Caractéristiques clés et géométrie
· Forme : C'est un triangle rectangle en section transversale, avec trois faces rectangulaires. Les deux faces plus petites adjacentes à l’angle de 90 degrés sont appelées jambes ou catheti, et la face la plus longue opposée à l’angle droit s’appelle hypoténuse.
· Angles standards : Les angles standards sont 90°, 45° et 45°.
· Matériau : généralement fabriqué à partir de verres optiques comme le BK7, de silice fondue ou d'autres matériaux en fonction de la plage de longueurs d'onde requise (par exemple, qualités UV ou IR).
Fonctions principales et comment elles fonctionnent
Le prisme à angle droit est surtout connu pour deux comportements spécifiques basés sur la manière dont la lumière y pénètre.
1. Réflexion (courber les chemins lumineux de 90° ou 180°)
C'est l'utilisation la plus courante. Lorsque la lumière pénètre dans l’une des faces de la jambe et frappe la face de l’hypoténuse selon un angle critique, elle subit une réflexion interne totale (TIR).
· Courbure à 90 degrés (utilisation la plus courante) :
· Trajectoire : La lumière entre dans l'une des plus petites faces rectangulaires, frappe la face de l'hypoténuse selon un angle d'incidence de 45°, subit le TIR et sort par l'autre face plus petite.
· Résultat : le faisceau lumineux d'entrée est courbé d'exactement 90 degrés. Il s’agit d’un moyen très efficace d’orienter le chemin de la lumière, car il évite le besoin d’une surface en miroir qui pourrait se dégrader avec le temps. L'efficacité de la réflexion via TIR est proche de 100 %.
(Diagramme montrant la lumière entrant dans une jambe, se reflétant sur l'hypoténuse et sortant par l'autre jambe à un angle de 90°)
· Courbure à 180 degrés/rétroréflexion :
· Chemin : La lumière entre dans la face de l'hypoténuse, subit un TIR depuis les deux faces de la jambe à 45 ° en séquence, et ressort par la face de l'hypoténuse, parallèlement à son chemin d'entrée d'origine mais inversé.
· Résultat : La poutre est déplacée et repliée sur elle-même de 180 degrés. Ceci est utilisé dans les rétroréflecteurs et le pliage du chemin optique.
(Diagramme montrant la lumière entrant dans l'hypoténuse, se reflétant sur les deux jambes et ressortant par l'hypoténuse, inversée à 180°)
2. Rotation et montage de l'image
Une propriété clé de la fonction de flexion à 90 degrés est qu’elle fait également pivoter l’image de 90 degrés. Ceci est extrêmement utile dans de nombreux systèmes optiques.
· Inversion : Un prisme à angle droit inversera une image dans le plan de réflexion.
· Application dans les jumelles : une paire de prismes à angle droit (souvent dans une configuration de prisme de Porro) est utilisée à la fois pour plier le long chemin optique dans un boîtier compact et pour réinverser l'image créée par l'objectif, de sorte que l'utilisateur voit une image verticale, correcte, gauche-droite.
Autres fonctions
· Dispersion (sous forme de simple prisme) : Si la lumière arrive sur la face de l'hypoténuse plutôt que sur une jambe, elle peut être réfractée sur les deux surfaces à 45°, agissant comme un prisme dispersif qui divise la lumière blanche en ses couleurs constitutives. Il est cependant moins efficace pour cela qu’un prisme équilatéral dédié.
· Combinaison/division de faisceau : en appliquant un revêtement partiellement réfléchissant sur l'hypoténuse, le prisme peut être transformé en séparateur de faisceau, divisant un seul faisceau en deux ou combinant deux faisceaux en un seul.
Applications courantes
Les prismes à angle droit sont omniprésents dans les systèmes optiques :
· Bancs optiques : Pour orienter les faisceaux laser de 90 degrés.
· Systèmes d'imagerie : dans les périscopes, les télescopes et les caméras pour plier le chemin optique et corriger l'orientation de l'image.
· Jumelles et télescopes : composants essentiels des systèmes à prisme de Porro.
· Métrologie : dans les interféromètres et autres instruments de mesure pour une manipulation précise du trajet de la lumière.
· Rétroréflecteurs : Pour aligner les lasers ou dans les équipements d'arpentage.
Avantages et considérations
· Avantages :
· Haute efficacité : TIR offre une réflectivité de près de 100 % sans avoir besoin d'un revêtement métallique.
· Durabilité : La surface réfléchissante (hypoténuse) est scellée à l'intérieur du verre et ne peut être ni rayée ni ternie.
· Simplicité : Un seul composant solide remplit une fonction complexe.
· Considérations :
· Angle critique : le TIR ne se produit que si l'angle d'incidence au niveau de l'hypoténuse est supérieur à l'angle critique. Cela dépend du matériau du verre et du milieu environnant (généralement de l'air).
· Distorsion du front d'onde : La qualité optique du verre et la planéité des surfaces sont essentielles pour les applications nécessitant un front d'onde précis.
En résumé, le prisme à angle droit est un élément fondamental et multifonctionnel de l’optique. Sa capacité à courber efficacement la lumière de 90° ou 180° et à manipuler les images via la réflexion interne totale le rend indispensable dans une vaste gamme d'appareils scientifiques, industriels et grand public.
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