Prisma (Optik)

Lichtbrechung im Prisma

Totalreflexion im Prisma

schematische Darstellung eines Prismas

Unter einem Prisma wird in der Optik ein Körper verstanden, der zwei nicht planparallele Oberflächen und die Form eines Keils besitzt. Die geometrischen Eigenschaften eines Prismas werden durch die Kantenlängen und Winkel der Grundfläche, der Winkel der Seitenfläche zur Grundfläche und der Höhe des Prismas bestimmt. Das Material besitzt eine andere Brechzahl als die Umgebung. Dadurch treten verschiedene Effekte auf:

Trifft ein Lichtstrahl senkrecht auf eine Seite eines Prismas, welches eine höhere Brechzahl besitzt als das das Prisma umgebende Medium, so kann es von innen an der gegenüberliegenden Seite totalreflektiert werden (Umlenkprisma) und tritt so nahezu verlustfrei wieder aus dem Prisma aus. Auf diese Weise werden Spiegel für präzise optische Geräte wie Ferngläser, Entfernungsmesser und Teleskope hergestellt (siehe auch Retroreflektor). Die einzigen Verluste für einen solchen Spiegel sind die Fresnel-Verluste beim Ein- und Austritt aus dem Prisma.
Lichtstrahlen treten an einer Seite in das Prisma ein und werden beim Durchgang durch das Prisma abgelenkt, man sagt gebrochen. Da Licht unterschiedlicher Wellenlänge (Farbe) unterschiedlich stark gebrochen wird, kann man mit einem Prisma Licht verschiedener Farbe trennen. Dies wird im Prismenspektrometer benutzt, um Licht in die Spektralfarben zu zerlegen. In den üblichen optischen Gläsern wird blaues Licht stärker gebrochen als rotes Licht, welches langwelliger ist. Bei der Beugung an einem optischen Gitter wird rotes Licht hingegen stärker abgelenkt. Der physikalische Grund dafür ist die von der Wellenlänge des Lichtes abhängige Brechzahl. Dies bezeichnet man in der Optik als Dispersion.

Im Falle der Brechung ist der Winkel zwischen einfallendem und ausfallendem Strahl minimal, wenn das Licht symmetrisch durch das Prisma tritt. Dieser Effekt wird zur (wellenlängenabhängigen) Bestimmung der Brechzahl mittels eines Goniometers genutzt. Die Formel zur Bestimmung der Brechzahl lautet dann:

$n = {\sin {\delta_{min} + \epsilon \over 2} \over \sin {\epsilon \over 2}}$

mit:

n = Brechzahl des Materials

δ m i n

= minimaler Ablenkungswinkel

ε

= Winkel des Prismas

Um Verluste beim Ein- und Austritt des Lichtes zu minimieren, kann man Licht im Brewster-Winkel auf die Oberflächen treffen lassen. Man erhält z. B. ein Pellin-Broca-Prisma oder auch ein Brewster-Prisma.

In der Fotografie wird bei einäugigen Spiegelreflexkameras praktisch durchgängig ein Pentaprisma eingesetzt.