Lăng Kính Ngũ Giác – Pentaprism – Định Hướng Tia Sáng Chuẩn Xác 90° Trong Quang Học Chính Xác

Lăng kính ngũ giác (Pentaprism) là một trong những linh kiện quang học đặc biệt quan trọng trong các hệ thống đo lường, căn chỉnh và thiết bị quang học đòi hỏi định hướng tia sáng chính xác 90° mà không phụ thuộc góc tới. Không giống như các loại lăng kính thông thường hoạt động dựa trên phản xạ toàn phần, pentaprism sử dụng hai mặt gương phủ kim loại hoặc điện môi ở bên trong để đảm bảo góc lệch tia luôn cố định.

Đây là sản phẩm quan trọng trong các hệ thống: camera DSLR, máy kinh vĩ (theodolite), laser alignment, máy chiếu, thiết bị quang điện tử và các bộ điều hướng tia sáng công nghiệp.

1. Lăng kính ngũ giác là gì?

Lăng kính ngũ giác là một khối lăng kính có 5 mặt, được thiết kế sao cho ánh sáng sau khi đi qua sẽ bị uốn cong một góc chính xác 90°, bất kể tia sáng đi vào với góc tới như thế nào (trong giới hạn cho phép).

Đặc điểm nổi bật:

• Không dùng phản xạ toàn phần ⇒ Hai mặt phản xạ phải phủ gương Al, Ag hoặc lớp phủ điện môi.

• Góc lệch luôn cố định 90° ⇒ cực kỳ ổn định về quang học.

• Biến đổi hướng tia sáng nhưng không lật ảnh, trừ dạng đặc biệt roof pentaprism.

• Độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng đánh bóng, độ vuông góc giữa các mặt và chất lượng coating.

2. Cấu tạo của lăng kính ngũ giác

Một pentaprism tiêu chuẩn có 5 mặt:

1. Mặt vào – để ánh sáng đi vào.

2. Mặt ra – để ánh sáng đi ra.

3. Hai mặt phản xạ (M1, M2) – mặt này luôn được phủ gương.

4. Mặt đáy/mặt còn lại – thường không tham gia vào đường quang.

Vật liệu phổ biến để sản xuất lăng kính ngũ giác:

Trong thực tế thương mại, BK7 và Fused Silica là hai lựa chọn phổ biến nhất vì giá hợp lý, dễ gia công và phù hợp cho thị trường công nghiệp.

3. Nguyên lý hoạt động

Lăng kính ngũ giác hoạt động dựa trên hai lần phản xạ gương bên trong, tạo ra độ lệch góc cố định 90°.

• Bất kể góc tới thay đổi trong phạm vi nhất định, tia sáng khi đi ra luôn lệch đúng 90°.

• Đây là ưu điểm vượt trội so với lăng kính tam giác hay lăng kính góc vuông – vốn lệ thuộc vào góc tới của nguồn sáng.

Nhờ đặc tính này, pentaprism được xem là linh kiện định hướng chùm tia chính xác nhất trong quang học cơ khí – optical alignment.

4. Các loại lăng kính ngũ giác

4.1. Pentaprism tiêu chuẩn

• Định hướng tia đúng 90°.

• Không lật ảnh.

• Dùng trong máy đo, laser alignment, optical jig.

4.2. Roof Pentaprism

• Có thêm “roof edge” ở mặt phản xạ.

• Vừa lệch tia 90°, vừa lật ảnh theo trục ngang.

• Ứng dụng chính: hệ ngắm của máy ảnh DSLR.

4.3. Hollow Pentaprism

• Là pentaprism dạng rỗng dùng gương thay vì thủy tinh.

• Độ nhẹ cao, dùng trong thiết bị cỡ lớn.

5. Thông số kỹ thuật quan trọng

5.1. Góc lệch (Deviation Angle)

• Giá trị tiêu chuẩn: 90° ± 30 arcsec hoặc ±1 arcmin tùy yêu cầu.

• Đây là thông số quan trọng nhất.

