منشور نوری: نحوه کار، انواع و راهنمای انتخاب

شکست و هندسه انحراف

نوری که وارد منشور می شود سرعت و جهت را تغییر می دهد زیرا ضریب شکست شیشه از هوا بیشتر است. رابطه به دنبال دارد n1 sin θ1 = n2 sin θ2 ، جایی که θ از سطح نرمال اندازه گیری می شود. پرتویی که از یک منشور با زاویه راس A عبور می کند، انحراف کلی δ = i1 i2 - A را تجربه می کند، که i1 و i2 زوایای ورودی و خروجی هستند. در شرایط حداقل انحراف، پرتو به طور متقارن عبور می کند و ضریب شکست را می توان مستقیماً از n = sin[(A δ2)/2] / sin (A/2) محاسبه کرد. این ویژگی امکان اندازه گیری دقیق پراکندگی مواد را فراهم می کند.

انتخاب ماده هم بر میزان انحراف و هم بر گسترش طول موج حاکم است. یک شیشه تاج بوروسیلیکات معمولی (معادل N-BK7) دارد n _d = 1.5168 در 587.6 نانومتر و عدد Abbe V _d = 64.17 ، نشان دهنده پراکندگی متوسط است. برای کاربردهای فرابنفش، سیلیس ذوب شده با درجه UV (n _d = 1.4585، V _d = 67.8) انتقال بالاتر زیر 350 نانومتر و انبساط حرارتی کمتر را ارائه می دهد. تفاوت در ضریب شکست بین دو ماده، انحراف را چندین درجه در یک زاویه راس تغییر می دهد، که یک عامل مهم در طراحی یک سیستم است.

انواع منشور و عملکرد آنها

هر هندسه از انکسار یا انعکاس برای دستیابی به یک تغییر زاویه ای تکرارپذیر بهره برداری می کند. جدول بالا زاویه راس و کار نوری اولیه را برجسته می کند. در حالی که یک منشور متساوی الاضلاع برای پراکندگی بهینه شده است، یک منشور زاویه قائم از بازتاب داخلی کل استفاده می کند تا یک پرتو را تا 90 درجه بدون پوشش در هنگام استفاده با نور همسو می کند.

پراکندگی و وضوح طیفی

هنگامی که نور سفید از یک منشور عبور می کند، هر طول موج با زاویه کمی متفاوت شکست می خورد زیرا با افزایش طول موج، ضریب شکست کاهش می یابد. برای معمولی منشور متساوی الاضلاع 60 درجه ساخته شده از N-BK7، گستردگی زاویه ای از 400 نانومتر تا 700 نانومتر به حدود 0.5 درجه می رسد. . نرخ تغییر انحراف با طول موج، پراکندگی زاویه ای dδ/dλ، تقریباً است. 0.08 درجه بر نانومتر در 500 نانومتر برای همان لیوان این قدرت جداسازی برای بسیاری از طیف‌سنج‌های فشرده کافی است، جایی که یک آرایه آشکارساز خطی، طیف پراکنده را بدون قطعات متحرک می‌گیرد.

وضوح طیفی به طول پایه منشور و منحنی پراکندگی مواد بستگی دارد. یک مسیر نوری طولانی تر از طریق شیشه، جداسازی فیزیکی بین طول موج ها را افزایش می دهد. به عنوان مثال، یک منشور با پایه 30 میلی متری معمولاً می تواند خطوط D سدیم (589.0 نانومتر و 589.6 نانومتر) را هنگامی که با یک شکاف ورودی باریک ترکیب شود، حل کند. این اصل همچنان ستون فقرات تک رنگ منشوری است که در سیستم های اندازه گیری جذب و فلورسانس استفاده می شود.

بازتاب کامل داخلی و کنترل تصویر

منشورهای بازتابنده بازتاب داخلی کل (TIR) را برای هدایت نور بدون پوشش فلزی مهار می کنند. هنگامی که نور درون شیشه با زاویه ای بیشتر از زاویه بحرانی به سطحی برخورد می کند، 100% بازتاب رخ می دهد . برای N-BK7، زاویه بحرانی فقط است تقریباً 41.2 درجه برای رابط شیشه و هوا یک منشور با زاویه قائمه نور هماهنگ شده را به یک پا دریافت می کند، آن را در 45 درجه در هیپوتنوز منعکس می کند، و آن را با یک چین دقیق 90 درجه به سمت دیگر می فرستد. از آنجایی که تابش 45 درجه از زاویه بحرانی فراتر می رود، هیچ پوشش بازتابی مورد نیاز نیست، که باعث حفظ توان بالا و حذف جذب فلز می شود.

منشورهای تخصصی تر جهت گیری تصویر را مدیریت می کنند. یک منشور پنتا بدون توجه به خطاهای تراز کوچک، یک انحراف ثابت 90 درجه ارائه می‌کند و تصویر را معکوس یا معکوس نمی‌کند - دو انعکاس داخلی، که یکی از آنها باید پوشش داده شود، به این هدف می‌رسند. منشور Dove یک تصویر را با دو برابر زاویه چرخش خود منشور می‌چرخاند و در اسکن پرتو لیزر و تغییر چرخش تصویر مفید است. بازتابنده‌های مکعبی گوشه، نور را دقیقاً در امتداد مسیر فرود برمی‌گردانند، خاصیتی که در محدوده لیزری قمری و هم‌ترازی صنعتی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد، با دقت برگشتی اغلب بهتر از 5 ثانیه قوسی هنگامی که تا حد تحمل محدود ساخته می شود.

