光學(xué)棱鏡簡(jiǎn)介
棱鏡是實(shí)心的玻璃光學(xué),經(jīng)過(guò)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(lèi)型和功能。艾薩克·牛頓爵士示范的一個(gè)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(gè)較小的空間,改變圖像的方向(也稱(chēng)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(cè)量?jī)x器和許多其他應(yīng)用中非常普遍。
棱鏡的一個(gè)顯著特點(diǎn)是能夠模仿作為一個(gè)平面鏡系統(tǒng),來(lái)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?yàn)樗鼈兌颊凵浠蛘郫B光線和改變圖像同位。 要實(shí)現(xiàn)類(lèi)似單個(gè)棱鏡的效果,通常需要使用多個(gè)反射鏡。因此,用一個(gè)棱鏡來(lái)代替幾個(gè)反射鏡可減少潛在的校準(zhǔn)錯(cuò)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(guò)程。為了能夠在大多數(shù)應(yīng)用中成功使用,制造棱鏡時(shí)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(dòng)化過(guò)程對(duì)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(jí)和玻璃類(lèi)型的玻璃(稱(chēng)為“玻璃毛坯”)。然后磨砂這塊玻璃,或通過(guò)一個(gè)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(huì)從這個(gè)階段去除,形成平坦但仍然粗糙的表面(圖2a)。此時(shí),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(guò)程;這一階段稱(chēng)為精磨。前面階段的刮痕將會(huì)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(gè)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(guò)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(gè)階段中,玻璃將摩擦用“研磨漿”濕潤(rùn)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(shí)間,非常依賴(lài)于要求的鏡面規(guī)格。一旦完成拋光,即可開(kāi)始倒角。在這第四個(gè)階段中,棱鏡的邊緣將經(jīng)過(guò)一個(gè)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(guò)手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式),以及在需要時(shí)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(guò)程因?yàn)槔忡R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(gè)過(guò)程中,需要不斷調(diào)整和固定進(jìn)行中的每個(gè)鏡面。將棱鏡固定到位涉及兩個(gè)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(gè)在室溫下進(jìn)行的光學(xué)粘合過(guò)程,通過(guò)其范德瓦爾斯交互作用將兩個(gè)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(shí)使用,因?yàn)樗恍枰谏?、平滑或拋光階段中進(jìn)行其他調(diào)節(jié)來(lái)考慮棱鏡表面和接觸塊之間的蠟厚度。
在棱鏡制造過(guò)程的每一個(gè)階段中,從產(chǎn)生到阻止和接觸,都需要一位熟練的驗(yàn)光師手動(dòng)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(yàn)和技巧來(lái)完成。整個(gè)過(guò)程通常需要相當(dāng)大量的時(shí)間、工作和專(zhuān)注。
理論:光線與折射
了解棱鏡如何工作是決定哪種類(lèi)型的棱鏡適合某個(gè)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(guò)斯涅爾的折射定律說(shuō)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(shuō)明當(dāng)光線經(jīng)過(guò)多個(gè)媒介時(shí),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(shí)則需要使用這些鍍膜。此功能通過(guò)一種稱(chēng)為全部?jī)?nèi)反射(TIR)的現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。TIR在入射角(從正常測(cè)量的入射光線角度)大于臨界角θc時(shí)發(fā)生:
其中n1是光線產(chǎn)生時(shí)媒介的折射率,n2是光線出射時(shí)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(shí)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(shí)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(wú)需鍍膜即可良好工作的原因。
理論:圖像旋性/同位
通過(guò)棱鏡成像的一個(gè)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(shí)出現(xiàn)。共有兩種類(lèi)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(gè)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(lèi)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(shí)進(jìn)行時(shí),就會(huì)發(fā)生180°的圖像旋轉(zhuǎn),因此沒(méi)有同位變化。思考同位的另一種方法,是將它定義為通過(guò)針對(duì)朝著任何物體或圖像光學(xué)空間的傳播方向回顧來(lái)決定(圖7)。
使用棱鏡時(shí),需考慮以下四點(diǎn):
棱鏡類(lèi)型
共有四種主要類(lèi)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。
根據(jù)棱鏡基片的波長(zhǎng)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(zhǎng)偏離超過(guò)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)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(huì)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(qǐng)考慮以下常用于光學(xué)、成像和光電工業(yè)的選擇指南。
功能
應(yīng)用
2. 利特羅棱鏡 - 色散、偏轉(zhuǎn)
功能
應(yīng)用
3.直角棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)、偏移
功能
應(yīng)用
4.五角棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)
功能
應(yīng)用
5.半五角棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)
功能
應(yīng)用
6. 阿米西屋脊棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)
功能
應(yīng)用
7. 阿米西屋脊棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)
功能
應(yīng)用
8. 回射器 (三角棱鏡) - 偏轉(zhuǎn)、偏移t
功能
應(yīng)用
9. 楔形棱鏡 - 偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)
功能
應(yīng)用
10. 菱形棱鏡 - 偏移
功能
應(yīng)用
11. 道威棱鏡 - 旋轉(zhuǎn)
功能
應(yīng)用
12. 變形棱鏡組 - 擴(kuò)束
功能
應(yīng)用
13. 勻光管 - 勻光
功能
應(yīng)用
14. 錐形均勻化柱狀導(dǎo)光管 - 勻漿
功能
應(yīng)用
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