Reflexionsprisma

Ein Reflexionsprisma ist ein optisches Prisma, das zur einfachen Richtungsänderung eines Lichtstrahls, der Änderung der Bildlage oder der Versetzung von Lichtbündeln benutzt wird.^[1] Neben der Brechung an den Ein- und Austrittsflächen wird dabei die Reflexion von Licht an einer oder mehreren Prismenflächen genutzt. Die Reflexion erfolgt in der Regel von Begrenzungsflächen in das Innere des Prismas zurück. Meistens trifft das Licht schräg genug auf, so dass Totalreflexion stattfindet. In anderen Fällen werden die reflektierenden Flächen verspiegelt, das heißt, mit Metall beschichtet.

Zu den Reflexionsprismen zählt das Umlenk- und das Umkehrprisma. Beim Umlenkprisma wird nur eine reflektierende Fläche verwendet, wobei ein Spiegelbild entsteht. Mit einem Umkehrprisma wird hingegen ein „seitenrichtiges“^[2] Bild erhalten, wozu zwei reflektierende Flächen gebraucht werden. Es wird meistens benutzt, um ein Kopf stehendes Bild aufzurichten („umzukehren“).

Typen

links: Umlenkprisma (einmalige Reflexion, “seitenverkehrtes” Bild)
rechts: Umkehrprisma (zweimalige Reflexion)
Totalreflexion in beiden Prismen

Umlenkprisma

Das einfachste Umlenkprisma hat als Querschnitt ein gleichschenkliges, rechtwinkliges Dreieck (90°-Prisma, Halbwürfelprisma) und lenkt in der Regel 90° um. Das Licht tritt in diesem Fall durch die beiden senkrecht aufeinander stehenden Flächen ein und aus. Die große Fläche dient als totalreflektierende Umlenkfläche.

Umlenkprismen (wie z. B. das 90°-Prisma, Porroprisma) werden in optischen Instrumenten gezielt zur Lichtführung an Stelle von Spiegeln eingesetzt, beispielsweise für die verlustarme Umlenkung eines Laserstrahls in FTIR-Spektrometern. Durch die bei ihnen wirksame Totalreflexion sind sie verlustärmer als auf der Luftseite reflektierende Spiegel.

Umkehrprisma

doppelte Lichtumlenkung durch Totalreflexion in einem einfachen Umkehrprisma, seitenrichtiges Bild

→ Hauptartikel: Umkehrprisma

Das einfachste Umkehrprisma hat als Querschnitt auch ein gleichschenkliges, rechtwinkliges Dreieck. Es lässt sich auch als eine Aneinanderreihung von zwei 90°-Umlenkprismen verstehen. Das Licht wird an den Katheten-Flächen total reflektiert und dabei um 180° umgelenkt. Es tritt durch die große der drei Flächen ein und aus.

Ein typisches Umkehrprisma ist das Porroprisma, mit dessen Hilfe das in Ferngläsern zunächst auf dem Kopf stehende Bild aufgerichtet wird. Es wird immer paarweise angewendet, um seine 180°-Umlenkung zu kompensieren.

Ein besonders geformtes Umkehrprisma ist das Pentaprisma. Bei ihm wird das Licht nur um 90° umgelenkt. Die beiden reflektierenden Flächen sind verspiegelt, da wegen des zu steilen Lichteinfalls keine Totalreflexion stattfindet. Durch die vierte Fläche tritt das Licht aus. Die fünfte Fläche ist optisch unwirksam, sie entsteht durch Abschneiden unnötigen Prismenmaterials.

Beim Pentadachkantprisma ist eine der beiden 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.

Vor- und Nachteile

Die Funktion von Reflexionsprismen können grundsätzlich auch durch gewöhnliche Spiegel übernommen werden, beispielsweise Pentaspiegel und Pentaprisma. Der Vorteil von Prismen liegt jedoch in der unveränderlichen Winkelzuordnung der Flächen im Betrieb und eines geringeren Platzbedarfs. Ein- und die Austrittsfläche werden dazu in der Regel vom Licht senkrecht passiert, um Brechung zu vermeiden sowie die Reflexionsverluste gering zu halten.

Gegenüber verspiegelten Prismen weisen totalreflektierende Reflexionsprismen verringerte Reflexionsverluste auf und führen nicht zu Polarisationseffekten.

Nachteilig an Reflexionsprismen ist, dass sie, wie andere optische Elemente auch, Abbildungsfehler in das optisches System einbringen. Von den bei der Bilderzeugung beteiligten Lichtstrahlen trifft nämlich nur der zentrale die Ein- und die Austrittsfläche senkrecht. Die anderen unterliegen der wellenlängenabhängigen Brechung und führen zu Farbfehlern. Astigmatismus, eine axiale Strahlversetzung oder Fokusänderung können auch auftreten und müssen beim Entwurf des optischen Systems berücksichtigt und ggf. korrigiert werden.

Literatur

• Dietrich Kühlke: Optik: Grundlagen und Anwendungen. Harri Deutsch Verlag, 2004, ISBN 9783817117413, S. 127–130.

Einzelnachweise und Anmerkungen

1. ↑ Dietrich Kühlke: Optik: Grundlagen und Anwendungen. Harri Deutsch Verlag, 2004, ISBN 9783817117413, S. 126–130.
2. ↑ Wenn man vom Vertauschen der Seiten im Spiegelbild spricht, bleibt die offene Frage, warum nicht auch oben und unten vertauscht sind. Dieses Problem lässt sich durch die Vorstellung vermeiden, dass im Spiegelbild vorn und hinten vertauscht sind. Man steht vor dem Spiegel, sieht sich darin aber nicht in die gleiche Richtung – also in die Tiefe des Spiegels – blickend. Man schaut gegen sich zurück. Gesicht und Rücken sind gegeneinander vertauscht, aber rechte und linke Schulter und Kopf und Füße haben ihre Plätze behalten.