PRISMAS REFLECTORES (Reflecting Prisms)

Los prismas reflectores (reflecting prisms) cumplen una función semejante a la de los espejos, ya que permiten cambiar la dirección de la luz dentro de un sistema óptico. Aunque suelen ser más costosos que los espejos, se utilizan ampliamente en instrumentos militares, binoculares, telémetros, visores y equipos de navegación por su estabilidad, resistencia y precisión.

Una de sus principales ventajas es que muchos prismas trabajan mediante reflexión interna total (total internal reflection). En este caso, la luz se refleja dentro del vidrio sin necesidad de una superficie plateada. En cambio, los espejos plateados pueden deteriorarse con el tiempo, ya sea por oxidación, desprendimiento de la capa reflectante o pérdida de brillo.

Además, un espejo común refleja aproximadamente el 95 % de la luz incidente y absorbe una pequeña parte. En una superficie de vidrio que trabaja por total internal reflection, la pérdida de luz es mucho menor. Aunque el rayo atraviesa más espesor de vidrio que en un espejo, la absorción en un buen vidrio óptico es reducida. Por eso, un prisma reflector puede entregar una imagen más brillante que un sistema equivalente de espejos.

Otra ventaja es mecánica. Un prisma puede montarse con mayor rigidez que un espejo, es más grueso y menos propenso a romperse. También permite reemplazar dos superficies reflectantes ajustadas por separado mediante una sola pieza de vidrio con sus caras ya talladas con el ángulo correcto. De esta manera, se evita que el sistema óptico pierda ajuste por golpes o vibraciones.

Figura 1. Objeto observado mediante un prisma Porro simple y un conjunto de prismas Porro. (Object viewed through single Porro prism and Porro prism cluster.)

• Objeto. (Object)
• Luz reflejada (observador). (Reflected light (observer))
• Prisma Porro simple. (Single Porro prism)
• Conjunto de prismas Porro. (Porro prism cluster)
• Rayo incidente. (Incident ray)
• Rayo reflejado. (Reflected ray)
• Reflexión interna total. (Total internal reflection)
• Trayectoria del rayo de luz. (Path of light ray)
• Cambio de dirección de la luz. (Change in direction of light)
• Desviación de la línea de visión. (Line of sight deviation)
• Imagen observada. (Observed image)
• Orientación de la imagen. (Image orientation)
• Sistema óptico con prisma. (Optical system with prism)
• Reflexiones múltiples. (Multiple reflections)

PRISMA DE ÁNGULO RECTO (Right-Angle Prism)

El prisma de ángulo recto (right-angle prism) es uno de los prismas reflectores más simples y usados. La luz entra por una cara, se refleja en la cara diagonal y sale por una tercera cara. Según la orientación del prisma, puede desviar la línea de visión (line of sight) en 90 grados o invertir la imagen.

Cuando los rayos incidentes son horizontales, el prisma puede invertir la imagen verticalmente. Si los rayos incidentes son verticales, la inversión se produce en otro sentido. Esto demuestra que el resultado depende de la posición del prisma y de la dirección en que se observa el objeto. En aplicaciones prácticas, el prisma de ángulo recto se utiliza para cambiar la dirección de observación sin recurrir a espejos externos.

Una variante importante es el prisma Porro (Porro prism). En este uso, la luz entra formando un ángulo recto con la cara diagonal, se refleja sucesivamente en dos caras cortas y finalmente sale nuevamente por la cara diagonal. El rayo emergente conserva una dirección relacionada con la original, pero la imagen puede quedar modificada según el recorrido interno.

PRISMA PORRO (Porro Prism)

El prisma Porro (Porro prism) desvía la línea de visión en 180 grados. Su forma real en instrumentos ópticos puede no coincidir exactamente con los diagramas didácticos, porque los fabricantes suelen redondear o eliminar esquinas agudas para evitar roturas y facilitar el montaje. También pueden dejar sin pulir algunas caras que no intervienen en el recorrido útil de la luz.

Un solo prisma Porro puede producir una imagen derecha o invertida según la forma en que se lo observe. Esto es importante, porque la orientación de la imagen no depende únicamente del prisma, sino también de la posición del observador respecto del objeto y del sistema óptico. Si se observa el reverso del objeto, la imagen puede parecer invertida; si se evalúa desde la dirección correcta de observación, puede mantenerse sin inversión aparente.