5.2. Sai số mặt (Surface Flatness)

Thường đạt:

• λ/4 đến λ/10 (tốt)

• Dùng interferometer để kiểm tra.

5.3. Chất lượng bề mặt (Scratch–Dig)

Các chuẩn thông dụng:

• 60/40 – cấp công nghiệp

• 40/20 – cấp thiết bị quang học

• 20/10 – cấp phòng lab / laser

5.4. Lớp phủ (Coating)

AR Coating – phủ chống phản xạ

• Tối ưu ở VIS 400–700 nm hoặc customized theo yêu cầu.

HR Coating (High Reflective Coating) – phủ gương bên trong

• Al, Ag hoặc Dielectric Mirror

• Độ phản xạ lên đến 98–99%

Lớp bảo vệ gương

• MgF₂ (bảo vệ bạc)

• SiO₂ / HfO₂ (bảo vệ nhôm hoặc gương điện môi)

6. Ưu điểm của lăng kính ngũ giác

• Giữ nguyên góc lệch 90° – không phụ thuộc góc tới

• Độ ổn định cao, không bị lệch khi thay đổi vị trí nguồn

• Không lật ảnh (trừ roof pentaprism)

• Độ bền cơ học tốt – dễ gắn kết vào jig và housing

• Làm việc tốt trong môi trường công nghiệp

7. Nhược điểm

• Giá cao hơn lăng kính tam giác hoặc lăng kính góc vuông do yêu cầu phủ gương.

• Không dùng phản xạ toàn phần, nên tuổi thọ phụ thuộc lớp coating.

• Kích thước thường lớn và nặng hơn so với gương phẳng + mount.

8. Ứng dụng của lăng kính ngũ giác

8.1. Máy ảnh DSLR

Pentaprism là linh kiện nằm trong hệ ngắm quang (viewfinder), giúp:

• Lật ảnh đúng chiều

• Tăng độ sáng ống ngắm

• Định hướng tia từ gương lật lên mắt người dùng

8.2. Thiết bị đo lường – máy kinh vĩ, trắc địa

• Định hướng tia sáng chính xác

• Ổn định góc nhìn

• Không phụ thuộc góc tới của nguồn laser

8.3. Hệ thống căn chỉnh laser (laser alignment system)

• Tạo góc lệch 90° chuẩn cho các hệ thống căn chỉnh cơ khí–quang học.

8.4. Thiết bị quang học công nghiệp

• Máy chiếu

• Thiết bị quang điện tử

• Bộ chuyển hướng tia trong dây chuyền máy móc

8.5. Thí nghiệm quang học – phòng lab

• Thí nghiệm sai số góc

• Beam steering

• Beam displacement

9. Tùy chọn gia công theo yêu cầu

Chúng tôi có thể cung cấp theo tiêu chuẩn hoặc theo bản vẽ:

• Kích thước: 5 mm – 80 mm

• Sai số góc: ±30 arcsec đến ±5 arcsec

• Coating: AR, HR, Protected Ag/Al, Dielectric Mirror

• Vật liệu: BK7, N-BK7, Fused Silica, Sapphire, CaF₂, ZnSe (IR), v.v.

• Lựa chọn roof hay non-roof

• Gia công chamfer, black paint edge, mài cạnh bảo vệ

10. Kết luận

Lăng kính ngũ giác (Pentaprism) là linh kiện cực kỳ quan trọng trong quang học định hướng tia. Với khả năng cố định góc lệch 90° bất kể góc tới, pentaprism trở thành lựa chọn tối ưu cho máy ảnh, thiết bị đo lường, hệ thống laser và các ứng dụng công nghiệp cần tính ổn định cao.

Nếu bạn đang kinh doanh thiết bị quang học, pentaprism là sản phẩm có nhu cầu lớn, biên độ lợi nhuận tốt và rất dễ mở rộng sang các dòng optical component khác như: lăng kính tam giác, cube beamsplitter, cửa sổ quang học AR, thấu kính BK7/Fused Silica…