光学棱镜

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功能介绍

 棱镜系统是光学系统的重要部分。

光学棱镜是实心的光学玻璃，经过磨砂和抛光成一定的几何形状。角度、位置和光学平晶数量有助于定义光学棱镜的类型和功能。

棱镜的存在会对光学系统造成很大影响，主要体现在以下几个方面：

（1）  改变光线传播方向。

（2）  变换图像的方向。

（3）  使图像产生轴向位移。

（4）  限制光束的横向尺寸。

（5）  引入像差，主要是球差和轴向色差。

以上这些用途在望远镜、放大镜、测量仪器和许多其他仪器中广泛使用。

棱镜的一个显着特点是能够替换作为一个平面镜系统，来实现光的反射。更换反射镜组件可能是最有用的棱镜应用，因为它们都反射、折叠光线和改变图像旋性/同位。 要实现类似单个棱镜的效果，通常需要使用多个反射镜。因此，用一个棱镜来代替几个反射镜可减少潜在的校准错误，提高准确性和减少系统的规模和复杂性。

 

1.  棱镜加工

为了能够在大多数应用中成功使用，加工棱镜时有非常严格的公差和精度要求。由于形状、大小和反射面数量的不同，大规模的自动化制造对于棱镜加工是完全不可行的。此外，大多数高精度棱镜往往倾向于少量加工，这也意味着自动化过程是不必要的

（1）  粗磨

将玻璃毛胚进行粗磨，使其非常接近所需的尺寸。

       

                   

（2）  精磨

进一步减小玻璃表面的凹凸层深度，并提高其均匀性。

（3）  抛光

使用抛光液去除精磨的破坏层，达到规定的表面疵病等级要求；精修面形，达到图纸要求的光圈和局部光圈数，形成光滑透明的表面。

（4）  倒角

棱镜的边缘将经过一个旋转的钻石板，将尖锐边缘稍微磨钝。

倒角之后，成品棱镜将进行清理、检查（手动和自动两种方式），并镀减反膜(AR)或金属反射膜，以进一步帮助提高整体透射率或反射率。

2.  图像旋性/同位

通过棱镜成像的一个重要方面是图像旋性（同位），也就是指图像的方向。这在光线每次入射到平面镜、任何平面反射面，或产生TIR的棱镜表面时出现。

共有两种类型的旋性：左和右。

右旋性描述图像经过偶数次反射，导致可在至少一个位置清晰阅读（假设图像是文本）的情况。下图为右旋性或偶数同位。

左旋性描述图像经过奇数次反射，导致图像位置不规则，相当于在反射镜中所看到的情况。下图为左旋性或奇数同位。

除了同位，还有以下三种不同类型的图像变化。

倒位是指水平轴的上下的图像翻转，如下图：

逆转是指垂直轴的左右的图像翻转，如下图：

当倒位和逆转两者同时进行时，就会发生180°的图像旋转，因此没有同位变化，如下图：

 

