Prisma (Optik)

Prisma mit gleichseitigem Dreieck als Grundfläche

Lichtbrechung im Prisma
Teilreflexion an beiden brechenden Flächen als Nebeneffekt

Unter einem Prisma wird in der Optik ein Bauelement mit der Form des geometrischen Körpers Prisma verstanden, das für unterschiedliche optische Funktionen (z. B. als dispersives Element oder zur Umlenkung eines Lichtstrahls) eingesetzt wird. Bei der Form handelt es sich häufig um ein gerades Prisma mit einem Dreieck als Grundfläche. Seine optischen Eigenschaften hängen im Wesentlichen von den Dreieckswinkeln bzw. der Lage der optisch wirksamen Prismenflächen zueinander und vom Brechungsindex des Werkstoffes (z. B. Glas oder transparenter Kunststoff) ab.

Anwendungen

Die Hauptanwendungen des Prismas beruhen auf seiner Eigenschaft, Licht wellenlängenabhängig zu brechen (vgl. Dispersion) oder Lichtstrahlen umzulenken durch Reflexion an einer oder an mehreren Flächen.^[1] Dabei kommen sowohl Totalreflexion als auch gerichtete Reflexion an mit Metall beschichteten Prismenflächen zum Einsatz.

Dispersionsprisma

Lichtbrechung im Prisma, schematisch

→ Hauptartikel: Dispersionsprisma

Prismen, bei denen das dispersive Verhalten des Prismenmaterials ausgenutzt wird, werden als Dispersionsprismen bezeichnet. Sie werden beispielsweise in einem Prismenspektrometer eingesetzt. Dabei fällt das Licht schräg auf eine Seitenfläche des Prismas, im einfachsten Fall ein Prisma mit der Form eines gleichschenkligen Dreiecks. Durch den nicht senkrechten Einfall und den von der Wellenlänge abhängigen Brechungsindex wird der einfallende Lichtstrahl je nach Wellenlänge mit einem anderen Winkel in das Prisma gebrochen. Dieser Effekt verstärkt sich nochmals an der Austrittsfläche des Prismas, wo der aufgespaltene Lichtstrahl in unterschiedlichen Einfallswinkeln auftrifft. Fällt das Licht nun auf einen Schirm, ist das Spektrum der Lichtquelle sichtbar. Die beiden beteiligten Flächen gemeinsame Kante heißt die ablenkende oder brechende Kante, bezüglich der das Licht in die Gegenrichtung abgelenkt wird.

Umgekehrt kann dieser Effekt unter Einsatz von monochromatischem Licht bekannter Wellenlänge zur Bestimmung der Dispersion eingesetzt werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Ablenkung des gebrochenen Lichtes bei einem symmetrischem Durchgang minimal ist. Der Brechungsindex lässt sich dann wie folgt bestimmen:

$n = \frac{\sin \frac{\delta_{\min} + \varepsilon}{2}}{\sin \frac{\varepsilon}{2}}$

mit:

n = Brechungsindex des Materials für das verwendete monochromatische Licht

δ_min  = minimaler Ablenkungswinkel

ε = Winkel zwischen den beiden brechenden Kanten

Reflexionsprisma

Lichtumlenkung durch Totalreflexion im Prisma
links: Eine einmalige Umlenkung spiegelt das Bild.
rechts: Eine zweimalige Umlenkung kehrt Bild um.

→ Hauptartikel: Reflexionsprisma

Prismen, deren Anwendung auf dem Effekt der Totalreflexion basiert, werden zur verlustarmen Umlenkung von Licht genutzt. Sie werden Umlenkprisma bzw. Reflexionsprisma genannt. Das einfachste Beispiel für ein Umlenkprisma ist ein Prisma mit der Grundfläche eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks. Hierbei bilden die beiden senkrecht aufeinanderstehenden Flächen die Ein- und Austrittsflächen. Die dritte Fläche dient als Reflexion- bzw. Umlenkfläche, an der einfallendes Licht, das unter einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, totalreflektiert wird, das heißt ohne Reflexionsverluste. Um einen möglichst hohen Transmissionsgrad für den gesamten Strahlengang zu erreichen, wird das Licht senkrecht auf die Eintrittsfläche geführt. In diesem Fall ist der Transmissionsgrad für unpolarisertes Licht maximal und man vermeidet eine Aufspaltung des Lichts in Abhängigkeit der Wellenlänge oder der Polarisation, denn senkrecht auf eine Grenzfläche einfallendes Licht wird nicht gebrochen. Einfache Umlenkprismen werden in optischen Instrumenten gezielt zur Lichtführung eingesetzt, beispielsweise für die verlustarme Umlenkung eines Laserstrahls in FTIR-Spektrometern.

