棱鏡簡介 制造|光線與折射|圖像旋性/同位|類型|選擇指南 圖1：通過棱鏡實現(xiàn)色散 [請查看大圖] 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最受認可的棱鏡使用，包括將一束白光源分散到其組件顏色（圖1）。利用此應(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最有用的棱鏡應(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，制造棱鏡時必須符合非常嚴(yán)格的公差和精度。由于形狀、大小和最重要反射面數(shù)量的變異，大規(guī)模的自動化過程對于棱鏡制造是完全不可行的。此外，大多數(shù)高精度棱鏡往往傾向于少量制造，意味著自動化過程是不必要的。 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磨過程；這一階段稱為精磨。第一個階段遺留的刮痕將會在第二個階段中去除（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，棱鏡表面必須潮濕，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指定的精度。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，成品棱鏡將進行清理、檢查（通過手動和自動兩種方式），以及在必要時進行減反(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(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。 圖2a：棱鏡制造過程：粗磨階段 [請查看大圖] 圖2b：棱鏡制造過程：精磨階段 [請查看大圖] 圖2c：棱鏡制造過程：拋光階段 [請查看大圖] 圖2d：棱鏡制造過程：倒角階段 [請查看大圖] 在制造棱鏡的整個過程中，需要不斷調(diào)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(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最適合某個特定應(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： (1) 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 [請查看大圖] 棱鏡的顯著能力是不需要特殊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θc時發(fā)生： (2) 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，則必須使用反射鍍膜。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 圖4：右旋性或偶數(shù)同位 [請查看大圖] 圖5：左旋性或奇數(shù)同位 [請查看大圖] 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： 圖像旋性會在每次圖像反射時改變。 沿反射面平面的任何點，和從物體及其圖像等距離。 可將斯涅爾定律應(yīng)用到所有表面。 測試圖像旋性/同位時，最好使用非對稱字母，如R、F或Q。避免使用如X、O、A等字母。 圖6：倒位（頂部）、逆轉(zhuǎn)（中間）、旋轉(zhuǎn)（底部）[請查看大圖] 圖7：決定同位的方式 [請查看大圖] 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；擴散棱鏡專用于色散光源，因此不適合用于要求優(yōu)質(zhì)圖像的任何應(yīng)用。 圖8：通過棱鏡實現(xiàn)色散 [請查看大圖] 本簡介提供棱鏡的制造過程及其相關(guān)理論的概述，以及有助于找到適用于任何應(yīng)用的最好棱鏡的選擇指南。有關(guān)直角棱鏡、屋脊棱鏡和組合棱鏡（如立方體分光器）的更深入信息，請參閱“棱鏡應(yīng)用范例”。