dichtbij
Kies uw site
Globaal
Sociale media
Hun eenvoudige driehoekige ontwerp biedt een grotere uitlijningstolerantie dan spiegels (die een nauwkeurige kanteling vereisen) en een hogere duurzaamheid dan gecoate optica (die krassen of degradatie kunnen veroorzaken). In tegenstelling tot reflecterende coatings die na verloop van tijd vervagen (waardoor de reflectiviteit met 5-10% per jaar wordt verminderd in ruwe omgevingen), biedt TIR een stabiele reflectie met weinig verlies (reflectiviteit >99,9%) bij gebruik binnen kritische hoekparameters (invalshoek > kritische hoek voor het materiaal). Deze betrouwbaarheid maakt rechte hoekprisma's onmisbaar in diverse toepassingen, van consumentenelektronica (camerazoekers) tot verdedigingssystemen (periscopen).
Materiaalopties : Schott BK7 (kroonglas, ideaal voor toepassingen in het zichtbare bereik, 400-700 nm, >92% transmissie bij 550 nm), Hoya fused silica (UV- en NIR-transmissie, 185-2100 nm, lage thermische uitzetting), germanium (mid-IR, 2-14 μm, hoge brekingsindex voor TIR in IR) en saffier (hoge hardheid en temperatuurbestendigheid, geschikt voor zware omstandigheden). BK7 is kosteneffectief voor algemeen gebruik (bijvoorbeeld spiegels in speelgoed), terwijl gesmolten silica de voorkeur heeft voor UV-lasers (bijvoorbeeld 248 nm excimeerlasers) of hogetemperatuursystemen. Infrared is geschikt voor IR-warmtebeelden en saffier wordt gebruikt in industriële sensoren die worden blootgesteld aan trillingen of stof.
Kritische specificaties : Hoektolerantie <2 boogseconden (waarborgt een nauwkeurige afbuiging van 90° of 180° – een afwijking van 1 boogseconde veroorzaakt een fout van 0,00028° in de straalrichting), oppervlaktekwaliteit 20-10 of 10-5 (10-5 graad voor hooggevoelige toepassingen zoals astronomie) en vlakheid PV<1/10λ (bij 632,8 nm, waardoor de straal gecollimeerd blijft na reflectie). De hypotenusa (het reflectieoppervlak voor TIR) is gepolijst tot een ruwheid <0,5 nm, waardoor lichtverstrooiing wordt geminimaliseerd. Bij gespiegelde prisma's is de hypotenusa bedekt met aluminium, zilver of goud, elk met verschillende reflectiviteitsbereiken.
Reflectiemodi : Twee primaire reflectiemodi:
Totale interne reflectie (TIR) : treedt op wanneer licht zich verplaatst van materiaal met een hogere brekingsindex naar materiaal met een lagere brekingsindex (bijv. BK7 naar lucht) en de invalshoek > kritische hoek (de kritische hoek van BK7 ~41° voor zichtbaar licht). TIR vereist geen coating, biedt >99,9% reflectiviteit en is ideaal voor zichtbare toepassingen (bijvoorbeeld camerazoekers) waarbij degradatie van de coating een probleem is.
Spiegelcoatings : Gebruikt wanneer TIR niet mogelijk is (bijvoorbeeld invalshoek < kritische hoek of IR-golflengten). Aluminiumcoatings (400-1200 nm, >85% reflectiviteit) zijn kosteneffectief voor zichtbaar/NIR; zilvercoatings (400-2000 nm, >95% reflectiviteit) bieden een hoge helderheid maar hebben een beschermende bovenlaag nodig; goudcoatings (800-14.000 nm, >98% reflectiviteit) blinken uit in IR.
Maatbereik : van 2 mm tot 300 mm met ± 0,25 mm maattolerantie . Miniprisma's van 2 mm worden gebruikt in micro-optica (bijv. camerasensoren van smartphones), prisma's van 50 mm in laboratoriuminstrumenten (bijv. spectrometers) en prisma's van 300 mm in ruimtevaartsystemen (bijv. satelliettelescopen). De beenlengte van het prisma (de twee zijden vormen de rechte hoek) bepaalt de vrije opening. Een beenlengte van 50 mm levert bijvoorbeeld een vrije opening van ~35 mm op (de maximale straalgrootte die het prisma aankan).
Milieubestendigheid : Chemische en thermische stabiliteit varieert per materiaal:
BK7: Bestand tegen milde zuren/basen, werkt -20°C tot 100°C.
Gesmolten silica: Chemisch inert, werkt -40°C tot 200°C.
Saffier: Bestand tegen sterke zuren (behalve fluorwaterstofzuur), werkt -273°C tot 2000°C.
Infrared: Gevoelig voor vocht (oxideert in vochtige lucht), vereist een beschermende coating, werkt -40°C tot 100°C.
Alle prisma's hebben krasbestendige oppervlakken (Mohs-hardheid 6 voor BK7, 7 voor gesmolten silica, 9 voor saffier), waardoor duurzaamheid bij veelvuldig gebruik wordt gegarandeerd.
Deze prisma's zijn alomtegenwoordig in:
Lasertechnologie : straalsturing bij laserlassen (verbinding van auto-onderdelen, waarbij een afbuiging van 90° de laser naar moeilijk bereikbare plaatsen leidt), chirurgie (oftalmische lasers, waarbij TIR-prisma's de straal naar het oog afbuigen zonder aantasting van de coating) en geleidingssystemen (raketlasers, waarbij saffierprisma's hoge G-krachten weerstaan). Bij laserlassen kunnen gespiegelde prisma's met coatings met een hoge schadedrempel een laservermogen van meer dan 100 W aan, waardoor een consistente afbuiging wordt gegarandeerd.
