光學(xué)棱鏡簡介

棱鏡是實心的玻璃光學(xué)，經(jīng)過磨砂和拋光成幾何與光學(xué)明顯的形狀。角度、位置和光學(xué)平晶數(shù)量有助于定義類型和功能。艾薩克·牛頓爵士示范的一個受認(rèn)可的棱鏡使用，包括將一束白光源分散到其組件顏色（圖1）。利用此應(yīng)用的設(shè)備是折射儀和光譜元件。由于這一初步發(fā)現(xiàn)，棱鏡已在系統(tǒng)中用于“折射”光纖，將系統(tǒng)“折疊”成一個較小的空間，改變圖像的方向（也稱為旋性或同位），以及合并或分割光束的部分反射面。這些用途在利用望遠(yuǎn)鏡、放大鏡、測量儀器和許多其他應(yīng)用中非常普遍。

棱鏡的一個顯著特點是能夠模仿作為一個平面鏡系統(tǒng)，來模擬棱鏡媒介中的光反射。 更換反射鏡組件可能是有用的棱鏡應(yīng)用，因為它們都折射或折疊光線和改變圖像同位。 要實現(xiàn)類似單個棱鏡的效果，通常需要使用多個反射鏡。因此，用一個棱鏡來代替幾個反射鏡可減少潛在的校準(zhǔn)錯誤，提高準(zhǔn)確性和減少系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性。

棱鏡制造

在鉆研棱鏡的理論之前，先思考其制造過程。為了能夠在大多數(shù)應(yīng)用中成功使用，制造棱鏡時須符合非常嚴(yán)格的公差和精度。由于形狀、大小和重要反射面數(shù)量的變異，大規(guī)模的自動化過程對于棱鏡制造是不可行的。此外，大多數(shù)高精度棱鏡往往傾向于少量制造。

首先，取得一塊符合特定等級和玻璃類型的玻璃（稱為“玻璃毛坯”）。然后磨砂這塊玻璃，或通過一個金屬金剛石砂輪生成接近完成的產(chǎn)品。大多數(shù)的玻璃都會從這個階段去除，形成平坦但仍然粗糙的表面（圖2a）。此時，即將成為棱鏡的尺寸已非常接近所需的規(guī)格。接著，是去除表面的表面下裂痕的細(xì)磨過程；這一階段稱為精磨。前面階段的刮痕將會在后面階段中去除（圖2b）。精磨處理之后，玻璃表面應(yīng)出現(xiàn)混濁和不透明。在首兩個階段中，棱鏡表面需要潮濕，以便加快玻璃移除和防止玻璃本身過熱。

第三階段包括根據(jù)規(guī)格要求將棱鏡拋光到的精度。在這個階段中，玻璃將摩擦用“研磨漿”濕潤的聚氨酯拋光器，此“研磨漿”是通常包含混合水與浮石或氧化鈰的光學(xué)拋光化合物（圖2c）。拋光階段的確切時間，非常依賴于要求的鏡面規(guī)格。一旦完成拋光，即可開始倒角。在這第四個階段中，棱鏡的邊緣將經(jīng)過一個旋轉(zhuǎn)的鉆石板，將上述步驟中形成的尖銳邊緣稍微磨鈍（圖2d）。倒角之后，成品棱鏡將進(jìn)行清理、檢查（通過手動和自動兩種方式），以及在需要時進(jìn)行減反(AR)和/或金屬反射鍍膜，以進(jìn)一步幫助提高整體透射率和/或反射率。雖然過程因為棱鏡上的反射面數(shù)量而需要更積極參與并可能需要更多的循環(huán)或操作，但生成、平滑、拋光和倒角階段在圖2a - 2d中都有大致的概述。

在制造棱鏡的整個過程中，需要不斷調(diào)整和固定進(jìn)行中的每個鏡面。將棱鏡固定到位涉及兩個方法之一：阻止和接觸。阻止需要將棱鏡排列在注入熱蠟的金屬工具中。另一方面，接觸是一個在室溫下進(jìn)行的光學(xué)粘合過程，通過其范德瓦爾斯交互作用將兩個清潔的玻璃表面緊固在一起。接觸方法在要求高精度公差時使用，因為它不需要在生成、平滑或拋光階段中進(jìn)行其他調(diào)節(jié)來考慮棱鏡表面和接觸塊之間的蠟厚度。

在棱鏡制造過程的每一個階段中，從產(chǎn)生到阻止和接觸，都需要一位熟練的驗光師手動檢查和調(diào)整正在處理的棱鏡表面。因此，它需要注入非常大的勞力，而且要求經(jīng)驗和技巧來完成。整個過程通常需要相當(dāng)大量的時間、工作和專注。