Kombiniert man zwei Umlenkprismen, kann die Spiegelbildwirkung einer einmaligen Reflexion umgekehrt werden und ein Bild wird auf diese Weise aufgerichtet. Solche auch als Umkehrprisma bezeichneten Systeme werden beispielsweise in Prismenferngläsern eingesetzt. Auch das Pentaprisma, mit einem Fünfeck als Grundfläche, ist im Prinzip eine solche Kombination aus zwei dreieckigen Umlenkprismen. Es wird zur 90°-Umlenkung benutzt, wobei das Bild seitenrichtig bleibt. Beim Pentadachkantprisma ist eine der vier spiegelnden Flächen durch zwei zueinander rechtwinklige Flächen ersetzt, wodurch das Bild gespiegelt wird. Es wird in Spiegelreflexkameras angewendet, um das durch deren Spiegel verkehrte Bild zu korrigieren.

Die Vorteile eines totalreflekierenden Umlenkprismas gegenüber einer Spiegelanordnung sind unter anderem die Lageunveränderlichkeit der spiegelnden Flächen, die kompakte Bauweise und der höhere Transmissionsgrad bei mehreren Reflexionen. So ist der Transmissonsgrad eines Pentaprismas deutlich höher als bei einem Pentaspiegel, denn beim Prisma treten hier nur Reflexionsverluste beim Ein- und Austritt auf (bei Glas jeweils ca. 4 % ), die mit entsprechenden Antireflexionsschichten nochmal gesenkt werden können. Die Reflexionsverluste bei einer metallischen Fläche betragen hingegen ca. 6 bis 10 %, was schon bei zwei Reflexionen zu deutlich geringeren Transmissionsgraden der Anordnung führt.

Polarisationsprisma

Ein Wollaston-Prisma spaltet hindurch tretendes Licht in Anteile unterschiedlicher Polarisation auf. rot: Lichtstrahl, blau: senkrechte Polarisation, grün: waagerechte Polarisation, schwarz: Vorzugsrichtung des Kristalls

→ Hauptartikel: Polarisationsprisma

Polarisationsprismen eignen sich dafür, Licht in Anteile unterschiedlicher Polarisation zu trennen. Ihre Funktionsweise beruht auf der Doppelbrechungseigenschaft des verwendeten Prismenmaterials. Anders als bei Dispersionsprismen wird nicht die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge, sondern seine Abhängigkeit von der Polarisation des Lichtes ausgenutzt. Das heißt, einfallendes Licht wird in Abhängigkeit der Polarisation unterschiedlich stark gebrochen und die Strahlanteile divergieren im Prisma. Primär bestimmt dabei nicht die Lage der Grenzflächen zueinander, sondern die Lage der Grenzflächen zur optischen Achse des genutzten doppelbrechenden Materials die Eigenschaften des Polarisationsprismas. Zur Verstärkung dieser Aufspaltung oder Auswahl der Polarisation wird in der Regel eine Kombination aus zwei unterschiedlich orientierten Teilprismen angewendet, die häufig zusammengeklebt sind, wobei der Kleber (wie Kanadabalsam) zudem einen optischen Zweck hat. Häufig werden sie an einer schräg zur ursprünglichen Strahlrichtung verlaufenden Fläche zusammengefügt. Durch den schrägen Einfall und den unterschiedlichen Brechindex kann so beispielsweise über Totalreflexion eine Auswahl realisiert werden.

Eines der bekanntesten Polarisationsprismen ist das Nicolsche Prisma. Varianten sind das Glan-Thompson-Prisma und das Glan-Taylor-Prisma.

Prismendioptrie

Als Maß für die Stärke eines Prismas wurde früher der Begriff Prismendioptrie verwendet (Einheit = pdptr). Er wird definiert durch den Grad der Ablenkung eines Lichtstrahls in einem Meter Entfernung, gemessen in Zentimeter (cm/m). Demnach ist 1 pdptr. die Ablenkung eines Lichtstrahls um 1 cm in 1 m Entfernung.^[2]

Weblinks

 Commons: Prisma – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Prisma – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• www.dorotek.de/cms/upload/pdf/optik/deutsch/Prismen Übersicht über verschiedene Prismentypen
• Lerneinheit zur Brechung des Lichts am Prisma
• interaktives Arbeitsblatt „Prisma“

Einzelnachweise

1. ↑ Dietrich Kühlke: Optik: Grundlagen und Anwendungen. Harri Deutsch Verlag, 2004, ISBN 9783817117413, S. 126–131.
2. ↑ Theodor Axenfeld, Hans Pau: Lehrbuch und Atlas der Augenheilkunde. Gustav Fischer, Stuttgart 1980, ISBN 3-437-00255-4.