Defensie en ruimtevaart : periscopen (periscopen van onderzeeërs of tanks, waarbij meerdere prisma's met een rechte hoek het licht naar de kijker afbuigen), afstandsmeters (militaire laserafstandsmeters, die TIR-prisma's gebruiken voor reflectie met weinig verlies) en beveiligingscamera's (buitencamera's, waarbij weerbestendige saffierprisma's hun prestaties behouden in regen/sneeuw). Onderzeese periscopen maken gebruik van 100-200 mm BK7-prisma's met AR-coatings om reflectieverliezen te verminderen, waardoor helder zicht op diepte mogelijk wordt.
Engineering : Laserscanning (industriële 3D-scanners, waarbij prisma's de laserstraal over het oppervlak van het object afbuigen) en IR-temperatuursensoren (kwaliteitscontrole vervaardigen, waarbij germaniumprisma's worden gebruikt om IR-stralen naar de detector te sturen). 3D-scanners gebruiken kleine (10-20 mm) prisma's van gesmolten silica voor nauwkeurige straalcontrole, waardoor een scanresolutie <0,1 mm wordt gegarandeerd. IR-sensoren zijn afhankelijk van germaniumprisma's die golflengten van 8-14 μm kunnen verwerken, wat van cruciaal belang is voor het meten van de temperatuur van hete oppervlakken (bijvoorbeeld motoronderdelen).
Consumentenelektronica : camerazoekers (digitale camera's, waarbij TIR-prisma's het beeld naar de zoeker reflecteren) en optische sensoren (gezichtsherkenning van smartphones, waarbij kleine prisma's worden gebruikt om IR-licht om te leiden). Zoekers voor digitale camera's maken gebruik van 5-10 mm BK7-prisma's met TIR, waardoor er geen coatings meer nodig zijn en de kosten worden verlaagd. Smartphone-sensoren maken gebruik van prisma's van gesmolten silica van 2-5 mm, die in compacte ontwerpen passen en toch de IR-transmissie behouden.
Vraag: Wanneer moet ik kiezen voor gespiegelde prisma's versus TIR-prisma's?
A: Kies TIR-prisma's wanneer:
De invalshoek > kritische hoek (bijvoorbeeld 41° voor BK7 in zichtbaar licht).
Duurzaamheid op lange termijn is van cruciaal belang (geen coating die afbreekt).
Toepassingen bevinden zich in het zichtbare bereik (TIR werkt hier het beste).
Voorbeelden: camerazoekers, laboratoriumspectrometers.
Kies gespiegelde prisma's wanneer:
De invalshoek < kritische hoek (bijvoorbeeld groothoekbundelafbuiging).
Werkt in UV- of IR-bereik (TIR is minder effectief - de kritische hoek van germanium ~17° voor IR, waardoor TIR moeilijk te bereiken is).
Een hoge reflectiviteit is nodig voor toepassingen bij weinig licht (bijvoorbeeld nachtzichtcamera's).
Voorbeelden: IR-thermische beeldvorming, UV-uithardende lasers.
Vraag: Wat veroorzaakt reflectieverlies in de TIR-modus?
A: Reflectieverlies in de TIR-modus is minimaal (<0,1%), maar kan optreden als gevolg van twee factoren:
Oppervlakteverontreiniging : Stof, olie of vocht op het hypotenusa-oppervlak verandert de brekingsindex van het lucht-prisma-grensvlak, waardoor de kritische hoek wordt verkleind en gedeeltelijke reflectie ontstaat (verlies <5%). Regelmatig schoonmaken met lensdoekjes en isopropylalcohol verzacht dit.
Licht buiten de as : Lichtstralen die invallen onder een hoek < kritische hoek (stralen buiten de as) ondergaan geen TIR, wat leidt tot transmissieverliezen (verlies <1% voor goed gecollimeerde bundels). Het gebruik van gecollimeerde lichtbronnen (bijvoorbeeld lasers) of prisma's met grotere beenlengtes (om het kritische hoekbereik te vergroten) vermindert dit effect.
Antireflecterende coatings op de ingangs-/uitgangsvlakken (niet de hypotenusa) verminderen ook het verlies door de reflectie op deze oppervlakken te minimaliseren.
Vraag: Kunnen rechthoekige prisma's als retroreflectoren fungeren?
A: Ja, bij gebruik met parallelle (gecollimeerde) ingangsbundels en zo georiënteerd dat de bundel twee TIR-reflecties ondergaat. Een prisma met een rechte hoek kan bijvoorbeeld een straal terugkaatsen langs zijn oorspronkelijke pad als de straal het ene been binnengaat, weerkaatst door de hypotenusa en het andere been verlaat. Dit creëert een afbuiging van 180°. Retroreflectorprisma's worden gebruikt in:
Laserafstandsmeters: Het prisma reflecteert de laserstraal terug naar de bron, waardoor afstandsberekening mogelijk is (afstand = lichtsnelheid × vluchttijd / 2).
Verkeersveiligheid: Reflecterende markeringen op wegen maken gebruik van kleine rechthoekige prisma's om de koplampen van auto's terug te reflecteren naar de bestuurder, waardoor de zichtbaarheid wordt verbeterd.