使用棱镜时，需考虑以下四点：

A）图像旋性会在每次反射时改变。

B）沿反射面平面的任何点，物体及其图像等距。

C）可将斯涅尔定律应用到所有表面。

D）测试图像旋性/同位时，最好使用非对称字母，如R、F或Q。避免使用如X、O、A等字母。

3.  棱镜类型

（1）  直角棱镜

直角棱镜是所有棱镜中最简单的一种，许多情形下可以和平面镜互换。

直角棱镜可以将光线偏转90°，图像为左旋性的，只有1次反射，所以直角棱镜产生的图像是不可读的。

直角棱镜可以用于显微镜、望远镜、内窥镜等。

注：在设计光学系统时，采用展开棱镜的每一个反射面、找出等效平行平板的方法，这样就可以把棱镜的所有影响到考虑到，这就是棱镜展开图的概念。

（2）  普罗棱镜

直角棱镜也可以用作反光棱镜，这种情形下称为普罗棱镜。

假设入射光与法线共面，普罗棱镜是一种完美的反光镜。

普罗棱镜是恒偏向棱镜的一种特殊情况，偏转角为180°。

（3）  角锥棱镜

由三个互相垂直的反射面构成的，这种棱镜称为角锥棱镜。

角锥棱镜可以反射各种到达棱镜的光线，不论棱镜的方向如何，都可以反射回去。

因此角锥棱镜可以用在需要精密对准的系统中。例如汽车的红色尾灯的反射镜，1969年放在月球表面的反射镜等。

（4）  阿米西棱镜

阿米西棱镜又称为屋脊棱镜或直角屋脊棱镜。

阿米西棱镜产生的图像是可读的，90°光线偏差，右旋性图像，它用两个相互垂直的反射面代替直角棱镜的斜反射面，形成一个屋脊面。

 

（5）  道威棱镜

光线经过道威棱镜后180度旋转，左旋性图像。

镀铝膜的道威棱镜，在对角面上镀上铝膜，非常适合用于反射。

（6）  五角棱镜

五角棱镜具有90°光线偏差及右旋性的图像，可用于定义直角的光学工具。

 

（7）  半五角棱镜

光线偏转45°，可以与施密特棱镜结合使用得到佩肯棱镜。

（8）  施密特棱镜

施密特棱镜适用于创建带45° 光线偏差的右旋性的图像，其功能与阿米西屋脊棱镜相似。施密特棱镜的45° 光线偏差使其在目镜装配和需要路径弯曲的成像系统中有着重要的应用。施密特棱镜可以与半五角棱镜结合得到佩肯棱镜。

（9）  施密特-别汉棱镜

施密特-别汉棱镜是一种光学棱镜，可以让影像做180°的旋转，通常用在双筒望远镜内做为"图像架设系统"。

这个棱镜组由两个被空气隙分离的玻璃棱镜组成，多次的全反射造成影像在垂直方向的翻转，在第二个棱镜的"屋脊" 将影像做了侧向的翻转，一起导致影像180°的旋转。影像的旋向性没有改变。

（10）  等边棱镜

等边棱镜的三个角的角度都为60°，同时又称为色散棱镜。等边棱镜可将不同波长的光分开。

（11）  利特罗色散棱镜

色散棱镜（无镀膜）

平行白光进入棱镜的A-C表面，并在斜边表面反射，然后再分散至位于B-C表面的元件光谱。尽管利特罗棱镜所形成的色散比等边棱镜窄，但其价格相对更便宜。

 

光束偏移棱镜（镀膜）

入射光以标称角度进入棱镜的镀铝膜B-C表面，并使用相同光程进行反射。在利用白光的光谱分散应用中，由于玻璃基片的光程长度与往返距离相同，因此利特罗棱镜和等边棱镜的分辨率性能相等。此外，在以60°发射通过斜边表面之前，进入A-C表面的光线会在玻璃基片内进行两次反射。

（12）  均匀化柱状导光管

就像光纤一样，均匀化柱状导光管利用全内反射(TIR)，将光线从导光管入口透射到导光管出口。基片的折射率是影响导光管临界角的唯一因素，该折射率定义全内反射发生时的接收角。导光管专为具备高数值孔径、标准数值孔径和低数值孔径的光源设计，而如果所使用的基片相同，则接收角相同。

临界角 (θc)可以通过使用下面的方程式计算得出。

θc=sin⁻¹(1/n)

在使用N-BK7导光管的情况下，587.9nm氦D线的折射率为1.517，θc为41°。若入射角大于θc，则会发生全内反射，光线会在导光管透射。

由于光线以不同入射角进入导光管，则导光管内的光线反射角均不相同。最小入射角等于临界角，在相同长度的导光管中，它比以大于临界角许多倍的入射角进入的光线获得更多反射。

由于低数值孔径光源的光线数量大于θc及大于高数值孔径光源，因此低数值孔径导光管长度长于高数值孔径导光管，建议用于窄光束发散的光源。

注意： 导光管的设计不适用于平行激光光源。对于均匀化平行光源，建议使用微透镜阵列或平顶激光光束整形器。导光管是发射非平行光的均匀化多色光源的最理想选择。