Призма - Prism

Пластиковая призма

Оптическая призма является прозрачным оптическим элементом с плоскими, полированными поверхностями , которые преломляют свет . По крайней мере одна поверхность должна быть расположена под углом - элементы с двумя параллельными поверхностями не являются призмами. Традиционная геометрическая форма оптической призмы - это треугольная призма с треугольным основанием и прямоугольными сторонами, и в разговорной речи термин «призма» обычно относится к этому типу. Некоторые типы оптических призм фактически не имеют формы геометрических призм . Призмы могут быть изготовлены из любого материала, прозрачного для тех длин волн, для которых они предназначены. Типичные материалы включают стекло , акрил и флюорит .

Дисперсионные призмы могут быть использованы для проникновения белого света вверх на составляющие его спектральные цвета (Цвета радуги ). Кроме того, призмы могут использоваться для отражения света или для разделения света на компоненты с разной поляризацией .

Как работают призмы

Треугольная призма, рассеивающая свет; волны показаны для иллюстрации различных длин волн света. (Щелкните, чтобы просмотреть анимацию)

Свет меняет скорость при перемещении из одной среды в другую (например, из воздуха в стекло призмы). Это изменение скорости заставляет свет преломляться и попадать в новую среду под другим углом ( принцип Гюйгенса ). Степень изгиба пути света зависит от угла, под которым падающий луч света образует с поверхностью, и от соотношения между показателями преломления двух сред ( закон Снеллиуса ). Показатель преломления многих материалов (например, стекла) зависит от длины волны или цвета используемого света, это явление известно как дисперсия . Это приводит к тому, что свет разных цветов по-разному преломляется и покидает призму под разными углами, создавая эффект, похожий на радугу . Это может быть использовано для разделения пучка белого света на составляющем его спектр цветов. Подобное разделение происходит с переливающимися материалами, такими как мыльный пузырь. Призмы обычно рассеивают свет в гораздо большей полосе частот, чем дифракционные решетки , что делает их полезными для спектроскопии широкого спектра . Кроме того, призмы не страдают от осложнений, связанных с перекрытием спектральных порядков, которые есть у всех решеток.

Иногда призмы используются для внутреннего отражения от поверхностей, а не для рассеивания. Если свет внутри призмы падает на одну из поверхностей под достаточно крутым углом, происходит полное внутреннее отражение, и весь свет отражается. Это делает призму полезной заменой зеркала в некоторых ситуациях.

Угол отклонения и дисперсия

След луча через призму с углом при вершине α. Области 0, 1 и 2 имеют индексы преломления , и , а штрихованные углы указывают угол луча после преломления.

Отклонение угла луча и дисперсию через призму можно определить, проследив луч образца через элемент и используя закон Снеллиуса на каждой границе раздела. Для призмы, показанной справа, указанные углы равны

.

Все углы положительны в направлении, показанном на изображении. Для призмы в воздухе . Определяя , угол отклонения определяется как

Если угол падения и угол вершины призмы малы, и если углы выражены в радианах . Это позволяет аппроксимировать нелинейное уравнение для угла отклонения выражением

Угол отклонения зависит от длины волны через n , поэтому для тонкой призмы угол отклонения зависит от длины волны в соответствии с

.

История

Треугольная призма, рассеивающая свет

Как и многие основные геометрические термины, слово « призма» ( греч . Πρίσμα , романизированное : «  призма» , букв. « Что -то распиленное») впервые было использовано в « Элементах » Евклида . Евклид определил термин в книге XI как «твердую фигуру, содержащуюся двумя противоположными, равными и параллельными плоскостями, в то время как остальные являются параллелограммами», однако девять последующих утверждений, в которых использовался этот термин, включали примеры призм с треугольным основанием (т.е. не были параллелограммы). Это несоответствие вызвало замешательство у более поздних геометров.

