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itDue prismi possono uscire dalla stessa linea di lucidatura con disegni identici e comportarsi comunque in modo diverso all'interno di uno strumento finito. Il vetro è raramente la ragione. La tolleranza angolare, la forma delle facce lucidate e il modo in cui il rivestimento sopravvive al raggio reale determinano se la parte mantiene l'allineamento per anni o si discosta dalle specifiche entro pochi mesi.
Un prisma ottico è un solido trasparente delimitato da superfici piatte e lucide che si incontrano ad angoli definiti. La luce che entra in una faccia viene rifratta al confine vetro-aria, viaggia attraverso il materiale e poi si rifrange nuovamente sulla faccia di uscita o si riflette internamente, quindi un raggio può essere deviato, disperso, ruotato o piegato all'interno di un volume molto piccolo.
Definizione di prisma ottico: un elemento solido trasparente con almeno due superfici piane e lucide, utilizzato per deviare, disperdere, ruotare o riflettere la luce attraverso rifrazione controllata e riflessione interna totale.
Nei sistemi pratici, quell'unica definizione copre cinque diversi lavori e ciascun lavoro inserisce una specifica diversa nella parte anteriore del disegno:
- Deviare un raggio di un angolo fisso, molto spesso di 90 o 180 gradi
- Dispersione della luce bianca in lunghezze d'onda separate per la misurazione
- Piegare un lungo percorso ottico in un breve involucro meccanico
- Ruotare o invertire un'immagine senza aggiungere lenti
- Dividere, combinare o campionare un raggio per il monitoraggio
Come un prisma ottico piega la luce
Un prisma piega la luce perché il vetro ha un indice di rifrazione più alto dell'aria, quindi il raggio cambia direzione su ogni superficie lucida che attraversa.
L'entità di tale cambiamento segue la legge di Snell, applicata due volte: una volta all'ingresso, una volta all'uscita. La deviazione totale dipende dall'angolo al vertice del prisma, dall'indice di rifrazione del materiale e dalla lunghezza d'onda della luce. Poiché l'indice aumenta man mano che la lunghezza d'onda si accorcia, la luce blu devia più della luce rossa e il raggio che lascia il prisma si diffonde in uno spettro. Ogni prisma dispersivo, da un pezzo dimostrativo in classe al front-end di uno spettrometro, funziona secondo questo principio.
La riflessione interna totale conferisce ai prismi un secondo ruolo. In N-BK7 l'angolo critico è di circa 41,2 gradi, quindi la luce che colpisce una faccia interna di 45 gradi si riflette quasi senza perdita e senza alcun rivestimento metallico. Un prisma ad angolo retto utilizzato in questo modo sostituisce uno specchio, elimina il rischio di degrado del rivestimento e mantiene il raggio riflesso in una posizione fissa rispetto alla faccia d'ingresso.
Un prisma equilatero di 60 gradi in N-BK7 produce una deviazione minima di circa 38,7 gradi a 587,6 nm. Spostando l'angolo al vertice di un minuto d'arco, il raggio di uscita si sposta con esso, motivo per cui i disegni dei prismi citano gli angoli in minuti d'arco e secondi d'arco anziché in millimetri.
Tipi di prismi ottici e cosa fa ciascuno
La maggior parte degli ordini di prismi rientrano in sette geometrie standard e ciascuna è governata da specifiche di controllo diverse.
| Tipo prisma | Azione ottica | Applicazione tipica | Specifica da controllare |
| Prisma ad angolo retto | Devia il raggio di 90 gradi per riflessione interna o di 180 gradi se utilizzato in coppia | Periscopi, mirini, orientamento del raggio | Angolo tra i due cateti e planarità dell'ipotenusa |
| Prisma di Porro | Due riflessioni interne, deviazione di 180 gradi, erezione dell'immagine | Binocoli, strumenti di osservazione | Tolleranza dell'angolo della coppia abbinata |
| Prisma del tetto | Deviazione di 90 gradi con erezione dell'immagine lungo il bordo del tetto | Telescopi compatti, fotocamere | Errore dell'angolo del tetto in secondi d'arco e limite di scheggiatura del bordo del tetto |
| Prisma di colomba | Ruota l'immagine al doppio della velocità di rotazione meccanica | Telescopi di allineamento, interferometri | Parallelismo della faccia finale e rapporto lunghezza/apertura |
| Prisma di Pellin-Broca | Deviazione costante di 90 gradi a una lunghezza d'onda selezionata | Spettroscopia, selezione della lunghezza d'onda | Angolo dell'apice e dispersione del materiale |
| Prisma di dispersione equilatero | Separa le lunghezze d'onda per rifrazione | Spettrometria, sintonizzazione laser, ottica didattica | Angolo dell'apice, omogeneità del vetro, qualità della superficie |
| Prisma a cuneo | Deviazione del raggio piccola e controllata | Orientamento del raggio, correzione ottica | Angolo del cuneo in minuti d'arco |
La geometria è solo la metà delle specifiche. Lo stesso prisma ad angolo retto può essere fornito con gambe lucidate o rettificate, con o senza rivestimento antiriflesso, e con tolleranze angolari che differiscono di un ordine di grandezza tra grado generale e grado di precisione.
