sáng trắng thành các màu phổ cấu thành của nó—một hiện tượng được Isaac Newton nghiên cứu một cách có hệ thống lần đầu tiên vào năm 1666. Tuy nhiên, lăng kính phục vụ nhiều mục đích hơn là tạo ra cầu vồng; chúng là thành phần thiết yếu trong nhiều hệ thống quang học, từ kính tiềm vọng đơn giản đến máy quang phổ tiên tiến.

Đặc điểm chính giúp phân biệt lăng kính với các thành phần quang học khác là khả năng thay đổi hướng ánh sáng mà không nhất thiết phải hội tụ nó. , khiến chúng trở nên vô giá trong việc điều khiển chùm tia, hiệu chỉnh hướng hình ảnh và các ứng dụng tách bước sóng.

Lăng kính quang học hoạt động như thế nào

Hoạt động của lăng kính quang học bị chi phối bởi hai nguyên lý quang học cơ bản: khúc xạ và phản xạ nội toàn phần.

Khúc xạ trong lăng kính

Khi ánh sáng đi vào lăng kính một góc, nó sẽ bị uốn cong theo định luật Snell. Mức độ uốn cong phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng và chiết suất của vật liệu lăng kính . Đối với kính quang học tiêu chuẩn (kính vương miện), chiết suất xấp xỉ 1,52, nghĩa là ánh sáng truyền trong kính chậm hơn 1,52 lần so với trong không khí.

Sự khúc xạ phụ thuộc vào bước sóng này giải thích tại sao lăng kính có thể tách ánh sáng trắng thành các màu – ánh sáng xanh bị bẻ cong mạnh hơn ánh sáng đỏ vì nó có bước sóng ngắn hơn. Trong một lăng kính tán sắc điển hình có góc đỉnh 60 độ , khoảng cách góc giữa ánh sáng đỏ và tím xấp xỉ 3 độ .

Phản xạ nội toàn phần

Nhiều lăng kính khai thác sự phản xạ nội toàn phần hơn là khúc xạ. Khi ánh sáng truyền qua môi trường đậm đặc hơn (như thủy tinh) chạm vào ranh giới của môi trường kém đậm đặc hơn (như không khí) ở một góc lớn hơn góc tới hạn, 100% ánh sáng phản xạ trở lại môi trường đậm đặc hơn . Đối với kính vương miện, góc tới hạn này xấp xỉ 41,8 độ .

Hiện tượng này cho phép lăng kính hoạt động như những tấm gương hiệu quả cao mà không cần lớp phủ kim loại, khiến chúng vượt trội hơn so với gương thông thường trong nhiều ứng dụng vì không mất đi ánh sáng do hấp thụ.

Các loại lăng kính quang học phổ biến

Lăng kính quang học được phân loại dựa trên hình học và chức năng chính của chúng. Mỗi loại phục vụ các ứng dụng cụ thể trong hệ thống quang học.

Lăng kính phân tán

Lăng kính tam giác cổ điển chủ yếu phân tán ánh sáng. Những lăng kính này được đặc trưng bởi góc đỉnh của chúng (thường nằm giữa 30 và 60 độ ) và là nền tảng cho phân tích quang phổ. Máy quang phổ hiện đại có thể sử dụng tán sắc lăng kính để xác định vật liệu bằng dấu hiệu quang phổ của chúng với độ phân giải bước sóng xuống tới 0,1 nanomet .

Lăng kính phản xạ

Lăng kính phản xạ chuyển hướng ánh sáng mà không có sự phân tán đáng kể. Hệ thống lăng kính Porro, được phát minh bởi Ignazio Porro vào năm 1854, vẫn là tiêu chuẩn trong nhiều ống nhòm. Một cặp lăng kính Porro có thể tạo ra một ảnh ngược chiều đồng thời làm tăng độ dài đường quang , cho phép thiết kế dụng cụ nhỏ gọn với độ phóng đại hiệu quả.

Lăng kính phân cực

Các lăng kính chuyên dụng như lăng kính Nicol hoặc lăng kính Glan-Thompson tách ánh sáng thành các trạng thái phân cực trực giao. Các thiết bị này đạt được tỷ lệ tuyệt chủng vượt quá 100.000:1 , khiến chúng trở nên cần thiết cho các ứng dụng nghiên cứu phân cực và quang học.

Ứng dụng thực tế của lăng kính quang học

Lăng kính quang học có mặt khắp nơi trong công nghệ hiện đại, thường hoạt động vô hình trong các thiết bị chúng ta sử dụng hàng ngày.

Nhiếp ảnh và hình ảnh

Máy ảnh phản xạ ống kính đơn (SLR) dựa vào lăng kính năm mặt để cung cấp cho các nhiếp ảnh gia chế độ xem thẳng đứng, được định hướng chính xác qua khung ngắm. Một lăng kính năm mặt phản chiếu ánh sáng năm lần bên trong , chỉnh sửa hình ảnh bị đảo ngược và đảo ngược do ống kính máy ảnh tạo ra mà không cần thêm bộ phận quang học.

