光学プリズムとは何ですか?種類・機能・用途

光学プリズムを理解する

アン 光学プリズム 光を屈折させる、平らで磨かれた表面を持つ透明な光学素子です。 プリズムの背後にある基本原理は、プリズムの形状と材料の屈折特性に基づいて光を曲げ、反射、または分割できることです。 。曲面を使用するレンズとは異なり、プリズムは特定の角度で配置された平面を利用して光路を操作します。

ほとんどの光学プリズムは、正確な屈折率を備えたガラスまたは透明なプラスチックで作られています。最もよく知られる形態は三角プリズムで、白色光をその構成スペクトルの色に分散させます。この現象は、1666 年にアイザック ニュートンによって初めて系統的に研究されました。しかし、プリズムは虹を作り出すことよりもはるかに多くの目的を果たします。これらは、単純な潜望鏡から高度な分光計に至るまで、数多くの光学システムに不可欠なコンポーネントです。

プリズムを他の光学素子と区別する主な特徴は、必ずしも焦点を合わせることなく光の方向を変えることができることです。 そのため、ビームステアリング、画像方向補正、波長分離アプリケーションにとって非常に価値があります。

光学プリズムの仕組み

光学プリズムの動作は、屈折と内部全反射という 2 つの基本的な光学原理によって決まります。

プリズムの屈折

光がプリズムに斜めに入射すると、スネルの法則に従って光は曲がります。 曲がり具合は光の波長とプリズムの材質の屈折率によって決まります。 。標準的な光学ガラス (クラウン ガラス) の屈折率は約 1.52 です。これは、光が空気中よりもガラス中では 1.52 倍遅く伝わることを意味します。

この波長依存の屈折は、プリズムが白色光を色に分離できる理由を説明します。青色の光は赤色の光よりも波長が短いため、より鋭く曲がります。一般的な分散プリズムでは、 頂角60度 、赤と紫の光の間の角度分離はおよそ 3度 .

全内部反射

多くのプリズムは、屈折ではなく全反射を利用します。より密度の高い媒体（ガラスなど）を通過する光が、臨界角よりも大きな角度でより密度の低い媒体（空気など）との境界に当たると、 光の 100% がより密度の高い媒体に反射されます。 。クラウン ガラスの場合、この臨界角はおよそ 41.8度 .

この現象により、プリズムは金属コーティングなしでも高効率のミラーとして機能することができ、吸収による光の損失がゼロであるため、多くの用途において従来のミラーよりも優れています。

一般的な光学プリズムの種類

光学プリズムは、その形状と主な機能に基づいて分類されます。それぞれのタイプは、光学システムにおける特定の用途に役立ちます。

分散プリズム

古典的な三角プリズムは主に光を分散させます。これらのプリズムは、頂角 (通常は 30度および60度 ) であり、分光分析の基本です。最新の分光計は、プリズム分散を使用して、スペクトル特徴によって材料を識別できます。 最小0.1ナノメートルの波長分解能 .

反射プリズム

反射プリズムは、大きな分散を生じることなく光の方向を変えます。 1854 年にイグナツィオ ポロによって発明されたポロ プリズム システムは、今でも多くの双眼鏡の標準となっています。 一対のポロプリズムは、光路長を長くしながら倒立像を正立させることができます。 効果的な倍率を備えたコンパクトな機器設計が可能になります。

偏光プリズム

ニコル プリズムやグラン トンプソン プリズムなどの特殊なプリズムは、光を直交する偏光状態に分離します。これらのデバイスは、 100,000:1を超える消光比 そのため、偏光測定や光学研究用途に不可欠なものとなっています。

光学プリズムの実世界への応用

光学プリズムは現代のテクノロジーのいたるところに存在し、私たちが毎日使用するデバイス内で目に見えない形で動作していることがよくあります。

写真と画像処理

一眼レフ (SLR) カメラは、ペンタプリズムを利用して、ファインダーを通して直立した正しい向きのビューを撮影者に提供します。 ペンタプリズムが内部で光を5回反射します 、追加の光学素子を必要とせずに、カメラのレンズによって生成される反転および反転した画像を補正します。

デジタル プロジェクターは、プリズム アセンブリを使用して、赤、緑、青の個別の LCD パネルまたは DLP チップからの画像を結合します。ダイクロイックプリズムシステム 3 チップ プロジェクターは、プロ標準の 2% 以内の色精度を達成できます。 .

科学機器

分光計はプリズムを使用して材料の組成を分析します。たとえば、天文分光器はプリズム分散を利用して、遠くにある星の化学組成を決定します。ハッブル宇宙望遠鏡の分光装置は、次のような方法で化学物質の存在量を検出できます。 精度は5%以上 星の雰囲気の中で。

化学実験室では、アッベ屈折計はプリズムを使用して液体の屈折率を測定します。 小数点以下 4 桁までの精度 、物質の正確な識別と濃度測定が可能になります。

電気通信とレーザー技術

光ファイバー システムは、波長分割多重化にプリズムを使用し、異なる波長の複数のデータ ストリームが 1 本のファイバーを通過します。 最新の DWDM システムは 80 を超える個別のチャネルを多重化できます 、プリズムベースの波長分離を使用して、それぞれ 100 Gbps を伝送します。

レーザービームステアリングシステムは、回転プリズムまたはプリズムペアを使用して、レーザー光源自体を動かすことなくビームの方向を正確に制御し、 マイクロラジアン以内の測位精度 .