Laddove un progetto utilizza diversi prismi in serie, le tolleranze si compongono anziché mediare. Una coppia di prismi di Porro, ciascuno accettabile da solo, può comunque produrre un'immagine inclinata o ruotata quando sono montati insieme.
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Cinque specifiche determinano se un prisma funziona in un sistema: tolleranza angolare, planarità della superficie, qualità della superficie, apertura libera e prestazioni del rivestimento. Tutto il resto del disegno è secondario rispetto a questi cinque.
| Specifica | Gamma tipica | Cosa succede se è sbagliato |
| Tolleranza angolare | 3 minuti d'arco generali, 30 secondi d'arco di precisione, 5 secondi d'arco di alta precisione | Errore di puntamento del raggio che nessuna regolazione della montatura può correggere completamente |
| Planarità della superficie | Da un quarto d'onda a un decimo d'onda a 632,8 nm | Distorsione del fronte d'onda, dimensione dello spot ingrandita, risoluzione persa |
| Qualità della superficie | 60-40 scavo generale, 20-10 per uso laser | Dispersione, difetti di rivestimento, soglia di danno ridotta |
| Apertura chiara | Dall'80 al 90% della dimensione del viso | Vignettatura e ritaglio del fascio ai bordi |
| Smusso | Da 0,2 a 0,5 mm a 45 gradi | Scheggiatura dei bordi che diventa una fonte di dispersione permanente |
| Rivestimento | Antiriflesso inferiore allo 0,5% per superficie | Riflessi fantasma, perdita di produttività, guasti al rivestimento sotto tensione |
Un errore angolare di 30 secondi d'arco sposta il raggio di circa 0,15 mm dopo un metro di corsa. Moltiplicatelo sulle superfici di un treno pieghevole e smetterà di essere una tolleranza astratta e diventerà un problema di allineamento visibile sul banco di prova.
L'ispezione in entrata è il posto più economico per individuare questi errori. Una sequenza breve e ripetibile cattura quasi tutto ciò che raggiunge una linea di produzione:
- Abbina il certificato del materiale e l'indice di qualità al disegno prima di iniziare qualsiasi misurazione.
- Misurare l'angolo su un goniometro o un autocollimatore mentre la parte è ancora nella sua pellicola protettiva.
- Controllare la figura della superficie con un interferometro su tutta l'apertura trasparente, non solo al centro.
- Verificare la trasmissione o la riflettanza del rivestimento alla lunghezza d'onda di progetto e confermare la soglia di danno per i raggi pulsati.
- Registrare dimensioni, smusso e tracciabilità del lotto nel registro di ispezione in modo che un guasto successivo possa essere ricondotto a un lotto.
Una versione più completa di questa lista di controllo, scritta per i team di approvvigionamento e progettazione, è riportata nel ns guida alla scelta di un prisma ottico personalizzato .
Materiali e rivestimenti che cambiano le prestazioni
N-BK7 rimane il materiale prisma predefinito per lavori nel visibile e nel vicino infrarosso; silice fusa, zaffiro e vetri ad alto indice prendono il sopravvento quando la stabilità termica, il raggio di trasmissione o la dispersione contano più del costo.
Il rivestimento modifica le prestazioni tanto quanto il substrato e il compromesso viene solitamente deciso dalla potenza del raggio piuttosto che dal solo costo.
Prisma non rivestito
- Riflessione di Fresnel di circa il 4% per superficie in N-BK7
- Costo unitario più basso e tempi di consegna più brevi
- Nessuno strato di rivestimento che si degrada o brucia
- Adatto per illuminazione, visualizzazione e lavori dimostrativi a basso consumo
Prisma rivestito antiriflesso
- Riflessione inferiore allo 0,5% per un singolo strato, inferiore allo 0,2% per i progetti a banda larga
- Maggiore produttività nei gruppi multi-prisma
- Immagini fantasma e luce diffusa ridotte
- La soglia di danno deve essere specificata per l'uso del laser pulsato
Per i laser pulsati, la soglia di danneggiamento del rivestimento è più importante della trasmissione. Perdere il quattro per cento dell'energia è facile da accettare; un rivestimento che non riesce a raggiungere la fluenza fornita dal raggio interrompe permanentemente il percorso della luce.
Dove vengono utilizzati i prismi ottici
I prismi ottici compaiono ovunque un raggio debba essere piegato, diviso o stabilizzato all'interno di uno spazio limitato, e la stessa parte spesso serve settori che sulla carta sembrano estranei.