Máy chiếu kỹ thuật số sử dụng cụm lăng kính để kết hợp hình ảnh từ các màn hình LCD hoặc chip DLP màu đỏ, xanh lục và xanh lam riêng biệt. Hệ lăng kính lưỡng sắc trong Máy chiếu ba chip có thể đạt được độ chính xác màu trong vòng 2% tiêu chuẩn chuyên nghiệp .

Dụng cụ khoa học

Máy quang phổ sử dụng lăng kính để phân tích thành phần vật liệu. Ví dụ, máy quang phổ thiên văn sử dụng lăng kính tán sắc để xác định thành phần hóa học của các ngôi sao ở xa. Các thiết bị quang phổ của Kính viễn vọng Không gian Hubble có thể phát hiện hàm lượng hóa chất bằng độ chính xác tốt hơn 5% trong bầu khí quyển của sao.

Trong các phòng thí nghiệm hóa học, khúc xạ kế Abbe sử dụng lăng kính để đo chiết suất của chất lỏng bằng độ chính xác đến bốn chữ số thập phân , cho phép xác định chính xác các chất và đo nồng độ.

Công nghệ Viễn thông và Laser

Hệ thống cáp quang sử dụng lăng kính để ghép kênh phân chia bước sóng, trong đó nhiều luồng dữ liệu ở các bước sóng khác nhau truyền qua một sợi quang. Các hệ thống DWDM hiện đại có thể ghép kênh trên 80 kênh riêng biệt , mỗi cái mang 100 Gbps, sử dụng phương pháp phân tách bước sóng dựa trên lăng kính.

Hệ thống điều khiển chùm tia laser sử dụng các lăng kính quay hoặc cặp lăng kính để điều khiển chính xác hướng chùm tia mà không cần di chuyển nguồn laser, đạt được độ chính xác định vị trong microradians .

Quang học tiêu dùng

Ống nhòm kết hợp lăng kính Porro hoặc mái nhà để tạo ra thiết kế nhỏ gọn, tiện dụng đồng thời cung cấp hình ảnh phóng đại, định hướng chính xác. Ống nhòm chất lượng cao sử dụng lớp phủ điều chỉnh pha trên lăng kính mái để đạt được độ truyền ánh sáng trên 90% , cạnh tranh với độ sáng của xem trực tiếp.

Vật liệu và sản xuất

Hiệu suất của lăng kính quang học phụ thuộc rất nhiều vào tính chất vật liệu và độ chính xác chế tạo của nó.

Vật liệu lăng kính thông thường

• Kính BK7: Kính quang học phổ biến nhất có chiết suất 1,517, được sử dụng trong lăng kính đa năng cho bước sóng từ 380-2100 nm
• Silica hợp nhất: Cung cấp khả năng truyền đặc biệt trong phạm vi tia cực tím và độ giãn nở nhiệt thấp, rất quan trọng đối với các ứng dụng laser công suất cao
• Kính SF11: Chỉ số khúc xạ cao (1.785) mang lại độ phân tán lớn hơn, lý tưởng cho các hệ thống quang phổ nhỏ gọn
• Canxi Fluoride: Truyền các bước sóng hồng ngoại và tử ngoại, cần thiết cho quang phổ chuyên dụng với khả năng truyền từ 180 nm đến 8000 nm

Sản xuất chính xác

Lăng kính chính xác đòi hỏi dung sai chế tạo đặc biệt. Độ phẳng bề mặt thường phải lớn hơn λ/4 (một phần tư bước sóng ánh sáng) , có nghĩa là độ lệch nhỏ hơn 150 nanomet đối với ánh sáng khả kiến. Các yêu cầu về độ chính xác của góc đều nghiêm ngặt như nhau, thường được chỉ định trong phạm vi cung giây (1/3600 độ) .

Lớp phủ quang học nâng cao hiệu suất lăng kính một cách đáng kể. Lớp phủ chống phản chiếu có thể làm giảm tổn thất phản xạ bề mặt từ 4% xuống còn ít hơn 0,25% trên mỗi bề mặt . Lớp phủ kim loại hoặc điện môi trên bề mặt phản xạ cải thiện hiệu quả và cho phép phản xạ chọn lọc bước sóng.

Ưu điểm và hạn chế

Để hiểu khi nào nên sử dụng lăng kính so với các thành phần quang học thay thế đòi hỏi phải biết điểm mạnh và điểm yếu của chúng.