民生用光学機器

双眼鏡にはポロ プリズムまたはダハ プリズムが組み込まれており、コンパクトで人間工学に基づいたデザインを実現しながら、拡大された正しい方向の画像が得られます。 ダハプリズムに位相差補正コーティングを施し、光透過率90％を超える高品質双眼鏡 、直視の明るさに匹敵します。

材料と製造

光学プリズムの性能は、その材料特性と製造精度に大きく依存します。

一般的なプリズム材料

• BK7 ガラス: 屈折率1.517の最も一般的な光学ガラスで、波長380～2100nmの汎用プリズムに使用されています。
• 溶融シリカ: 高出力レーザー用途に不可欠な紫外領域での優れた透過率と低熱膨張を実現
• SF11ガラス： 高い屈折率 (1.785) により分散が大きくなり、コンパクトな分光システムに最適です
• フッ化カルシウム: 180 nm ～ 8000 nm の透過率を備えた特殊な分光分析に不可欠な赤外線および紫外線の波長を透過します

製造精度

精密プリズムには、非常に高い製造公差が必要です。 表面の平坦度は通常、λ/4 (光の波長の 4 分の 1) より優れている必要があります。 これは、可視光の場合は 150 ナノメートル未満の偏差に相当します。角度精度の要件も同様に厳しく、多くの場合、範囲内で指定されます。 アーク秒 (1/3600 度) .

光学コーティングにより、プリズムの性能が大幅に向上します。反射防止コーティングは、表面の反射損失を 4% から 表面あたり 0.25% 未満 。反射面の金属または誘電体コーティングにより効率が向上し、波長選択反射が可能になります。

利点と制限事項

プリズムと代替光学コンポーネントをいつ使用するかを理解するには、それらの長所と短所を知る必要があります。

主な利点

• 吸収損失なし: 全反射プリズムは実質的に 100% の反射効率を達成し、通常 90 ～ 95% 反射する金属ミラーよりも優れています。
• 波長分離: 複数の次数を生成する回折格子とは異なり、プリズムは連続的な波長分散を提供します。
• 耐久性: 内部反射面は環境汚染や機械的損傷から保護されています
• 偏光制御: 特定のタイプのプリズムは、偏光状態を非常に高い純度で分離または分析できます。

実際的な制限

• サイズと重量: ガラスプリズムは同等のミラーシステムよりもかなり重いため、重量に敏感な用途での使用は制限されます。
• 費用: 高品質のコーティングが施された精密プリズムは、単純なミラーの 10 ～ 50 倍のコストがかかる場合があります
• 色彩効果: 分散プリズムは波長を分離しますが、色消し性能が必要なイメージング用途では望ましくありません。
• 温度感度: 温度による屈折率の変化は、極端な環境ではプリズムの性能に影響を与える可能性があり、通常、摂氏 1 度あたり 1 ～ 5 ppm の変動があります。

適切なプリズムの選択

特定の用途に適切なプリズムを選択するには、複数の要素を体系的に考慮する必要があります。

重要な選択基準

1. 波長範囲: プリズムの材質を動作波長に合わせます。 UV アプリケーションには溶融シリカが必要ですが、IR にはセレン化亜鉛などの特殊な材料が必要な場合があります
2. ビーム偏向要件: 必要な偏向角 (45°、90°、180°) と画像の方向を保持する必要があるかどうかを決定します。
3. 分散のニーズ: 波長分離が必要か、アプリケーションにとって問題があるかを決定する
4. サイズの制約: 物理的なスペースの制限と重量の制限を考慮する
5. 電力処理: 高出力レーザーの用途には、通常、損傷しきい値が高い材料が必要です。 10J/cm2以上 溶融シリカ用

コーティングに関する考慮事項

光学コーティングの選択は、プリズムの性能に大きく影響します。標準の反射防止コーティングにより、 反射率は表面あたり 0.5% 未満 広帯域コーティングはこの性能を 400 ～ 700 nm まで拡張します。重要な用途では、カスタム多層コーティングで次のことを実現できます。 反射率0.1%未満 特定の波長で。

反射面の金属コーティング (アルミニウムまたは銀) により、臨界角を超えた使用が可能になりますが、コストがかかります。 3～10%の反射損失 。保護された銀コーティングは、適切な可視性能を維持しながら、赤外線における優れた反射率を提供します。

プリズム技術の今後の展開

材料科学と製造の進歩により、プリズムの機能と用途が拡大しています。

メタマテリアル プリズム

研究者たちは、自然界には見られない光学特性を備えた人工構造材料であるメタマテリアルを使用してプリズムを開発しています。これらのメタマテリアル プリズムが実現できるのは、 負の屈折または超分散 、超小型の分光システムと新しいイメージングデバイスを可能にします。初期のプロトタイプが実証 分散係数が10倍大きい 従来のガラスよりも。

アダプティブプリズム

液晶および電気光学材料により、光学特性を動的に調整できる電気的に調整可能なプリズムが可能になります。これらのデバイスは、ビームステアリングと波長選択に革命をもたらす可能性があります。 スイッチング時間は1ミリ秒未満 可動部品はありません。

小型化

半導体製造技術を使用して製造されたマイクロプリズムアレイにより、集積フォトニックデバイスが可能になりました。寸法がマイクロメートル単位のこれらの微小プリズムは、光学 MEMS デバイスやスマートフォン カメラの重要なコンポーネントです。 プリズムアレイは光学式手ぶれ補正を提供します 幅 5mm 未満のパッケージ。