- Imaging medico ed endoscopia , dove i gruppi prismatici piegano il percorso dell'immagine all'interno di tubi larghi solo pochi millimetri
- Rilevamento automobilistico e LiDAR , dove i prismi guidano e dividono i raggi senza parti in movimento
- Spettroscopia e sintonizzazione laser , dove i prismi di dispersione separano le lunghezze d'onda per la misurazione
- Binocoli, telescopi e periscopi , dove i prismi di Porro, del Tetto e della Colomba erigono e ruotano le immagini
- Piegatura del raggio laser su macchine utensili , dove un prisma ad angolo retto rivestito mantiene breve il percorso del raggio
- Visione artificiale e interferometria , dove la planarità e la stabilità angolare determinano la precisione della misurazione
All'interno di un endoscopio medico, il gruppo prisma deve piegare il percorso ottico di 90 gradi all'interno di un alloggiamento misurato in millimetri. La qualità dei bordi e la geometria di montaggio finiscono per contare quasi quanto la figura ottica, perché un angolo scheggiato su quella scala getta una dispersione direttamente nell'immagine.
I prismi sono raramente usati da soli. Normalmente sono abbinati a lenti che eseguono la messa a fuoco mentre il prisma gestisce la direzione, la dispersione o l'orientamento, quindi un singolo assemblaggio spesso necessita di entrambi i componenti specificati con lo stesso budget di allineamento.
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Una citazione prisma è accurata tanto quanto il disegno ad essa allegato. I fornitori fissano il prezzo in base allo stack di tolleranza, non alla forma, quindi un disegno incompleto produce un prezzo imbottito o una parte che si guasta all'arrivo.
Specifica ottica
- Grado del materiale e dell'indice
- Angolo all'apice con tolleranza
- Planarità della superficie at the test wavelength
- Qualità superficiale antigraffio
- Apertura chiara as a percentage of face
- Rivestimento curve and required reflectance or transmission
Specifica meccanica
- Dimensioni esterne con tolleranze
- Smusso size and angle
- Facce di montaggio e bordi di riferimento
- Segni di orientamento per il montaggio
- Limite di peso per build aeree o portatili
Informazioni commerciali
- Prototipo e quantità di produzione
- Livello del rapporto di ispezione richiesto
- Esigenze di imballaggio e movimentazione in camera bianca
- Orario e destinazione della consegna
- Requisiti di tracciabilità del lotto
I prezzi del prototipo e della produzione per lo stesso prisma spesso differiscono del 30% o più per pezzo. L'attrezzatura, i dispositivi di bloccaggio e i cicli di rivestimento sono ammortizzati su quantità diverse, quindi citare ciascuna fase separatamente fornisce un quadro più chiaro di una singola cifra combinata.
Inviare il disegno insieme alla lunghezza d'onda operativa e alla potenza del raggio al ns squadra di ingegneri e la revisione della tolleranza può solitamente essere completata insieme al preventivo, piuttosto che dopo l'arrivo delle prime parti.
Domande frequenti sui prismi ottici
Qual è la differenza tra un prisma ottico e una lente?
Una lente ha superfici curve e forma un'immagine facendo convergere o divergere la luce. Un prisma ha superfici piatte e lucide e cambia la direzione, la dispersione o l'orientamento della luce senza formare un'immagine di per sé. I due sono spesso combinati in un unico assieme: il prisma si piega e orienta il percorso, la lente esegue la messa a fuoco.
Quanto dovrebbe essere stretta la tolleranza dell'angolo del prisma?
Lavorare a ritroso rispetto al budget del sistema. L'illuminazione generale e gli strumenti di visualizzazione generalmente tollerano pochi minuti d'arco. L'imaging, la metrologia e l'interferometria normalmente richiedono 30 secondi d'arco o più. Un prisma posizionato all'interno di un gruppo multielemento che deve rimanere allineato nonostante la temperatura può richiedere 5 secondi d'arco e il design della montatura deve supportarlo.
Quale materiale dovrei scegliere per un prisma?
N-BK7 copre la maggior parte dei lavori visibili e nel vicino infrarosso a temperatura moderata. La silice fusa è adatta alla trasmissione ultravioletta profonda, alla stabilità termica e ad una maggiore resistenza ai danni del laser. Lo zaffiro gestisce ambienti difficili e bande infrarosse a scapito di un'elaborazione più difficile. Un vetro ad alto indice come N-SF11 fornisce una deviazione maggiore da un angolo all'apice più piccolo, che mantiene compatti i prismi di dispersione.
È possibile produrre prismi personalizzati in piccole quantità?
SÌ. Le produzioni di prototipi di pochi pezzi sono routine e i fattori limitanti sono solitamente le dimensioni dei lotti di rivestimento e gli strumenti necessari per bloccare e lucidare una geometria insolita. Fornire un disegno completo con tolleranze alla prima richiesta accorcia il percorso dal preventivo al primo articolo.
Richiedi il rapporto di ispezione prima di discutere sul prezzo. Un prisma economico che non supera l'ispezione del primo articolo costa di più in termini di tempo di programmazione perso rispetto a quello correttamente specificato
苏公网安备 32041102000130 号