Optisch prisma

Optisch prisma: afbuiging, dispersie en totale interne reflectie

Een optisch prisma is een transparant lichaam met vlakke, gepolijste vlakken, geslepen uit glas of kristal, waarvan de precieze geometrie het gedrag bepaalt van het licht dat erdoorheen gaat of erin wordt gereflecteerd. Het is niet zomaar een stuk glas: de hoektolerantie tussen de vlakken, uitgedrukt in boogseconden, is rechtstreeks bepalend voor de kwaliteit van het uiteindelijke beeld. Bij een afwijking van 30 boogseconden op een rechthoekig prisma ontstaat er een richtfout van 0,25 mrad in de lichtstraal — verwaarloosbaar voor decoratief gebruik, maar onaanvaardbaar voor een interferometrische opstelling.

Newton gebruikte in 1666 een driehoekig glazen prisma om de ontbinding van wit licht in het zichtbare spectrum tussen 380 nm (paars) en 700 nm (rood) aan te tonen. Het principe is niet veranderd. Wat wel is veranderd, is de precisie van de materialen en de verscheidenheid aan beschikbare geometrieën, waarbij elke prismaserie een specifiek optisch probleem oplost.

Soorten optische prisma’s en hun praktische toepassingen

Rechthoekig prisma en Porro-prisma

Het rechthoekige prisma maakt in zijn eenvoudigste vorm gebruik van totale interne reflectie aan het glas-luchtgrensvlak wanneer de invalshoek de kritische hoek overschrijdt. Voor BK7 (brekingsindex nd = 1,5168) bedraagt deze hoek 41,2°. Resultaat: een reflectie van meer dan 99,9 % zonder metaalcoating, dus geen problematisch faseverlies bij zichtbare golflengten. Dit is precies wat het Porro-prisma al sinds 1854 doet in een verrekijker, het jaar waarin Ignazio Porro het octrooi aanvroeg voor het binoculair systeem dat zijn naam draagt. Twee haaks op elkaar geplaatste prisma’s verschuiven de optische as zijdelings en keren het beeld tweemaal om, wat een rechtopstaand beeld oplevert met een verlengde optische weg zonder de fysieke lengte van het instrument te vergroten.

Vijfhoekig prisma (pentaprisma)

Het pentaprisma buigt de lichtstraal 90° af zonder het beeld om te keren, ongeacht de oriëntatie ervan. Deze eigenschap heeft het sinds de jaren 1950 een onvervangbare plaats in spiegelreflexzoekers opgeleverd: de Contax S uit 1949 was de eerste 35 mm-camera die ermee was uitgerust. In de lasermetrologie wordt het gebruikt om rechte hoeken te bepalen met een nauwkeurigheid van minder dan 1 boogseconde, zonder dat het prisma zelf vooraf hoeft te worden uitgelijnd.

Dove-prisma en Amici-dakprisma

Het Dove-prisma draait het beeld met een snelheid die twee keer zo hoog is als zijn eigen rotatiesnelheid. Wanneer het in een draaiarm wordt geplaatst, kan het beeld 360° worden gedraaid door het prisma slechts 180° te draaien. Het Amici-prisma daarentegen combineert een dakprisma met twee facetten van 90°, die het beeld rechtop zetten zonder het zijdelings te verplaatsen. Het wordt gebruikt in terrestrische telescopen en in endoscopen, waar de lengteafmetingen van cruciaal belang zijn.

Dispersief prisma voor spectroscopie

Gelijkzijdige driehoekige prisma’s (60°) worden in de spectroscopie gebruikt wanneer het diffractierooster niet geschikt is, met name in het diepe UV-gebied of bij hoge laservermogens. Het dispersievermogen hangt af van het glas: een F2-flintprisma heeft een Abbe-getal van 36,4 tegenover 64,2 voor BK7, wat betekent dat het F2-prisma het zichtbare spectrum meer spreidt, maar meer chromatische aberratie in een lens veroorzaakt. De keuze tussen beide hangt af van de afweging tussen spectrale resolutie en transmissie.

Materialen: BK7, gesmolten siliciumdioxide en alternatieven voor infrarood

Het borosilicaat BK7 is het referentiemateriaal voor 80 % van de optische prisma’s voor gebruik in het zichtbare spectrum. De transmissie ervan strekt zich uit van 330 nm tot 2 100 nm, de homogeniteit is doorgaans H3 volgens de ISO 10110-norm en de prijs blijft betaalbaar. Het is geschikt voor vrijwel alle toepassingen in het zichtbare licht en het nabije infrarood.

Gesmolten siliciumdioxide (fused silica) neemt het over zodra het UV-bereik onder 330 nm vereist is. Het laat licht door vanaf 185 nm, is goed bestand tegen ultraviolette laserpulsen en de thermische uitzettingscoëfficiënt is tien keer kleiner dan die van BK7 (0,55 × 10⁻⁶ K⁻¹ tegenover 7,1 × 10⁻⁶ K⁻¹). Voor een prisma dat wordt gebruikt in een UV-spectrometer of in een femtoseconde-laseropstelling is dit de standaardkeuze, ondanks dat het twee tot vijf keer zo duur is.

