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ptDois prismas podem deixar a mesma linha de polimento com desenhos idênticos e ainda assim se comportar de maneira diferente dentro de um instrumento acabado. O vidro raramente é o motivo. A tolerância do ângulo, a figura das faces polidas e a maneira como o revestimento sobrevive ao feixe real decidem se a peça mantém o alinhamento por anos ou se sai das especificações em meses.
Um prisma óptico é um sólido transparente delimitado por superfícies planas e polidas que se encontram em ângulos definidos. A luz que entra em uma face é refratada na fronteira vidro-ar, viaja através do material e então refrata novamente na face de saída ou reflete internamente, de modo que um feixe pode ser desviado, disperso, girado ou dobrado dentro de um volume muito pequeno.
Definição de prisma óptico: elemento sólido transparente com pelo menos duas superfícies planas polidas, utilizado para desviar, dispersar, girar ou refletir a luz por meio de refração controlada e reflexão interna total.
Em sistemas práticos, essa definição única abrange cinco tarefas diferentes, e cada tarefa coloca uma especificação diferente na frente do desenho:
- Desviar um feixe em um ângulo fixo, geralmente 90 ou 180 graus
- Dispersão de luz branca em comprimentos de onda separados para medição
- Dobrando um longo caminho óptico em um envelope mecânico curto
- Girar ou inverter uma imagem sem adicionar lentes
- Divisão, combinação ou amostragem de um feixe para monitoramento
Como um prisma óptico curva a luz
Um prisma desvia a luz porque o vidro tem um índice de refração mais alto que o ar, de modo que o feixe muda de direção a cada superfície polida que atravessa.
O tamanho dessa mudança segue a lei de Snell, aplicada duas vezes: uma vez na entrada, uma vez na saída. O desvio total depende do ângulo do vértice do prisma, do índice de refração do material e do comprimento de onda da luz. Como o índice aumenta à medida que o comprimento de onda diminui, a luz azul se desvia mais do que a luz vermelha, e o feixe que sai do prisma se espalha em um espectro. Cada prisma de dispersão, desde uma peça de demonstração em sala de aula até o front-end de um espectrômetro, funciona com base nesse princípio.
A reflexão interna total dá aos prismas um segundo papel. No N-BK7, o ângulo crítico fica em cerca de 41,2 graus, então a luz que atinge uma face interna de 45 graus é refletida quase sem perda e sem qualquer revestimento metálico. Um prisma de ângulo reto utilizado desta forma substitui um espelho, elimina o risco de degradação do revestimento e mantém o feixe refletido em uma posição fixa em relação à face de entrada.
Um prisma equilátero de 60 graus em N-BK7 produz um desvio mínimo de aproximadamente 38,7 graus em 587,6 nm. Mude o ângulo do ápice em um minuto de arco e o feixe de saída muda com ele, e é por isso que os desenhos de prismas citam ângulos em minutos de arco e segundos de arco em vez de milímetros.
Tipos de prismas ópticos e o que cada um faz
A maioria das ordens de prismas se enquadra em sete geometrias padrão, e cada uma é governada por uma especificação de controle diferente.
| Tipo de prisma | Ação óptica | Aplicação típica | Especificação para controlar |
| Prisma de ângulo reto | Desvia o feixe em 90 graus por reflexão interna ou 180 graus quando usado em pares | Periscópios, visores, direção de feixe | Ângulo entre as duas pernas e planicidade da hipotenusa |
| Prisma Porro | Duas reflexões internas, desvio de 180 graus, ereção de imagem | Binóculos, instrumentos de observação | Tolerância de ângulo de par correspondente |
| Prisma de telhado | Desvio de 90 graus com montagem de imagem ao longo da borda do telhado | Telescópios compactos, câmeras | Erro de ângulo do telhado em segundos de arco e limite de cavacos na borda do telhado |
| Prisma de pomba | Gira a imagem duas vezes a taxa de rotação mecânica | Telescópios de alinhamento, interferômetros | Paralelismo da face final e relação comprimento/abertura |
| Prisma Pellin-Broca | Desvio constante de 90 graus em um comprimento de onda selecionado | Espectroscopia, seleção de comprimento de onda | Ângulo de ápice e dispersão de material |
| Prisma de dispersão equilátero | Separa comprimentos de onda por refração | Espectrometria, ajuste de laser, ensino de óptica | Ângulo do ápice, homogeneidade do vidro, qualidade da superfície |
| Prisma de cunha | Desvio de feixe pequeno e controlado | Direção de feixe, correção óptica | Ângulo de cunha em minutos de arco |
A geometria é apenas metade da especificação. O mesmo prisma de ângulo reto pode ser fornecido com pernas polidas ou retificadas, com ou sem revestimento antirreflexo e com tolerâncias angulares que diferem em uma ordem de grandeza entre uma classe geral e uma classe de precisão.
