1 引言
在前面两篇中,我们对常用的单体光学棱镜做了介绍,包括常见的直角棱镜、五角棱镜、保罗棱镜、道威棱镜等元件,这些棱镜可以在光学系统中起到将光束转向或平移的作用。实际中,常常将这些单体棱镜组合起来使用,来获得独特的光学效果。在本篇中,我们将对常用的棱镜组合做介绍,以拓展大家对棱镜产品在实际应用中的了解和认识。2 常见的组合棱镜
2.1 施密特-别汉棱镜(Schmidth–Pechan
prism)施密特-别汉棱镜是我们之前介绍过的宝恩芬德棱镜和施密特棱镜的组合,入射光束会在组合棱镜内发生5次反射,并沿原来的方向出射,如下图所示:由于光束会在组合棱镜内部多次反射,所以必然会出现光束能量的损失,为了保持光束的能量,需要在反射面镀上内反射膜,或者是让光束在棱镜内部实现全反射。为了实现全反射,需要在两个棱镜间留有一定宽度的空气间隙。在第二个棱镜处还可以设定屋脊面,从而使得出射的光束相对于入射光束有180°的影像旋转。有时候,多次的全反射也会造成光的偏振态改变,导致不同偏振分量的光在相位上出现延迟差,因此,需要镀制特别的相位补正膜来加以改善,以避免在影像中产生不必要的干涉现象。2.2 乌彭达尔棱镜(Uppendahl
prism)乌彭达尔棱镜共由三块棱镜胶合而成,不需要空气隙,第三个棱镜带上屋脊面后,其作用与上面介绍的施密特-别汉棱镜一样,可以实现影像的180度旋转并同方向出射,棱镜结构和光路走向如下图所示:2.3 道布莱斯棱镜(Daubresse prism)道布莱斯棱镜由一个五角棱镜和一个直角棱镜组合而成,它不会改变光束的传播方向,但是会将光束平移一段距离v后出射,其结构和光路图如下所示,其中五角棱镜包含了屋脊面,因此出射光束与入射光束是有180度的旋转的。2.4 佩林-布洛卡棱镜(Pellin–Broca prism)佩林-布洛卡棱镜是一个反射棱镜和一个色散棱镜的组合。其功能类似于我们上篇提到的恒偏向棱镜,棱镜结构和光路走向如下图所示:从上图可以看出,因为光束的入射和出射都是与棱镜表面不垂直的,所以出射波面会出现一定的色差,实际中,通过选择特定阿贝数的光学材料组合来降低色差的量值。2.5 带屋脊面的阿贝棱镜(Abbe prism with roof edge)此类棱镜由三个等角度的阿米西单体棱镜胶合而成,中间的棱镜带有屋脊面,如下图所示: 从左端入射的光束,经过棱镜后,会实现180度的影像翻转,并沿原方向出射。2.6 阿贝-柯尼棱镜(Abbe-Koenig
prism)阿贝-柯尼棱镜是反射型的光学棱镜,可实现影像的转向,经常用于双筒望远镜中,棱镜的光路如下图所示:
从上图可以看出,阿贝-柯尼棱镜由两个玻璃棱镜胶合而成,形成对称的浅V字型组合。光线从左端垂直于表面入射,在30°的斜面产生全反射,然后在另一个直角面被反射后,再从第二个棱镜的表面全反射后出射,光束的方向保持不变,影像被上下颠倒了。如果将最下端的底面设置成屋脊面,则可以实现影像的180度翻转。让池棱镜由三块独立的棱镜组合而成,其中一块是等边棱镜,另外两块是锐角为30°的直角棱镜,其结构和光路图如下图所示:
光束从左端入射后,经过棱镜的三次反射后出射,出射光束中与入射光束有一定距离的纵向平移,并且出射光束的影像相对于入射光束是上下镜像。可然棱镜的作用,依然是光束在不改变传播方向的前提下,实现光束的镜像,一个代表性的可然棱镜如下图所示:
上图中,左右两侧各有一个宝恩芬德单体棱镜,入射光束会经过内部5次反射后,从右端出射,出光光束的影像与入射光束是上下镜像的。在德国蔡司公司生产的一款双筒望远镜中,就用到了此款棱镜,它的结构光路如下图所示:
这款棱镜是由之前介绍过的阿米西棱镜和宝恩芬德棱镜组合而成,在第二个棱镜上设置有屋脊面,从左端入射的光束,经过内部三次反射后,会被旋转180度并从右端出射,出射方向与入射方向一致。2.10 保罗棱镜对(Porro prism
pair)保罗棱镜对被广泛的应用在双筒望远镜中,其在望远镜中的位置如下图所示:
利用望远镜来观测远处的景象时,进入望远镜的光束经过物镜后,就来到了保罗棱镜对的区域,两个棱镜的斜面相对,可以实现光束的平移和折转,从而输送到目镜中,形成成像。3 结语
本篇中,我们对常见的组合棱镜的结构做了汇总和介绍,包括广为熟知的施密特-别汉棱镜、阿贝-柯尼棱镜、保罗棱镜对等,它们通过对单体棱镜的巧妙组合,实现了满足应用需求的光束折转和平移。建议大家把文章收藏起来,后续在工作中遇到这些棱镜时,可以翻出文章来做查找和有针对性的了解。在下一篇中,作为对棱镜产品的补充,我们将对常用的棱镜模组做介绍,这些棱镜模组通常会被直接应用在光学系统中,实现特定的功能,敬请大家期待!