1 引言
在上篇中,我们对常用的光学棱镜做了介绍,按照功能不同,棱镜分为色散棱镜和反射棱镜两大类,根据应用场合的不同,棱镜的结构形式多种多样,包括直角棱镜、菱形棱镜、保罗棱镜、施密特棱镜等,在本篇中,我们继续对单体棱镜的种类展开介绍,以丰富大家对棱镜产品的认识和了解。2 常见的光学棱镜汇总
2.1 宝恩芬德棱镜(Bauernfeind
prism)
在这类棱镜中,光束垂直于一个面入射,在棱镜内部被反射两次后,从另一个面垂直出射,分为正向使用和反向使用两种情况,在正向使用时,光束从斜面入射,从短面出射,在反向使用时,则从短面入射,从斜面出射,如下图所示:此类棱镜的特点是,出射光线与入射光束的夹角δ与棱镜的底部角度α相等,并且棱镜的另一个底角β等于α的一半。利用这类棱镜,可以实现入射光束的30°、45°或者60°的角度折转。由于在棱镜内部存在两次反射,因此需要关注光束的能量损失,必要时需要在反射面处镀上反射膜。2.2 90度宝恩芬德棱镜(90°-Bauernfeind prism)
当光束从短面入射,并且入射角和棱镜的底角都是45度的时候,出射光线将沿垂直于入射光线的方向发出,此时,出射光束与出射表面是不垂直的,光路如下图所示:这类棱镜的特点是,只要光束在内部经历2次反射,那么即便是入射角有一定的改变,出射光束仍然保持与入射光束垂直。值得注意的是,由于入射光束和出射光束相对于入射面和出射面都是不垂直的,所以在使用此种棱镜时会引入一定的像差和色散。2.3 道威棱镜(Dove prism)
道威棱镜的横截面是一个梯形,光束从梯形一侧的斜面入射,在棱镜内部反射一次后,从另一个斜面出射,光路如下图所示:从上图可以看出,正置的像经过道威棱镜后,被颠倒了180度,因此,道威棱镜通常作为像旋转器来使用。由于入射角度与入射面是不垂直的,所以当把道威棱镜沿反射面展开时,它相当于一个倾斜的平行平板,光束在棱镜内部会发生色散现象,不同颜色的光束会在出射端平行出射。2.4 沃拉斯顿棱镜(Wollaston prism)
在沃拉斯顿棱镜中,光束垂直于入射表面入射后,被反射两次,并垂直于出射表面发出,出射光束相对于入射光束的折转角为90度,如下方左图所示,与五角棱镜的区别是,光束在沃拉斯顿棱镜内部满足全反射的条件,可以实现全反射,因此棱镜表面不需要额外镀膜。实际中,也可以将两个阿米西棱镜胶合起来,组合成一个沃拉斯顿棱镜来使用,如上方右图所示,阿米西棱镜的底角为67.5度。除了上述的两次反射外,当把光束的入射高度升高时,光束可以在沃拉斯顿棱镜内部实现四次反射,并垂直于出射表面发出,此时的光束折转角度也为90度,光路如下图所示:
2.5 斯普伦格-莱曼棱镜(Sprenger–Leman prism)
这种棱镜是以它的发明人命名的,光束垂直于表面入射后,在棱镜内部反射三次,并沿着原方向出射,出射方向垂直于出射表面,相对于入射光束有一个纵向的平移,光路如下图所示:
上图中,棱镜入射光处的锐角是30度,在这种情况下,光束的平移距离v是光束口径D的2倍。2.6 和优特棱镜(Huet prism)
和优特棱镜中,光束依然是垂直于入射表面进入、垂直于出射表面发出的,并且出射光束与入射光束同方向,光束在棱镜内部经历了5次反射,所以可以实现较大的光束平移量,棱镜光路如下图所示:
2.7 角锥棱镜(Corner cube prism)
角锥棱镜也称为回射器(Retroreflector),是由三个互成90度的直角面组成的棱镜,相当于是从一个正方体上切下来一个角,它可以使入射来的光束,经过内部三次反射后,再沿与入射方向相反的方向出射出去,即可以使光束折转180度。光束在棱镜内部的反射是全反射,因此没有能量损失。角锥棱镜的实物图如下图所示,它常用在激光测长、投影等领域。
2.8 恒偏向棱镜(Constant
deviation prism)
通过选择合适的光束入射方向,一个常规的三面棱镜可以提供恒定的光束偏向角度,下面是恒偏向棱镜的一个例子:
上图的棱镜中,长边与两个短边的角度分别为α-β和α+β,当光束从α-β一侧的短边入射时,出射光束相对于入射光束的偏离角δ是与入射光束的入射角无关的,恒定为180°-2α,当然,此时的入射光和出射光都不是垂直入射或出射的。这类的棱镜有阿贝棱镜、贝林-布洛卡棱镜等。2.9 利特罗棱镜(Littrow prism)
作为上面提到的恒偏向棱镜的一个特例,利特罗棱镜可以将入射的光束原路返回,具备自准直的特性,光路如下图所示:
楔形棱镜是具有特定楔角的棱镜元件,一端最厚,一端最薄,如下图所示
利用楔形棱镜,可以使透射光束产生方向的偏折。楔形棱镜另一常见的应用是光束分离,当一束光通过楔形棱镜时,它被分成两束,一束反射,一束透射。光束分离的角度可以通过调节棱镜的角度或改变用来制造棱镜的材料的折射率来控制,这使得楔形棱镜广泛应用于激光系统中。3 结语
本文中,在上一篇的基础上,我们对另外10种光学棱镜的结构做了汇总和介绍,包括Bauernfeind棱镜,道威棱镜、角锥棱镜等,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。值得注意的是,以上介绍的都是单体的棱镜,在下一篇中,将会介绍由两块或多块棱镜组合而成的集成棱镜,它们也会在光学系统中有较多的应用,敬请大家期待。