Quando um projeto usa vários prismas em série, as tolerâncias são combinadas em vez de médias. Um par de prismas Porro, cada um aceitável por si só, ainda pode produzir uma imagem inclinada ou girada quando montados juntos.
Faixa de prismas ópticos para direção e dispersão de luz personalizadas Explore prismas ópticos e blocos guia de luz para direcionar, refletir ou dispersar luz em espectrômetros, microscópios, telescópios, monitores e correção de aberrações. Ver Produto → Especificações que os compradores devem verificar antes de fazer o pedido
Cinco especificações decidem se um prisma funciona em um sistema: tolerância angular, planicidade da superfície, qualidade da superfície, abertura transparente e desempenho do revestimento. Todo o resto do desenho é secundário em relação a esses cinco.
| Especificação | Faixa típica | O que acontece se estiver errado |
| Tolerância de ângulo | 3 minutos de arco geral, 30 segundos de arco de precisão, 5 segundos de arco de alta precisão | Erro de direcionamento do feixe que nenhum ajuste de montagem pode corrigir totalmente |
| Planicidade da superfície | Quarto de onda a uma décima onda em 632,8 nm | Distorção de frente de onda, tamanho de ponto aumentado, resolução perdida |
| Qualidade de superfície | 60-40 para escavação geral, 20-10 para uso a laser | Dispersão, defeitos de revestimento, limite de dano reduzido |
| Abertura clara | 80 a 90 por cento da dimensão do rosto | Vinhetas e recorte de feixe nas bordas |
| Chanfro | 0,2 a 0,5 mm a 45 graus | Lascas nas bordas que se tornam uma fonte de dispersão permanente |
| Revestimento | Antirreflexo abaixo de 0,5% por superfície | Reflexos fantasmas, perda de rendimento, falha de revestimento sob alimentação |
Um erro de ângulo de 30 segundos de arco desloca o feixe em cerca de 0,15 mm após um metro de percurso. Multiplique isso pelas superfícies em um trem dobrável e isso deixa de ser uma tolerância abstrata e se torna um problema de alinhamento visível na bancada de testes.
A inspeção de recebimento é o local mais barato para detectar esses erros. Uma sequência curta e repetível captura quase tudo que chega à linha de produção:
- Combine o certificado do material e a classificação do índice com o desenho antes de iniciar qualquer medição.
- Meça o ângulo em um goniômetro ou autocolimador enquanto a peça ainda está em seu invólucro protetor.
- Verifique a figura da superfície com um interferômetro em toda a abertura transparente, não apenas no centro.
- Verifique a transmissão ou refletância do revestimento no comprimento de onda do projeto e confirme o limite de dano para feixes pulsados.
- Registre as dimensões, o chanfro e a rastreabilidade do lote no registro de inspeção para que uma falha posterior possa ser rastreada até um lote.
Uma versão mais completa desta lista de verificação, escrita para equipes de compras e design, está apresentada em nosso guia para escolher um prisma óptico personalizado .
Materiais e revestimentos que alteram o desempenho
O N-BK7 continua sendo o material de prisma padrão para trabalhos no visível e no infravermelho próximo; sílica fundida, safira e vidros de alto índice assumem o controle quando a estabilidade térmica, o alcance de transmissão ou a dispersão são mais importantes do que o custo.
O revestimento altera o desempenho tanto quanto o substrato, e a compensação geralmente é decidida pela potência do feixe e não apenas pelo custo.
Prisma não revestido
- Reflexão de Fresnel de aproximadamente 4 por cento por superfície em N-BK7
- Menor custo unitário e menor prazo de entrega
- Nenhuma camada de revestimento para degradar ou queimar
- Aceitável para trabalhos de iluminação, visualização e demonstração de baixo consumo de energia
Prisma com revestimento anti-reflexo
- Reflexão abaixo de 0,5% para uma única camada, abaixo de 0,2% para projetos de banda larga
- Maior rendimento em montagens multiprismas
- Imagens fantasmas reduzidas e luz difusa
- O limite de dano deve ser especificado para uso de laser pulsado
Para lasers pulsados, o limite de dano ao revestimento é mais importante do que a transmissão. Perder quatro por cento da energia é fácil de aceitar; um revestimento que falha na fluência que seu feixe fornece encerra o caminho da luz permanentemente.
Onde os prismas ópticos são usados
Os prismas ópticos aparecem onde quer que um feixe precise ser dobrado, dividido ou estabilizado dentro de um espaço limitado, e a mesma peça geralmente atende indústrias que parecem não relacionadas no papel.