Ưu điểm chính

• Không có tổn thất hấp thụ: Lăng kính phản xạ toàn phần đạt hiệu suất phản xạ gần như 100%, vượt trội so với gương kim loại thường phản xạ 90-95%
• Tách bước sóng: Lăng kính cung cấp sự phân tán bước sóng liên tục, không giống như các cách tử nhiễu xạ tạo ra nhiều bậc
• Độ bền: Bề mặt phản chiếu bên trong được bảo vệ khỏi ô nhiễm môi trường và hư hỏng cơ học
• Kiểm soát phân cực: Một số loại lăng kính có thể tách hoặc phân tích các trạng thái phân cực với độ tinh khiết đặc biệt

Hạn chế thực tế

• Kích thước và trọng lượng: Lăng kính thủy tinh nặng hơn đáng kể so với các hệ thống gương tương đương, hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng
• Chi phí: Lăng kính chính xác với lớp phủ chất lượng cao có thể đắt gấp 10-50 lần so với gương đơn giản
• Hiệu ứng màu sắc: Lăng kính tán sắc tách các bước sóng, điều không mong muốn trong các ứng dụng hình ảnh đòi hỏi hiệu suất sắc nét
• Độ nhạy nhiệt độ: Sự thay đổi chỉ số khúc xạ theo nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất lăng kính trong môi trường khắc nghiệt, với mức biến thiên điển hình là 1-5 phần triệu mỗi độ C

Chọn lăng kính phù hợp

Việc chọn một lăng kính thích hợp cho một ứng dụng cụ thể liên quan đến việc xem xét nhiều yếu tố một cách có hệ thống.

Tiêu chí lựa chọn quan trọng

1. Phạm vi bước sóng: Kết hợp vật liệu lăng kính với bước sóng hoạt động; Các ứng dụng UV yêu cầu silica nung chảy, trong khi IR có thể cần các vật liệu chuyên dụng như kẽm selenide
2. Yêu cầu về độ lệch chùm tia: Xác định góc lệch cần thiết (45°, 90°, 180°) và liệu hướng hình ảnh có được giữ nguyên hay không
3. Nhu cầu phân tán: Quyết định xem việc tách bước sóng là mong muốn hay có vấn đề đối với ứng dụng
4. Hạn chế về kích thước: Xem xét các giới hạn về không gian vật lý và hạn chế về trọng lượng
5. Xử lý điện năng: Các ứng dụng laser công suất cao yêu cầu vật liệu có ngưỡng sát thương cao, điển hình là lớn hơn 10 J/cm2 cho silica nung chảy

Cân nhắc về lớp phủ

Việc lựa chọn lớp phủ quang học ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của lăng kính. Lớp phủ chống phản chiếu tiêu chuẩn cung cấp phản xạ dưới 0,5% trên mỗi bề mặt trên các bước sóng khả kiến, trong khi lớp phủ băng thông rộng mở rộng hiệu suất này từ 400-700 nm. Đối với các ứng dụng quan trọng, lớp phủ nhiều lớp tùy chỉnh có thể đạt được độ phản xạ dưới 0,1% ở bước sóng cụ thể.

Lớp phủ kim loại (nhôm hoặc bạc) trên bề mặt phản chiếu cho phép sử dụng ngoài góc tới hạn, mặc dù với chi phí Mất phản xạ 3-10% . Lớp phủ bạc được bảo vệ mang lại khả năng phản xạ vượt trội trong vùng hồng ngoại trong khi vẫn duy trì hiệu suất nhìn thấy đầy đủ.

Sự phát triển trong tương lai của công nghệ lăng kính

Những tiến bộ trong khoa học vật liệu và sản xuất đang mở rộng khả năng và ứng dụng của lăng kính.

Lăng kính siêu vật liệu

Các nhà nghiên cứu đang phát triển lăng kính sử dụng siêu vật liệu—vật liệu có cấu trúc nhân tạo với các đặc tính quang học không có trong tự nhiên. Những lăng kính siêu vật liệu này có thể đạt được khúc xạ âm hoặc siêu tán sắc , cho phép các hệ thống quang phổ siêu nhỏ gọn và các thiết bị hình ảnh mới. Nguyên mẫu ban đầu chứng minh hệ số phân tán lớn hơn 10 lần hơn so với kính thông thường.

Lăng kính thích ứng

Vật liệu tinh thể lỏng và quang điện cho phép lăng kính điều chỉnh bằng điện có thể điều chỉnh linh hoạt các đặc tính quang học của chúng. Những thiết bị này có thể cách mạng hóa việc điều khiển chùm tia và lựa chọn bước sóng, với thời gian chuyển đổi dưới 1 mili giây và không có bộ phận chuyển động.

Thu nhỏ

Mảng vi lăng kính được chế tạo bằng kỹ thuật sản xuất chất bán dẫn đang tạo điều kiện cho các thiết bị quang tử tích hợp. Những lăng kính cực nhỏ này, với kích thước được đo bằng micromet, là thành phần quan trọng trong các thiết bị MEMS quang học và máy ảnh điện thoại thông minh, trong đó Mảng lăng kính cung cấp khả năng ổn định hình ảnh quang học trong các gói có chiều ngang nhỏ hơn 5mm.