Рене Декарт видел свет, разделенный на цвета радуги стеклом или водой, хотя источник цвета был неизвестен. Эксперимент Исаака Ньютона 1666 года по изгибу белого света через призму продемонстрировал, что все цвета уже существуют в свете, с разветвленными « корпускулами » разного цвета, расходящимися веером и перемещающимися с разной скоростью через призму. Только позже Янг и Френель объединили теорию частиц Ньютона с волновой теорией Гюйгенса, чтобы объяснить, как цвет возникает из спектра света.

Ньютон пришел к своему выводу, пропустив красный цвет из одной призмы через вторую, и обнаружил, что цвет не изменился. Из этого он пришел к выводу, что цвета уже должны присутствовать в падающем свете - таким образом, призма не создавала цвета, а просто разделяла цвета, которые уже есть. Он также использовал линзу и вторую призму, чтобы преобразовать спектр обратно в белый свет. Этот эксперимент стал классическим примером методологии, введенной во время научной революции . Результаты эксперимента резко преобразовали поле метафизики , что приводит к Джону Локк «ы первичного против среднего качества различия .

Ньютон подробно рассмотрел призменную дисперсию в своей книге « Оптика» . Он также ввел использование более чем одной призмы для управления дисперсией. Описание Ньютоном своих экспериментов по рассеиванию призм было качественным. Количественное описание дисперсии с несколькими призмами не требовалось до тех пор, пока в 1980-х годах не были введены расширители лазерного луча с несколькими призмами .

Типы

Дисперсные призмы

Сравнение спектров, полученных дифракционной решеткой путем дифракции (1) и призмы путем преломления (2). Более длинные волны (красный цвет) дифрагируют больше, но преломляются меньше, чем короткие волны (фиолетовый).

Дисперсионные призмы используются для разделения света на составляющие его спектральные цвета, поскольку показатель преломления зависит от частоты ; белый свет, попадающий в призму, представляет собой смесь разных частот, каждая из которых изгибается немного по-своему. Синий свет более медленный, чем красный, и поэтому будет более искривленным, чем красный свет.

Светоотражающие призмы

Отражающие призмы используются для отражения света, чтобы переворачивать, инвертировать, вращать, отклонять или смещать световой луч. Обычно они используются для создания изображения в биноклях или однообъективных зеркальных камерах - без призм изображение было бы для пользователя перевернутым. Многие отражающие призмы используют полное внутреннее отражение для достижения высокой отражательной способности.

Наиболее распространенные отражающие призмы:

Светоделительные призмы

Некоторые отражающие призмы используются для разделения луча на два или более лучей:

Поляризационные призмы

Есть также поляризационные призмы, которые могут разделять луч света на компоненты различной поляризации . Обычно они сделаны из двулучепреломляющего кристаллического материала.

Отклоняющие призмы

Клиновые призмы используются для отклонения луча света на фиксированный угол. Пара таких призм может использоваться для управления лучом ; вращая призмы, луч можно отклонить на любой желаемый угол в коническом «поле обзора». Чаще всего встречается пара призм Рисли . Две клиновые призмы также могут использоваться в качестве анаморфной пары для изменения формы луча. Это используется для получения круглого луча из эллиптического выхода лазерного диода .

Ромбовидные призмы используются для бокового смещения луча света без инвертирования изображения.

Палубные призмы использовались на парусных судах для обеспечения дневного света под палубой, поскольку свечи и керосиновые лампы представляют опасность пожара на деревянных судах.

В оптометрии

Смещая корректирующие линзы с оси , изображения, видимые через них, могут смещаться так же, как призма смещает изображения. Специалисты по уходу за глазами используют призмы, а также линзы вне оси для лечения различных ортоптических проблем:

Призменные очки с одной призмой выполняют относительное смещение двух глаз, тем самым корректируя эзо-, экзо-, гипер- или гипотропию.

Напротив, очки с призмами равной мощности для обоих глаз, называемыми яркими призмами (также: сопряженные призмы , рассеивающие линзы или рабочие очки ), смещают поле зрения обоих глаз в одинаковой степени.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Hecht, Юджин (2001). Оптика (4-е изд.). Pearson Education. ISBN 0-8053-8566-5.

Внешние ссылки