- Imagens médicas e endoscopia , onde conjuntos de prismas dobram o caminho da imagem dentro de tubos com apenas alguns milímetros de largura
- Sensoriamento automotivo e LiDAR , onde os prismas orientam e dividem os feixes sem quaisquer partes móveis
- Espectroscopia e ajuste de laser , onde os prismas dispersantes separam os comprimentos de onda para medição
- Binóculos, telescópios e periscópios , onde os prismas Porro, Roof e Dove erguem e giram imagens
- Dobramento de feixe de laser em máquinas-ferramentas , onde um prisma revestido em ângulo reto mantém o caminho do feixe curto
- Visão de máquina e interferometria , onde a planicidade e a estabilidade do ângulo impulsionam a precisão da medição
Dentro de um endoscópio médico, o conjunto do prisma deve dobrar o caminho óptico em 90 graus dentro de um invólucro medido em milímetros. A qualidade da borda e a geometria da montagem acabam importando quase tanto quanto a figura óptica, porque um canto lascado nessa escala lança dispersão diretamente na imagem.
Os prismas raramente são usados sozinhos. Eles normalmente são combinados com lentes que fazem o foco enquanto o prisma cuida da direção, dispersão ou orientação, portanto, uma única montagem geralmente precisa de ambos os componentes especificados em relação ao mesmo orçamento de alinhamento.
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Uma citação de prisma é tão precisa quanto o desenho anexado a ela. Os preços dos fornecedores são baseados na pilha de tolerância e não no formato, portanto, um desenho incompleto produz um preço aumentado ou uma peça que falha na chegada.
Especificação óptica
- Material e grau de índice
- Ângulo do ápice com tolerância
- Planicidade da superfície at the test wavelength
- Qualidade de superfície escavadora
- Abertura clara as a percentage of face
- Revestimento curve and required reflectance or transmission
Especificação mecânica
- Dimensões externas com tolerâncias
- Chanfro size and angle
- Faces de montagem e arestas de referência
- Marcas de orientação para montagem
- Limite de peso para construções aéreas ou portáteis
Informações comerciais
- Protótipo e quantidades de produção
- Nível de relatório de inspeção obrigatório
- Necessidades de embalagem e manuseio de salas limpas
- Horário de entrega e destino
- Requisitos de rastreabilidade de lote
Os preços de protótipo e de produção para o mesmo prisma geralmente diferem em 30% ou mais por peça. Ferramentas, acessórios de bloqueio e execuções de revestimento são amortizados em diferentes quantidades, portanto, citar cada estágio separadamente fornece uma imagem mais clara do que uma única figura combinada.
Envie o desenho junto com o comprimento de onda operacional e a potência do feixe para nosso equipe de engenharia e a revisão da tolerância geralmente pode ser concluída junto com a cotação, e não após a chegada das primeiras peças.
Perguntas frequentes sobre prismas ópticos
Qual é a diferença entre um prisma óptico e uma lente?
Uma lente tem superfícies curvas e forma uma imagem por meio de luz convergente ou divergente. Um prisma possui superfícies planas polidas e muda a direção, dispersão ou orientação da luz sem formar uma imagem por si só. Os dois são frequentemente combinados em um conjunto: o prisma dobra e orienta o caminho, a lente faz o foco.
Quão estreita deve ser a tolerância do ângulo do prisma?
Trabalhe de trás para frente a partir do orçamento do sistema. A iluminação geral e os instrumentos de visualização geralmente toleram alguns minutos de arco. Imagens, metrologia e interferometria normalmente precisam de 30 segundos de arco ou mais. Um prisma colocado dentro de um conjunto de vários elementos que deve permanecer alinhado com a temperatura pode precisar de 5 segundos de arco, e o design da montagem deve suportar isso.
Qual material devo escolher para um prisma?
O N-BK7 cobre a maioria dos trabalhos visíveis e infravermelhos próximos em temperaturas moderadas. A sílica fundida é adequada para transmissão ultravioleta profunda, estabilidade térmica e maior resistência a danos a laser. O Sapphire lida com ambientes agressivos e bandas infravermelhas ao custo de um processamento mais difícil. Um vidro de alto índice como o N-SF11 proporciona um desvio maior em relação a um ângulo de vértice menor, o que mantém os prismas de dispersão compactos.
Os prismas personalizados podem ser produzidos em pequenas quantidades?
Sim. As execuções de protótipos de algumas peças são rotineiras, e os fatores limitantes geralmente são o tamanho dos lotes de revestimento e as ferramentas necessárias para bloquear e polir uma geometria incomum. Fornecer um desenho completo com tolerâncias na primeira consulta encurta o caminho desde a cotação até o primeiro artigo.
Peça o relatório de inspeção antes de discutir o preço. Um prisma barato que falha na inspeção do primeiro artigo custa mais em tempo de programa perdido do que um prisma especificado corretamente.
苏公网安备 32041102000130 号