理論：光線與折射

了解棱鏡如何工作是決定哪種類型的棱鏡適合某個特定應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，重要的是首先了解光與光學(xué)表面的相互作用。這種相互作用可通過斯涅爾的折射定律說明：

其中n₁是入射媒介的指數(shù)，θ₁是入射光線的角度，n₂是折射/反射媒介的指數(shù)，以及θ₂是折射/反射光線的角度。斯涅爾定律說明當(dāng)光線經(jīng)過多個媒介時，入射角和投射角之間的關(guān)系（圖3）。

圖3： 斯涅爾定律和內(nèi)部全反射理論

棱鏡的顯著能力是不需要鍍膜即可反射光線路徑，例如在使用反射鏡時則需要使用這些鍍膜。此功能通過一種稱為全部內(nèi)反射(TIR)的現(xiàn)象來實現(xiàn)。TIR在入射角（從正常測量的入射光線角度）大于臨界角θ_c時發(fā)生：

其中n₁是光線產(chǎn)生時媒介的折射率，n₂是光線出射時媒介的折射率。重要的是，需要知道TIR只有當(dāng)光從高指數(shù)媒介傳輸?shù)降椭笖?shù)媒介時發(fā)生。

在臨界角，折射角等于90°。參考圖3，將發(fā)現(xiàn)TIR只在當(dāng)θ超出臨界角時發(fā)生。根據(jù)斯涅爾定律，如果該角度在臨界角之下，則透射將連同反射一起發(fā)生。如果棱鏡面不符合所需角度的TIR規(guī)格，則需要使用反射鍍膜。這就是為什么有些應(yīng)用需要鍍膜版本的棱鏡，在其他應(yīng)用中可以無需鍍膜即可良好工作的原因。

理論：圖像旋性/同位

通過棱鏡成像的一個重要方面是圖像旋性（同位），亦指圖像的方向。這在每次光線路徑射到平面鏡、任何平面反射面，或產(chǎn)生TIR的棱鏡表面角度時出現(xiàn)。共有兩種類型的旋性：左和右。右旋性（圖4）描述圖像經(jīng)歷偶數(shù)反射次數(shù)，導(dǎo)致可在至少一個位置清晰閱讀（假設(shè)圖像是文本）的情況。左旋性（圖5）描述圖像經(jīng)歷奇數(shù)反射次數(shù)，導(dǎo)致圖像位置不規(guī)則，相當(dāng)于在反射鏡中所看到的情況。

除了同位，還有三種不同類型的圖像變化（圖6）。倒位是指水平軸上的圖像翻轉(zhuǎn)，而逆轉(zhuǎn)是指垂直軸上的圖像翻轉(zhuǎn)。當(dāng)兩者同時進(jìn)行時，就會發(fā)生180°的圖像旋轉(zhuǎn)，因此沒有同位變化。思考同位的另一種方法，是將它定義為通過針對朝著任何物體或圖像光學(xué)空間的傳播方向回顧來決定（圖7）。

使用棱鏡時，需考慮以下四點：

1. 圖像旋性會在每次圖像反射時改變。
2. 沿反射面平面的任何點，和從物體及其圖像等距離。
3. 可將斯涅爾定律應(yīng)用到所有表面。
4. 測試圖像旋性/同位時，使用非對稱字母，如R、F或Q。避免使用如X、O、A等字母。

棱鏡類型

共有四種主要類型的棱鏡：色散棱鏡、偏轉(zhuǎn)或反射棱鏡、旋轉(zhuǎn)棱鏡和偏移棱鏡。偏轉(zhuǎn)、偏移和旋轉(zhuǎn)棱鏡常用于成像應(yīng)用；擴(kuò)散棱鏡于色散光源，因此不適合用于要求圖像的任何應(yīng)用。

色散棱鏡

根據(jù)棱鏡基片的波長和反射率，棱鏡色散取決于棱鏡的幾何及其折射率色散曲線。偏向角決定入射光線和投射光線之間的夾角。綠色光的波長偏離超過紅色，藍(lán)色比紅色和綠色多；紅色通常定義為656.3nm，綠色為587.6nm和藍(lán)色為486.1nm。

偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和偏移棱鏡

偏轉(zhuǎn)光線路徑的棱鏡，或?qū)D像從其原始軸偏移，在很多成像系統(tǒng)中很有幫助。光線通常在45°、60°、90°和180°角度偏轉(zhuǎn)。這有助于聚集系統(tǒng)大小或調(diào)整光線路徑而不影響其余的系統(tǒng)設(shè)置。旋轉(zhuǎn)棱鏡，例如道威棱鏡，用于旋轉(zhuǎn)倒位后的圖像。偏移棱鏡保持光線路徑的方向，還會將其關(guān)系調(diào)整為正常。

棱鏡選擇指南

為了幫助您選擇適用于特定應(yīng)用的棱鏡，請考慮以下常用于光學(xué)、成像和光電工業(yè)的選擇指南。

1. 等邊棱鏡 - 色散

功能

• 將白光源分散到其組件顏色

應(yīng)用

• 光譜學(xué)
• 電信
• 波長分開

2. 利特羅棱鏡 - 色散、偏轉(zhuǎn)

功能

• 未鍍膜：將白光源分散到其組件顏色
• 鍍膜：將光線偏轉(zhuǎn)60°
• 圖像為右旋性

應(yīng)用

• 光譜學(xué)（未鍍膜
• 多光譜激光系統(tǒng)調(diào)節(jié)（鍍膜）

3.直角棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)、偏移

功能

• 將光線偏轉(zhuǎn)90°
• 圖像為左旋性
• 組合用于圖像/光束偏移

應(yīng)用

• 內(nèi)鏡
• 顯微鏡
• 激光校準(zhǔn)
• 醫(yī)療儀器

4.五角棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)

功能

• 將光線偏轉(zhuǎn)90°
• 圖像為右旋性

應(yīng)用

• 視覺瞄準(zhǔn)
• 投影
• 測量
• 顯示系統(tǒng)

5.半五角棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)

功能

• 將光線偏轉(zhuǎn)45°
• 圖像為右旋性

應(yīng)用

• 佩肯正像鏡組件

6. 阿米西屋脊棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)

功能

• 將光線偏轉(zhuǎn)90°
• 圖像為右旋性

應(yīng)用

• 顯微鏡
• 望遠(yuǎn)鏡目鏡

7. 阿米西屋脊棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)

功能

• 將光線偏轉(zhuǎn)45°
• 圖像為右旋性

應(yīng)用

• 顯微鏡
• 望遠(yuǎn)鏡目鏡

8. 回射器 (三角棱鏡) - 偏轉(zhuǎn)、偏移t

功能

• 將光線偏轉(zhuǎn)180°
• 圖像為左旋性
• 不論棱鏡的方向如何，將進(jìn)入棱鏡面的任何光束反射回其本身。

應(yīng)用

• 干涉測量
• 軸線校準(zhǔn)
• 測距
• 激光追蹤
• 精密校準(zhǔn)

9. 楔形棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)

功能

• 單獨使用可將激光光束偏轉(zhuǎn)至角度
• 組合使用兩個棱鏡可創(chuàng)建變形棱鏡組以進(jìn)行光束整形

應(yīng)用

• 光束偏轉(zhuǎn)
• 可調(diào)諧激光
• 不規(guī)則形狀成像
• 林業(yè)

10. 菱形棱鏡 - 偏移

功能

• 偏移光軸而不改變旋性
• 方向保持不變（沒有光線偏轉(zhuǎn)

應(yīng)用

• 放大鏡
• 測距器
• 激光儀器

11. 道威棱鏡 - 旋轉(zhuǎn)

功能

• 未鍍膜：將圖像旋轉(zhuǎn)棱鏡旋轉(zhuǎn)角度的兩倍
• 未鍍膜：圖像為左旋性
• 鍍膜：將進(jìn)入棱鏡面的任何光束反射回其本身
• 鍍膜：圖像為右旋性

應(yīng)用

• 干涉測量
• 天文
• 模型識別
• 在檢測器后面或周圍的視角成像

12. 變形棱鏡組 - 擴(kuò)束

功能

• 在一個維度上擴(kuò)展入射光束直徑
• 適合用于使橢圓形光束呈圓形

應(yīng)用

• 激光二極管激光擴(kuò)束器
• 高清成像透鏡

13. 勻光管 - 勻光

功能

• 均勻化非均勻光源

應(yīng)用

• LED照明器
• 微投影儀
• 激光散斑衰減器
• OEM照明

14. 錐形均勻化柱狀導(dǎo)光管 - 勻漿

功能

• 均勻化非均勻光源，同時縮小輸出數(shù)值孔徑(NA)

應(yīng)用

• 投影儀
• 微顯示中繼系統(tǒng)