光学プリズムのしくみ、種類、選び方ガイド

屈折と偏差の幾何学

ガラスの屈折率が空気の屈折率を上回るため、プリズムに入射する光は速度と方向を変えます。関係は次のとおりです n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ ここで、θは表面法線から測定されます。頂角 A のプリズムを横切る光線は、入射角と出射角を i1 および i2 として、総偏差 δ = i₁ i₂ – A を経験します。最小偏差条件では、光線は対称に通過し、屈折率は n = sin[(A δₘ)/2] / sin(A/2) から直接計算できます。この特性により、材料の分散を正確に測定できます。

材料の選択により、偏差の量と波長の広がりの両方が決まります。一般的なホウケイ酸クラウンガラス（N-BK7相当）は、 n _d = 1.5168（587.6 nm、アッベ数 V） _d = 64.17 、中程度の分散を示します。紫外線用途の場合は、UV グレードの溶融シリカ (n _d = 1.4585、V _d = 67.8) は、350 nm 未満での透過率が高く、熱膨張が低くなります。 2 つの材料間の屈折率の違いにより、同じ頂角での偏差が数度変化します。これは、システムを設計する際の重要な要素です。

プリズムの種類とその機能

各ジオメトリは、屈折または反射のいずれかを利用して、再現可能な角度変化を実現します。上の表は、定義される頂角と主な光学的役割を強調しています。等辺プリズムは分散のために最適化されていますが、直角プリズムはコリメート光で使用するとコーティングなしで全反射を利用してビームを 90°折り曲げます。

分散とスペクトル分解能

白色光がプリズムを通過するとき、波長が増加するにつれて屈折率が減少するため、各波長はわずかに異なる角度で屈折します。典型的な場合 N-BK7製60°正プリズム、400nmから700nmまでの角度広がりは約0.5°に達します 。波長による偏差の変化率、角分散 dδ/dλ は次のようになります。 500nmで0.08°/nm 同じグラスでも。この分離力は、線形検出器アレイが可動部品なしで分散スペクトルを捕捉する多くの小型分光計にとって十分です。

スペクトル分解能は、プリズムの基線長と材料の分散曲線に依存します。ガラスを通る光路が長くなると、波長間の物理的な分離が増加します。たとえば、底面が 30 mm のプリズムは、狭い入口スリットと組み合わせると、通常、ナトリウム D 線 (589.0 nm および 589.6 nm) を分解できます。この原理は、吸光度および蛍光測定システムで使用されるプリズムモノクロメーターの根幹となっています。

全内部反射とイメージ制御

反射プリズムは全内部反射 (TIR) を利用して、金属コーティングなしで光の方向を変えます。ガラス内部の光が臨界角を超える角度で表面に当たると、 100%反射が発生する 。 N-BK7の場合、臨界角はわずかです。 約41.2° ガラスと空気のインターフェース用。直角プリズムは、一方の脚に垂直な平行光を受け取り、それを斜辺で 45 度反射し、正確に 90 度折り曲げてもう一方の脚に送り出します。 45°の入射は臨界角を超えるため、反射コーティングは必要なく、高いスループットを維持し、金属の吸収を排除します。

より特殊なプリズムが画像の向きを管理します。ペンタ プリズムは、小さな位置合わせ誤差に関係なく、一定の 90 度の偏向を実現し、像を反転したり反転させたりしません。これは、2 つの内部反射 (そのうち 1 つはコーティングする必要があります) によって実現されます。ダブ プリズムは、プリズム自体の回転角度の 2 倍で画像を回転させるため、レーザー ビームのスキャンや画像の回転解除に役立ちます。コーナーキューブ再帰反射器は、入射経路に沿って光を正確に返します。この特性は、月面レーザー測距や産業用アライメントで活用されており、戻り精度は多くの場合、 5 秒角 厳しい公差で製造された場合。

プリズムの指定: 材質、サイズ、公差

実際の光学セットアップに適切なプリズムを選択するには、アプリケーションのニーズを測定可能なパラメーターに変換する必要があります。次のリストは、一般的な図面またはデータシートに記載される重要な仕様をまとめたものです。

• 材質 : 透過窓を波長に合わせます。 BK7 は 350 nm から 2 μm で動作します。 UV 溶融シリカは 185 nm まで拡張します。 ZnSe は 0.6 ～ 16 μm の赤外線システムに適しています。
• 表面平坦度 : 633 nm での λ/4 がイメージングの標準です。波面の品質を維持するために干渉計で使用するには、λ/10 以上が必要です。
• 表面品質 (スクラッチ-ディグ) : 60 ～ 40 は多くの照明システムで許容されます。 40-20 または 20-10 は、レーザー経路内の散乱を軽減します。
• アンgle Tolerance : ±3 分角は汎用値です。高精度のペンタ プリズムでは、多くの場合、一貫した 90° の偏差を保証するために ±30 秒角が必要です。
• クリアアパーチャ : エッジの欠陥や取り付けによる歪みを避けるために、プリズムの面寸法の少なくとも 80% が通常指定されます。
• コーティング : MgF₂ などの広帯域反射防止コーティングにより、透過率を向上させることができます。 表面あたり 99% 以上 ;反射面には、可視領域で 96% 以上の反射率を実現する保護された銀が使用される場合があります。

取り付けと調整のベストプラクティス

プリズムに応力がかかったり、位置がずれたりすると、プリズムの光学性能が急速に低下する可能性があります。実際の取り扱いガイドラインは、図面に指定されているビーム品質を維持するのに役立ちます。

1. 研磨面ではなく、研削エッジに対して穏やかなスプリング圧力を加えるキネマティックまたはセミキネマティック マウントを使用してください。これにより、偏光を歪める応力複屈折が防止されます。
2. プリズムをオートコリメータまたはシャープレート干渉計と位置合わせして、出射ビーム角度が許容範囲内で設計値と一致していることを確認します。
3. 糸くずの出ないティッシュと試薬グレードのイソプロパノールで表面を拭きます。光を散乱させる傷が発生する可能性があるため、空拭きは避けてください。
4. 特にマルチプリズムチェーンにおいて、黒色陽極酸化バッフルで意図しない TIR とゴースト反射をブロックします。

画像回転用のダブプリズムのように、システムがプリズムの回転を必要とする場合、マウントはプリズムを回転軸の中心に正確に配置する必要があります。均一なラジアル振れ 0.1mm ビームウォークオフが発生し、検出器上の画像がシフトし、測定の再現性が損なわれる可能性があります。

一般的な問題のトラブルシューティング

適切に仕様化されたプリズムであっても、予期しないアーティファクトが発生する可能性があります。コーティングされていない表面からのゴースト反射は、かすかにずれたスポットとして現れることがよくあります。適切な AR コーティングを適用すると、強度が 2 桁減少します。プリズムの角度許容差を超える明らかなビーム偏差は、プリズム自体ではなく、くさび形の取り付けアダプターに起因することが多く、ダイヤル インジケーターでマウントをチェックすることで、通常、発生源が特定されます。高出力レーザー システムでは、バルク吸収により熱レンズが発生する可能性があります。溶融シリカ プリズムは BK7 よりもはるかに低い熱ドリフトを示し、熱屈折率は約 10倍小さい 、負荷が変化してもビーム指向の安定性が維持されます。

適切なプリズムを選択するには、プリズムの形状と材質を理解する必要があります。慎重な仕様と取り付けにより、プリズムは手持ち分光器から衛星レーザー測距ステーションに至るまで、さまざまな機器において信頼性の高いアライメント不要のビーム操作を実現します。