تعیین یک منشور: مواد، اندازه و تحمل

انتخاب منشور مناسب برای تنظیمات نوری واقعی نیازمند ترجمه نیازهای برنامه به پارامترهای قابل اندازه گیری است. لیست زیر مشخصات مهمی را که در یک نقشه یا دیتاشیت معمولی ظاهر می شود را نشان می دهد.

• مواد : پنجره انتقال را با طول موج خود مطابقت دهید. BK7 از 350 نانومتر تا 2 میکرومتر کار می کند. سیلیس ذوب شده UV تا 185 نانومتر گسترش می یابد. ZnSe برای سیستم های مادون قرمز 0.6-16 میکرومتر مناسب است.
• صافی سطح : λ/4 در 633 نانومتر استاندارد برای تصویربرداری است. λ/10 یا بهتر برای استفاده تداخل سنجی برای حفظ کیفیت جبهه موج مورد نیاز است.
• کیفیت سطح (Scratch-Dig) : 60-40 برای بسیاری از سیستم های روشنایی قابل قبول است. 40-20 یا 20-10 باعث کاهش پراکندگی در مسیرهای لیزری می شود.
• یکgle Tolerance : ± 3 دقیقه قوسی یک مقدار همه منظوره است. منشورهای پنتا دقیق اغلب به 30 ± ثانیه قوسی نیاز دارند تا انحراف 90 درجه را تضمین کنند.
• دیافراگم شفاف : حداقل 80 درصد از ابعاد صورت منشور معمولاً برای جلوگیری از نقص لبه و اعوجاج ناشی از نصب مشخص می شود.
• پوشش : پوشش‌های ضد انعکاس پهن باند مانند MgF2 می‌توانند انتقال را افزایش دهند بیش از 99٪ در هر سطح ; چهره های انعکاسی ممکن است از نقره محافظت شده برای انعکاس بیش از 96 درصد در موارد مرئی استفاده کنند.

بهترین روش های نصب و تراز

عملکرد نوری یک منشور در صورت تنش یا ناهماهنگی می تواند به سرعت کاهش یابد. دستورالعمل‌های کاربردی عملی به حفظ کیفیت پرتو مشخص شده در نقشه کمک می‌کند.

1. از پایه‌های سینماتیک یا نیمه سینماتیک استفاده کنید که فشار ملایم فنر را بر روی لبه‌های زمین اعمال می‌کنند، نه سطوح صیقلی. این از انکسار دوگانه استرس که قطبش را مخدوش می کند جلوگیری می کند.
2. منشور را با تداخل سنج خودکار یا صفحه برشی تراز کنید تا بررسی کنید که زاویه پرتو خروجی با مقدار طراحی در تلورانس مطابقت دارد.
3. سطوح را با دستمال بدون پرز و ایزوپروپانول درجه معرف تمیز کنید. از پاک کردن خشک خودداری کنید، زیرا می تواند خراش هایی ایجاد کند که نور را پراکنده می کند.
4. انعکاس‌های TIR و ارواح ناخواسته را با بافل‌های آنودایز شده سیاه، به‌ویژه در زنجیره‌های چند منشوری مسدود کنید.

هنگامی که یک سیستم نیاز به چرخش یک منشور دارد، مانند منشور Dove برای چرخش تصویر، پایه باید منشور را دقیقاً روی محور چرخش متمرکز کند. خروج شعاعی زوج 0.1 میلی متر می تواند باعث از بین رفتن پرتو شود که تصویر را روی آشکارساز تغییر می دهد و تکرارپذیری اندازه گیری را تضعیف می کند.

عیب یابی مسائل رایج

حتی یک منشور مشخص می تواند مصنوعات غیرمنتظره ای تولید کند. انعکاس ارواح از سطوح بدون پوشش اغلب به صورت نقاط کم نور جابجا شده ظاهر می شوند. اعمال یک پوشش AR خوب، شدت آنها را دو مرتبه کاهش می دهد. انحراف آشکار پرتو که از تحمل زاویه منشور فراتر می رود، اغلب از یک آداپتور نصب گوه ای به جای خود منشور ناشی می شود - چک کردن پایه با یک نشانگر شماره گیری معمولاً منبع را مشخص می کند. در سیستم‌های لیزری پرقدرت، جذب حجیم می‌تواند عدسی حرارتی ایجاد کند: منشور سیلیسی ذوب شده رانش حرارتی بسیار کمتری نسبت به BK7 نشان می‌دهد، با ضریب انکسار حرارتی در حدود ده برابر کوچکتر ، حفظ پایداری نشانگر تیر تحت بارهای متغیر.

انتخاب منشور مناسب به درک هندسه و مواد آن بستگی دارد. با مشخصات و نصب دقیق، منشورها دستکاری پرتوی قابل اعتماد و بدون تراز را در ابزارهای مختلف از طیف‌سنجی‌های دستی گرفته تا ایستگاه‌های فاصله لیزری ماهواره‌ای ارائه می‌کنند.