• ZnSe: midden-infrarood van 0,6 µm tot 16 µm, onmisbaar voor CO₂-lasers bij 10,6 µm, maar mechanisch kwetsbaar (Knoop-hardheid: 120)
• CaF₂: UV van 130 nm tot IR van 10 µm, gebruikt in deep-UV-lithografie en in UV-Raman-spectroscopie
• Germanium: thermisch infrarood van 2 µm tot 14 µm, ondoorzichtig in het zichtbare spectrum, zeer hoge brekingsindex (n = 4,0) waardoor een antireflectiebehandeling noodzakelijk is

Hoe kies je een optisch prisma: concrete aankoopcriteria

Eerst de geometrie: bepaal de functie (afbuiging, beeldoprichting, dispersie, rotatie) voordat u op zoek gaat naar het materiaal. Een standaard haakse prisma van gepolijst BK7 met een afwijking van λ/4 dekt 95 % van de behoeften op het gebied van beeldvorming en gangbare optische opstellingen.

Vervolgens de oppervlaktekwaliteit. De aanduiding λ/10 betekent dat de maximale afwijking in vlakheid van elk oppervlak kleiner is dan een tiende van de golflengte bij 633 nm, oftewel 63 nm. Voor een interferometrische opstelling of een krachtige laser is λ/20 of beter vereist. Voor een educatieve opstelling of gebruik in de fotografie is λ/4 ruimschoots voldoende. Het heeft geen zin te betalen voor een tolerantie die uw toepassing niet kan benutten.

De antireflectiecoating (AR) vermindert de ongewenste reflectie bij elk grensvlak van 4 % (Fresnel, zonder coating op BK7) tot minder dan 0,25 % per zijde met een meerlaagse MgF₂ + ZrO₂-coating die is geoptimaliseerd voor het toepassingsgebied. Bij een prisma met zes actieve zijden betekent dit het verschil tussen een totale transmissie van 78 % en 98,5 %.

Optisch prisma voor onderwijs, wetenschappelijke hobby’s en professioneel gebruik

Een driehoekig prisma van borosilicaatglas met een zijde van 50 mm en voldoende optische kwaliteit kost tussen de 15 en 40 € voor educatief of fotografisch gebruik. Bij deze prijs worden de hoektoleranties zelden gespecificeerd en varieert de polijstkwaliteit. Voor gebruik in een reproduceerbare optische opstelling kost een BK7-prisma met een specificatie van λ/4 en een hoektolerantie van 3 boogminuten tussen de 40 en 120 €, afhankelijk van de grootte.

In de amateurastronomie dienen rechthoekige prisma’s van 90° als hoekspiegel om ongemakkelijke observatieposities in het zenit te vermijden. Een model met AR-coating van 450-750 nm, geschikt voor montage in een 31,75 mm of 50,8 mm-schuif, is een veelvoorkomende aankoop. Het verschil tussen een goedkoop prisma en een kwaliteitsprisma is te zien aan de randen van heldere sterren: een slecht prisma veroorzaakt een laterale coma die bij hoge vergroting zichtbaar is.

Wat is het verschil tussen een BK7-prisma en een prisma van gesmolten siliciumdioxide voor mijn toepassing?

Het BK7 bestrijkt 330 nm tot 2.100 nm en is geschikt voor alle toepassingen in het zichtbare spectrum of nabij-IR. Gesmolten siliciumdioxide reikt tot 185 nm en is beter bestand tegen thermische schokken en intense UV-pulsen. Als u uitsluitend met zichtbaar licht werkt, is BK7 voldoende en twee tot vijf keer goedkoper. Als uw bron UV-straling uitzendt (onder 330 nm) of als u een femtoseconde-laser gebruikt, is gesmolten siliciumdioxide verplicht.

Welke hoektolerantie moet je kiezen voor een prisma voor spectroscopie of metrologie?

Voor laboratoriumspectroscopie of lasermetrologie moet je streven naar een hoektolerantie van 10 tot 30 boogseconden en een oppervlaktekwaliteit van λ/10. Bij meer dan 1 boogminuut worden richtfouten merkbaar in opstellingen met een lange brandpuntsafstand. Voor educatief gebruik of in de fotografie is 3 tot 5 boogminuten acceptabel en zijn de kosten aanzienlijk lager.

Porro-prisma of dakkantprisma voor compacte verrekijkers?

Het Porro-prisma levert een iets hoger contrast op, omdat voor interne totale reflectie geen fasecoating nodig is. Het geeft ook een sterker reliëfgevoel dankzij de afstand tussen de objectieven. Daar staat tegenover dat het een breder frame vereist. Het dakprisma maakt een compactere en waterdichtere rechte buis mogelijk, maar vereist een fasecoating (P-coating) om het contrast te behouden: controleer of deze aanwezig is op elke verrekijker met dakprisma van meer dan 200 €.

Kan een optisch prisma worden gebruikt met een krachtige laser?

Ja, mits de schade-drempel (LIDT) van het materiaal en de coating in acht wordt genomen. Voor een continue laser bij 532 nm is onbehandeld BK7 bestand tegen ongeveer 500 W/cm²; een AR-coating van mindere kwaliteit verlaagt deze drempel tot 300-400 W/cm² indien deze onvoldoende gespecificeerd is. Voor gepulseerde lasers (ns, ps, fs) is de piekenergiedichtheid de kritische parameter: gesmolten silica en LIDT-gecertificeerde coatings zijn onmisbaar bij waarden boven enkele tientallen mJ/cm².