En la práctica, los prismas Porro casi nunca se usan aislados. Se montan en pares, formando un conjunto de prismas Porro (Porro prism cluster). Este arreglo permite que la imagen aparezca derecha y correctamente orientada. Por este motivo, se emplea en numerosos instrumentos ópticos, como binoculares y miras telescópicas. Sus superficies reflectantes no necesitan plateado, porque la luz incide con un ángulo mayor que el ángulo crítico del vidrio.

Figura 2. Prisma de Dove. (Dove prism.)

• Prisma de Dove. (Dove prism)
• Objeto. (Object)
• Observador. (Observer)
• Vista lateral. (Side view)
• Rayo incidente. (Incident ray)
• Rayo reflejado. (Reflected ray)
• Refracción de la luz. (Refraction of light)
• Reflexión interna. (Internal reflection)
• Trayectoria del rayo de luz. (Path of light ray)
• Entrada de la luz. (Light entry)
• Salida de la luz. (Light exit)
• Inversión de la imagen. (Image inversion)

PRISMA DE DOVE (Dove Prism)

El prisma de Dove (Dove prism) no se utiliza principalmente para desviar la línea de visión, sino para invertir y rotar la imagen. Cuando se observa una página impresa a través de este prisma, la imagen aparece invertida. Si el prisma se gira lentamente alrededor de la línea de visión, la imagen también gira. Un detalle característico es que, cuando el prisma gira 90 grados, la imagen gira 180 grados.

Este comportamiento se aprovecha en instrumentos ópticos donde se necesita rotar una imagen dentro del sistema sin cambiar completamente la dirección del rayo. En ese caso, el prisma se monta de manera que pueda girar alrededor del eje óptico. Aunque la imagen se rote, el recorrido principal de la luz permanece controlado.

Figura 3. Prisma romboidal. (Rhomboid prism.)

• Prisma romboidal (Rhomboid prism)
• Objeto (Object)
• Rayo incidente (Incident ray)
• Rayo emergente (Emergent ray)
• Reflexión interna (Internal reflection)
• Trayectoria del rayo de luz (Path of light ray)
• Desplazamiento lateral del rayo (Lateral displacement of ray)
• Superficie de entrada (Entrance surface)
• Superficie de salida (Exit surface)
• Caras reflectantes paralelas (Parallel reflecting surfaces)
• Desviación sin cambio de dirección (Offset without direction change)
• Sistema óptico con prisma (Optical system with prism)

PRISMA ROMBOIDAL (Rhomboid Prism)

El prisma romboidal (rhomboid prism) tiene forma de paralelogramo. Sus caras superior e inferior están cortadas a 45 grados y son paralelas entre sí. Posee dos superficies reflectantes paralelas que producen dos reflexiones en el mismo plano. A diferencia de otros prismas, no invierte ni revierte la imagen y tampoco cambia la dirección general de los rayos; su función principal es desplazar la línea de visión.

El rayo emergente sale paralelo al rayo incidente, pero separado lateralmente. Este desplazamiento se denomina desplazamiento de la línea de visión (offset of the line of sight). Por eso, el prisma romboidal se usa cuando se desea mover el eje óptico a una nueva posición manteniendo la misma dirección general de observación.

Sin importar cómo se sostenga o se gire un prisma romboidal alrededor de la línea de visión, la actitud del objeto observado permanece derecha y normal. Esto lo hace útil en sistemas donde se requiere compensar la posición del haz sin modificar la orientación de la imagen.

Figura 4. Prisma penta. (Penta prism.)

• Prisma penta (Penta prism)
• Objeto (Object)
• Observador (Observer)
• Rayo incidente (Incident ray)
• Rayo reflejado (Reflected ray)
• Superficies plateadas (Silvered surfaces)
• Ángulo de 45 grados (45 degrees)
• Reflexión múltiple (Multiple reflection)
• Desviación constante (Constant deviation)
• Trayectoria del rayo de luz (Path of light ray)
• Caras reflectantes (Reflecting faces)
• Sistema óptico con prisma (Optical system with prism)

PRISMA PENTA (Penta Prism)

El prisma penta (penta prism) refleja la luz en dos superficies internas. La desviación producida equivale al doble del ángulo entre sus superficies reflectantes plateadas. A diferencia de otros prismas que trabajan sólo por reflexión interna total, el prisma penta posee superficies reflectantes plateadas.

