光學棱鏡簡介

光學棱鏡簡介

棱鏡是實心的玻璃光學，經過磨砂和拋光成幾何與光學明顯的形狀。角度、位置和光學平晶數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）。利用此應用的設備是折射儀和光譜元件。由于這一初步發現，棱鏡已在系統中用于“折射”光纖，將系統“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鏡、放大鏡、測量儀器和許多其他應用中非常普遍。

棱鏡的一個顯著特點是能夠模仿作為一個平面鏡系統，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用，因為它們都折射或折疊光線和改變圖像同位。 要實現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錯誤，提高準確性和減少系統的規模和復雜性。

棱鏡制造

在鉆研棱鏡的理論之前，先思考其制造過程。為了能夠在大多數應用中成功使用，制造棱鏡時須符合非常嚴格的公差和精度。由于形狀、大小和重要反射面數量的變異，大規模的自動化過程對于棱鏡制造是不可行的。此外，大多數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品。大多數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格。接著，是去除表面的表面下裂痕的細磨過程；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，玻璃表面應出現混濁和不透明。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。

第三階段包括根據規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，棱鏡的邊緣將經過一個旋轉的鉆石板，將上述步驟中形成的尖銳邊緣稍微磨鈍（圖2d）。倒角之后，成品棱鏡將進行清理、檢查（通過手動和自動兩種方式），以及在需要時進行減反(AR)和/或金屬反射鍍膜，以進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量而需要更積極參與并可能需要更多的循環或操作，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，需要不斷調整和固定進行中的每個鏡面。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行的光學粘合過程，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行其他調節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，從產生到阻止和接觸，都需要一位熟練的驗光師手動檢查和調整正在處理的棱鏡表面。因此，它需要注入非常大的勞力，而且要求經驗和技巧來完成。整個過程通常需要相當大量的時間、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用的關鍵。為此，重要的是首先了解光與光學表面的相互作用。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，θ₁是入射光線的角度，n₂是折射/反射媒介的指數，以及θ₂是折射/反射光線的角度。斯涅爾定律說明當光線經過多個媒介時，入射角和投射角之間的關系（圖3）。

圖3： 斯涅爾定律和內部全反射理論

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反射(TIR)的現象來實現。TIR在入射角（從正常測量的入射光線角度）大于臨界角θ_c時發生：

其中n₁是光線產生時媒介的折射率，n₂是光線出射時媒介的折射率。重要的是，需要知道TIR只有當光從高指數媒介傳輸到低指數媒介時發生。

在臨界角，折射角等于90°。參考圖3，將發現TIR只在當θ超出臨界角時發生。根據斯涅爾定律，如果該角度在臨界角之下，則透射將連同反射一起發生。如果棱鏡面不符合所需角度的TIR規格，則需要使用反射鍍膜。這就是為什么有些應用需要鍍膜版本的棱鏡，在其他應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，或產生TIR的棱鏡表面角度時出現。共有兩種類型的旋性：左和右。右旋性（圖4）描述圖像經歷偶數反射次數，導致可在至少一個位置清晰閱讀（假設圖像是文本）的情況。左旋性（圖5）描述圖像經歷奇數反射次數，導致圖像位置不規則，相當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，而逆轉是指垂直軸上的圖像翻轉。當兩者同時進行時，就會發生180°的圖像旋轉，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、偏轉或反射棱鏡、旋轉棱鏡和偏移棱鏡。偏轉、偏移和旋轉棱鏡常用于成像應用；擴散棱鏡于色散光源，因此不適合用于要求圖像的任何應用。

色散棱鏡

根據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，藍色比紅色和綠色多；紅色通常定義為656.3nm，綠色為587.6nm和藍色為486.1nm。

偏轉、旋轉和偏移棱鏡

偏轉光線路徑的棱鏡，或將圖像從其原始軸偏移，在很多成像系統中很有幫助。光線通常在45°、60°、90°和180°角度偏轉。這有助于聚集系統大小或調整光線路徑而不影響其余的系統設置。旋轉棱鏡，例如道威棱鏡，用于旋轉倒位后的圖像。偏移棱鏡保持光線路徑的方向，還會將其關系調整為正常。

棱鏡選擇指南

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

1. 等邊棱鏡 - 色散

功能

• 將白光源分散到其組件顏色

應用

• 光譜學
• 電信
• 波長分開

2. 利特羅棱鏡 - 色散、偏轉

功能

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

應用

• 光譜學（未鍍膜
• 多光譜激光系統調節（鍍膜）

3.直角棱鏡 - 偏轉、偏移

功能

• 將光線偏轉90°
• 圖像為左旋性
• 組合用于圖像/光束偏移

應用

• 內鏡
• 顯微鏡
• 激光校準
• 醫療儀器

4.五角棱鏡 - 偏轉

功能

• 將光線偏轉90°
• 圖像為右旋性

應用

• 視覺瞄準
• 投影
• 測量
• 顯示系統

5.半五角棱鏡 - 偏轉

功能

• 將光線偏轉45°
• 圖像為右旋性

應用

• 佩肯正像鏡組件

6. 阿米西屋脊棱鏡 - 偏轉

功能

• 將光線偏轉90°
• 圖像為右旋性

應用

• 顯微鏡
• 望遠鏡目鏡

7. 阿米西屋脊棱鏡 - 偏轉

功能

• 將光線偏轉45°
• 圖像為右旋性

應用

• 顯微鏡
• 望遠鏡目鏡

8. 回射器 (三角棱鏡) - 偏轉、偏移t

功能

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

應用

• 干涉測量
• 軸線校準
• 測距
• 激光追蹤
• 精密校準

9. 楔形棱鏡 - 偏轉、旋轉

功能

• 單獨使用可將激光光束偏轉至角度
• 組合使用兩個棱鏡可創建變形棱鏡組以進行光束整形

應用

• 光束偏轉
• 可調諧激光
• 不規則形狀成像
• 林業

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

應用

• 放大鏡
• 測距器
• 激光儀器

11. 道威棱鏡 - 旋轉

功能

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

應用

• 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 - 擴束

功能

• 在一個維度上擴展入射光束直徑
• 適合用于使橢圓形光束呈圓形

應用

• 激光二極管激光擴束器
• 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. 錐形均勻化柱狀導光管 - 勻漿

功能

• 均勻化非均勻光源，同時縮小輸出數值孔徑(NA)

應用

• 投影儀
• 微顯示中繼系統