Una característica muy importante es su desviación constante (constant deviation). Si el ángulo entre las caras plateadas es de 45 grados, la desviación resultante será de 90 grados. Aunque el prisma se gire ligeramente, la posición aparente del objeto no cambia de manera apreciable. Puede existir una pequeña refracción en las caras de entrada y salida, pero ambas desviaciones son iguales y en la misma dirección, de modo que la línea de visión entre el objetivo y el observador permanece estable.

Esta propiedad es muy útil en telémetros y sistemas de puntería, donde se emplean cuñas ópticas o prismas para medir con precisión pequeñas desviaciones de la línea de visión.

Figura 5. Prisma de techo. (Roof edge prism.)

PRISMA DE TECHO (Roof Edge Prism)

El prisma de techo (roof edge prism) se reconoce por tener una arista en forma de techo. La luz entra perpendicularmente a una superficie, se refleja de izquierda a derecha y de derecha a izquierda desde la arista del techo, y luego sale perpendicularmente por otra superficie. Esta doble reflexión hace que los objetos aparezcan invertidos y revertidos.

El prisma de techo puede tallarse para producir desviaciones de 90 o 60 grados. En algunas configuraciones, el prisma de techo de 90 grados recibe el nombre de prisma Amici (Amici prism). Una ventaja importante es que, sin importar la desviación elegida, la luz entra y sale perpendicularmente a las caras de entrada y salida. Sus superficies reflectantes no suelen estar plateadas, porque la reflexión se produce por ángulos mayores que el ángulo crítico. Sin embargo, la arista debe protegerse contra golpes, ya que cualquier daño puede afectar la imagen.

Cuando se producen astilladuras en esa arista, las fallas aparecen directamente sobre la línea de visión. Por eso, la fabricación y protección mecánica del prisma son muy importantes.

Figura 6. Prisma Schmidt. (Schmidt prism.)

PRISMA SCHMIDT (Schmidt Prism)

El prisma Schmidt (Schmidt prism) se usa para enderezar y desviar la trayectoria de la luz en instrumentos de navegación pequeños. Su función es semejante a la del prisma de techo. La luz entra perpendicularmente a la cara de entrada y se refleja hacia la arista de techo en la cara posterior. Luego, en esa arista, la luz se refleja en sentidos opuestos y finalmente se dirige hacia la cara de entrada, donde vuelve a reflejarse antes de salir perpendicularmente por la cara de emergencia.

Sus superficies reflectantes no están plateadas, porque todas las reflexiones se producen con ángulos mayores que el ángulo crítico. Esto permite buena eficiencia luminosa y reduce la necesidad de recubrimientos metálicos internos.

DEFECTOS DE LOS PRISMAS (Prism Defects)

Para que un prisma funcione correctamente dentro de un sistema óptico, debe fabricarse con el tipo adecuado de vidrio y estar libre de tensiones internas, burbujas, inclusiones o defectos. Además, sus superficies deben ser perfectamente planas y talladas con precisión angular. La exactitud de estas caras asegura que el camino de la luz (path of light) mantenga la dirección deseada.

Cualquier diferencia de densidad dentro del vidrio puede distorsionar la línea de visión. Del mismo modo, burbujas o cuerpos extraños dentro del material reducen la transmisión luminosa y degradan la imagen. En instrumentos de precisión, estos defectos no son aceptables, porque afectan el brillo, la nitidez y la exactitud angular.

En resumen, los prismas reflectores (reflecting prisms) ofrecen ventajas ópticas y mecánicas frente a los espejos: mayor estabilidad, menor pérdida de luz, ausencia de deterioro por plateado en muchos casos y capacidad para cambiar, invertir, rotar o desplazar la imagen con gran precisión. Por ello son elementos fundamentales en binoculares, telémetros, periscopios, miras ópticas y equipos de navegación.